基于正交試驗設計的橡膠瀝青性能影響因素研究

曹西寧

（甘肅省公航旅建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

交通運輸在服務國民經濟的同時，也帶來了不容忽視的環境問題，其中，汽車保有量增加導致的廢舊輪胎堆積問題引起了社會各界的廣泛關注。將廢舊輪胎粉碎后加入熱熔的基質瀝青中生產橡膠瀝青，既可以顯著提高瀝青的性能，又可以大量消耗廢舊輪胎膠粉，實現膠粉的循環利用，從而減輕環境污染和資源浪費。但是，橡膠瀝青的性能受到原材料（瀝青、膠粉來源、橡膠粉細度、橡膠粉摻量）及加工工藝參數的綜合影響，為實現橡膠瀝青的最佳性能，開展橡膠瀝青性能影響因素研究具有重要意義。

鄭南翔等研究了橡膠粉細度和摻量對橡膠瀝青車轍因子、疲勞因子及蠕變勁度模量的影響，認為橡膠粉越粗，橡膠瀝青的性能越好，最佳的橡膠粉摻量為16%～18%，而瀝青標號越高，橡膠瀝青的各項指標越低[1]。房辰澤、禤煒安等研究了橡膠粉對橡膠瀝青自愈性能的影響，認為橡膠瀝青有顯著的自愈性能，但其大小受到橡膠粉性能、橡膠粉摻量的影響[2-7]。董大偉、熊劍平等采用橡膠粉制備了高粘度瀝青和復合改性瀝青[8-9]；張慶、覃潤浦等對橡膠瀝青的微觀結構和深度降解膠粉橡膠瀝青的性能進行了探討[10-11]。

本文采用SK90號基質瀝青和子午胎膠粉制備橡膠瀝青，研究橡膠粉細度、摻量以及制備工藝參數等對橡膠瀝青性能的影響，確定橡膠瀝青原材料組成及制備工藝參數，研究成果對提升橡膠瀝青路面性能具有一定的參考意義。

1 原材料與試驗方法

1.1 基質瀝青

根據使用環境的溫度和荷載差異，常采用70號、90號、110號等高標號基質瀝青制備橡膠瀝青。瀝青標號越高，其中的輕質組分含量越多，瀝青對橡膠粉的溶脹效應越突出，橡膠瀝青的低溫延展性也越好，但高溫抗剪性能會有一定程度下降。鑒于本文所研究的橡膠瀝青主要用于甘肅省中西部地區中等交通量道路，因此，選擇SK90號基質瀝青作為制備橡膠瀝青的基礎瀝青。基質瀝青技術指標如表1所示。

表1 SK90基質瀝青技術指標

1.2 橡膠粉

制備橡膠瀝青的橡膠粉多來源于子午胎（載重車車胎）胎面，其組成主要有橡膠、炭黑、金屬、硫以及纖維等。目前，橡膠粉的加工工藝主要包括冷凍粉碎法、濕磨法、水流切割法以及常溫粉碎法。由于常溫粉碎法生產橡膠粉能源消耗小、成本低，橡膠粉顆粒形狀不規則、比表面積較大，在制備橡膠瀝青過程中更易吸收瀝青中的輕質組分，達到改善瀝青性能的目的，因此，本研究采用常溫粉碎法生產的子午胎膠粉。根據JTT797-2011《路用廢胎硫化橡膠粉》技術標準，檢測本文選用的子午胎膠粉物理、化學性能指標，結果如表2和表3所示。

表2 橡膠粉物理性能指標

表3 橡膠粉化學性能指標

為研究橡膠粉細度對橡膠瀝青性能的影響，本文選擇30目、40目、60目和80目四種細度的橡膠粉，采用掃描電鏡（×1000）觀測不同細度膠粉的表面形態，結果如圖1。盡管四種橡膠粉細度不同，但表面粗糙度相似，說明橡膠粉表面形態受加工方式的影響顯著，而粉碎程度對其影響較小。

圖1 橡膠粉的微觀形貌

1.3 試驗方法

在橡膠瀝青的生產中，影響橡膠瀝青性能的主要原材料和工藝參數有膠粉細度、摻量、攪拌時間、溫度以及發育時間等。基于以上主要影響因素，本文設計五因素四水平正交試驗，試驗方案如表4所示。

表4 橡膠瀝青正交試驗設計方案

根據表4確定的橡膠瀝青正交試驗設計方案，采用電動攪拌器制備橡膠瀝青，具體工藝如下：

1）將基質瀝青加熱至制備溫度，緩慢均勻地摻入相應細度和摻量（外摻）的橡膠粉，當溫度再次達到設計攪拌溫度后，設置攪拌機轉速為3000r/min，并持續攪拌相應時長。

2）攪拌完成后的橡膠瀝青樣品移至163℃烘箱中靜置發育相應時長，樣品制備完成。

將制備好的樣品按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行橡膠瀝青各項性能測試，根據測試結果確定其最佳原材料組成與工藝參數。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

根據表4制備16組橡膠瀝青，參照JTG E20-2011測試其針入度、軟化點、延度、彈性恢復、黏度等技術指標，試驗結果如表5所示。

表5 橡膠瀝青正交試驗測試結果

根據橡膠瀝青正交試驗結果分析膠粉細度、摻量、攪拌時間、溫度以及發育時間等對橡膠瀝青針入度、軟化點、延度、彈性恢復以及離析等的影響，結果如圖2～圖6所示。

圖2 各因素對針入度的影響

圖3 各因素對軟化點的影響

圖4 各因素對延度的影響

圖5 各因素對彈性恢復的影響

圖6 各因素對離析的影響

由表5和圖2～圖6可知，橡膠瀝青的針入度、軟化點、延度、彈性恢復等各項指標均受到原材料和工藝參數的顯著影響，不同原材料和工藝參數條件下制備的橡膠瀝青性能存在顯著差異。就橡膠粉的細度對橡膠瀝青性能的影響而言，橡膠粉細度越大，橡膠瀝青的針入度和延度越大。橡膠粉粒徑越小，微粒狀的橡膠粉一方面可以充分吸收瀝青中的輕質組分，改善瀝青的抗剪性能，另一方面在加熱和攪拌力的作用下，自身的脫硫降解作用越強烈。從橡膠粉細度對橡膠瀝青軟化點和彈性恢復率的影響規律可以看出，40目橡膠粉改性瀝青的軟化點和彈性恢復率值均最大，這是由于40目膠粉在充分吸收瀝青輕質組分的同時保持自身彈性而不被降解，在改善瀝青抗剪切性能的同時，將自身的良好彈性性能賦予瀝青。

分析橡膠粉摻量對橡膠瀝青針入度、軟化點、延度、彈性恢復等的影響可以看出，橡膠瀝青的軟化點、延度和彈性恢復率均隨著橡膠粉摻量的增加而增大。橡膠粉的摻量越大，膠粉對瀝青中輕質組分的吸收越充分，對瀝青抗剪切性能的改善越顯著，而延度的增大則是由于低溫拉伸過程中橡膠粉的存在帶來了大量的銀紋，起到了應力分散的作用，表現為瀝青低溫延度值隨膠粉摻量的增加而增加，彈性恢復率的增加則是由于橡膠粉自身具有明顯優于基質瀝青的彈性和變形恢復性能，橡膠粉摻量越大，橡膠瀝青的變形恢復性能越好，而橡膠粉摻量對針入度和離析值的影響較為復雜，但總體而言，橡膠粉摻量越小，橡膠瀝青的離析和針入度越小。

攪拌溫度、攪拌時間以及發育時間三者通過影響橡膠粉對瀝青輕質組分的吸收以及橡膠粉自身的脫硫降解而影響橡膠瀝青的性能，從三者對軟化點、延度和彈性恢復的影響規律可以看出，只有在橡膠粉滿足一定的溶脹條件時，橡膠瀝青才能達到相應的最佳性能。就軟化點而言，其對應的最佳攪拌溫度、攪拌時間和發育時間分別為60min、170℃和50min；對橡膠瀝青的延度而言，其對應的最佳攪拌溫度、攪拌時間和發育時間分別為50min、200℃、70min；對彈性恢復值而言，其對應的最佳攪拌溫度、攪拌時間和發育時間分別為50min、180℃和50min。由此可見，對不同的橡膠瀝青指標，其對應的最佳制備工藝參數不同，應根據實際工程需要確定橡膠瀝青性能關鍵控制指標，再根據關鍵控制指標與工藝參數的關系確定橡膠瀝青的最終制備工藝參數。

從以上分析可以看出來，橡膠瀝青的低溫延度、軟化點、彈性恢復率、針入度、離析等指標均受到原材料和制備工藝參數的影響，其中橡膠粉細度和摻量對各指標的影響有較好的規律性，而制備工藝參數對各個指標的影響需平衡橡膠粉的溶脹和降解，以達到期望的橡膠瀝青性能。盡管原材料和工藝參數對橡膠瀝青各指標均有顯著的影響，但在實際生產中，往往期望確定出對橡膠瀝青性能影響最顯著的原材料或工藝參數，以根據實際工程需要對影響橡膠瀝青性能的各參數做出快速的調整，提高橡膠瀝青的生產效率。因此，本文將針入度、軟化點、延度、彈性恢復率、離析試驗值求和并代入極差分析公式，計算出各因素的極差和因素水平對相應指標的影響效果，結果見表6，并對各因素對橡膠瀝青性能的影響進行排序，結果見表7。

表6 各試驗因素下的相應指標極差值

表7 正交試驗結果分析匯總

綜合各因素對改性瀝青性能的影響（表4～表7），得出制備橡膠粉改性瀝青的最佳組合方案是：膠粉細度為40目、膠粉摻量為18%、攪拌時間為60min、攪拌溫度為200℃、發育時間為50min。

2.2 制備工藝優化

考慮到正交試驗法確定橡膠粉改性瀝青制備工藝中制備溫度（200℃）較高，按照橡膠瀝青最佳制備方案，分別設置制備溫度為180℃、190℃和200℃，測試攪拌溫度變化后橡膠瀝青的性能，結果如表8所示。

表8 攪拌溫度對橡膠瀝青性能的影響

對比三種不同制備溫度時橡膠瀝青主要技術指標的變化可看出，降低制備溫度對各項指標均有顯著的影響。當制備溫度從200℃降低至180℃時，橡膠瀝青的軟化點、彈性恢復率和黏度值均有大幅度提升，而延度和針入度則有不同程度降低。考慮到鋪筑橡膠瀝青路面主要利用橡膠粉的高彈特性、變形恢復性能以及其對基質瀝青抗剪強度的改善作用，本文以軟化點、延度和彈性恢復性能作為橡膠瀝青關鍵性能指標，黏度則是作為其施工和易性評價指標。根據以上指標，確定橡膠瀝青制備溫度為190℃，并最終確定橡膠粉改性瀝青的制備工藝流程，如圖7所示。

圖7 橡膠瀝青制備工藝流程圖

3 結論

本文以橡膠粉細度、摻量、攪拌溫度、攪拌時間和發育時間為橡膠瀝青性能主要影響因素，設計五因素四水平正交試驗，根據正交試驗結果分析各因素對橡膠瀝青性能的影響規律以及影響程度，并最終確定最佳的制備工藝參數，得到以下結論：

1）橡膠粉的細度、摻量、攪拌溫度、攪拌時間以及發育時間等均對橡膠瀝青的軟化點、延度、彈性恢復、粘度、離析等指標有不同程度的影響，正交試驗的方差計算結果表明，攪拌溫度是影響橡膠瀝青針入度和離析的主要因素，摻量對延度和粘度有顯著的影響，膠粉的細度顯著影響橡膠瀝青的軟化點，而攪拌時間則是影響橡膠瀝青彈性恢復率的關鍵因素。

2）采用正交試驗方法，得出制備橡膠粉改性瀝青的最佳組合方案是：膠粉細度為40目、膠粉摻量為18%、攪拌時間為60min、攪拌溫度為200℃、發育時間為50min。考慮到攪拌溫度過高（200℃）時存在一定的安全隱患，經過試驗對比，確定最終攪拌溫度為190℃。