預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青制備工藝探討*

熊夢日，王輝

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

將采用廢舊輪胎加工得到的廢膠粉作為改性劑添加到瀝青中制得膠粉改性瀝青，能有效改善瀝青低溫柔性、提高瀝青黏度等，且符合綠色交通發(fā)展的需求。但目前常規(guī)膠粉改性瀝青常存在儲(chǔ)存性能不足等缺點(diǎn)，影響其應(yīng)用。何兆益等研究發(fā)現(xiàn)將硫化膠粉中的S—S鍵、S—C鍵斷開，達(dá)到脫硫效果，使其更具有活性，膠粉與瀝青更易充分溶脹，反應(yīng)更完全，穩(wěn)定性更好。徐希娟等研究發(fā)現(xiàn)工藝因素(剪切溫度、剪切時(shí)間)和材料因素(膠粉摻量、目數(shù))對改性瀝青性能均有影響。將普通膠粉進(jìn)行脫硫預(yù)處理并添加一定軟化劑和活化劑制得預(yù)處理膠粉，能改善改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，提升路用性能。但預(yù)處理膠粉與硫化膠粉性質(zhì)不同，導(dǎo)致二者對瀝青的改性機(jī)理存在差異，進(jìn)而影響制備工藝。因此，有必要研究預(yù)處理膠粉改性瀝青制備工藝。該文通過四因素四水平正交試驗(yàn)，測試瀝青的主要性能指標(biāo)，采用極差分析法考察各因素水平對瀝青性能的影響，探討最佳制備工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料

選用雙龍70#A級基質(zhì)瀝青作為試驗(yàn)材料，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 雙龍70#A級基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

預(yù)處理廢膠粉為經(jīng)半脫硫化學(xué)預(yù)處理后添加軟化劑與活化劑的成品膠粉，目數(shù)為40目。SBS采用星型結(jié)構(gòu)SBS。穩(wěn)定劑以硫磺為主要成分，添加丁基橡膠、三元乙丙橡膠等摻配而成。

2 制備工藝探討

預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青由基質(zhì)瀝青、SBS、預(yù)處理廢膠粉和穩(wěn)定劑按順序摻入，經(jīng)高溫剪切制成。膠粉瀝青改性過程中影響改性效果的因素有很多，其中：剪切溫度、剪切時(shí)間是影響膠粉與基質(zhì)瀝青相互反應(yīng)和相容的重要因素，若剪切溫度過低、時(shí)間短，則膠粉得不到充分溶脹而分散不均勻，高溫性能和儲(chǔ)存性能差；SBS能吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，打破基質(zhì)瀝青原有膠體結(jié)構(gòu)的平衡，建立新的膠體結(jié)構(gòu)體系，在瀝青中形成彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使改性瀝青的彈性、塑性和延展性得到改善；穩(wěn)定劑能結(jié)合瀝青形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加其熱穩(wěn)定性、堅(jiān)韌性。因此，選取剪切溫度、膠粉剪切時(shí)間、SBS摻量及穩(wěn)定劑摻量為主要考察因素進(jìn)行研究。

因預(yù)處理膠粉活性較強(qiáng)，改性時(shí)用量可適量提高。根據(jù)前期研究，選用瀝青質(zhì)量31.5%摻量進(jìn)行改性。改性時(shí)，膠粉顆粒通過剪切機(jī)高速剪切而磨碎，故剪切速率不宜過小，否則顆粒結(jié)塊聚集。選用4 500 r/min轉(zhuǎn)速。制備工藝為先將基質(zhì)瀝青加熱至170～180 ℃→加入一定量SBS，以3 000 r/min轉(zhuǎn)速剪切5 min→緩慢加入瀝青質(zhì)量31.5%的預(yù)處理廢膠粉并攪拌均勻→在選定的高溫條件下以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速剪切規(guī)定時(shí)間→加入穩(wěn)定劑高速剪切3 min，制得預(yù)處理膠粉復(fù)合改性瀝青。

選擇A(剪切溫度)、B(剪切時(shí)間)、C(SBS摻量)和D(穩(wěn)定劑摻量)4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過L16(44)正交表對預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青各因素進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，各因素分別擬定4個(gè)水平。正交設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案

16組預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青的制備按上述流程進(jìn)行。16組成品改性瀝青除正交表中4種因素不同外，其他條件均相同。對成品瀝青進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)及彈性恢復(fù)、180 ℃布氏黏度、離析測試，結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，確定制備工藝及改性劑摻量最佳組合，分析結(jié)果見表4。

表4 極差分析

續(xù)表4

由表4可知：1)對于針入度，A因素極差最大，剪切溫度的影響最大。針入度不宜過大，否則稠度過小，混合料包裹不均勻，容易松散；也不宜太小，否則稠度太大，不易施工。根據(jù)針入度數(shù)據(jù)分析得出最佳組合為A1/A2B3/B4C1/C2D1/D4。2)對于軟化點(diǎn)，SBS摻量是影響最大的因素。一般情況下，軟化點(diǎn)越高，高溫性能越好。根據(jù)軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)分析得出最佳組合為A1B2C4D4。3)對于5 ℃延度，剪切溫度是影響最大的因素。5 ℃延度指標(biāo)主要用來評價(jià)瀝青的低溫性能，提升延度可提升瀝青的塑性變形能力。根據(jù)5 ℃延度數(shù)據(jù)分析得出最佳組合為A4B4C4D3。4)對于瀝青布氏黏度，剪切溫度是影響最大的因素。瀝青材料的黏度表征瀝青抵抗流動(dòng)和變形的能力，黏度越大，瀝青材料的抗疲勞能力越強(qiáng)，高溫下對荷載作用的抗變形能力越好，彈性恢復(fù)能力也越強(qiáng)。但黏度過大不利于路面混合料施工，路面難以壓實(shí)。從這個(gè)角度考慮，根據(jù)布氏黏度數(shù)據(jù)分析得出最佳組合為A1/A3B1/B3C1/C4D2/D4。5)對于瀝青離析，穩(wěn)定劑摻量是影響最大的因素。軟化點(diǎn)差值越大，瀝青材料上下部差距越大，均質(zhì)性越弱。根據(jù)瀝青離析數(shù)據(jù)分析得出最佳組合為A2B4C1D4。根據(jù)5個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析得出的最佳組合均有所不同，考慮5個(gè)指標(biāo)分別對應(yīng)的最佳組合中各水平出現(xiàn)的頻率和各影響因素對5個(gè)指標(biāo)的影響程度大小等，確定最佳制備工藝組合為A2、B2、C4、D3。

綜上，通過正交試驗(yàn)最終確定的預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青最佳制備工藝組合為溫度180 ℃、剪切時(shí)間30 min、SBS摻量1%、穩(wěn)定劑摻量0.5%。最佳制備工藝技術(shù)流程見圖1。

圖1 最佳制備工藝技術(shù)流程

3 結(jié)論

根據(jù)剪切溫度、剪切時(shí)間、SBS摻量、穩(wěn)定劑摻量4個(gè)因素四水平正交試驗(yàn)結(jié)果，對針入度、5 ℃延度、布氏黏度影響最大的因素為剪切溫度，SBS摻量對軟化點(diǎn)的影響最大。穩(wěn)定劑對離析的影響最大。考慮到混合料的施工要求，預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青的最佳制備工藝為剪切溫度180 ℃、剪切時(shí)間30 min、SBS摻量1%、穩(wěn)定劑摻量0.5%。