環氧大豆油增容廢舊橡塑改性瀝青開發及性能研究

曹雪娟 ，張翰琳，易柳 ，鄧梅

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400000；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400000)

傳統橡塑改性瀝青相容性差、易離析，工業上常使用芳烴油作為其相容劑[1]。鑒于自身健康及石油資源的匱乏，急需尋求環保經濟型相容劑作為傳統相容劑的替代產品[2]。環氧大豆油作為植物油基增塑劑，由于其無毒無害，原材料價格低廉，得到廣泛應用[3-4]。本文采用環氧大豆油作為相容劑，制備環保型廢舊橡塑改性瀝青，并對其相容性進行評價，分析大豆油對橡塑瀝青相容性的改善效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

SK70#基質瀝青；40目、60目及80目廢胎膠粉，由陜西宏瑞橡膠公司提供；低密度聚乙烯(LDPE)、芳烴油均為市售；工業環氧大豆油，由廣州富飛化工提供。

JRJ300-SH數顯高速剪切機；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；SYD-2801E針入度儀；SYD-2806E全自動瀝青軟化點儀：SY-2B恒溫雙速瀝青延伸儀；XD-RFL型倒置熒光顯微鏡。

1.2 改性瀝青制備

用電爐將基質瀝青加熱至175 ℃，依次加入25%的廢舊輪胎膠粉、4%LDPE及2%相容劑，用玻璃棒攪拌混合物至無肉眼可見改性劑顆粒(注意防止氣泡產生)。將改性瀝青置于油浴鍋(175 ℃)中，用500 r/min的速度預剪切5 min，隨后將剪切機轉速升至5 000 r/min，持續剪切1.5 h。將改性瀝青放置于135 ℃的烘箱內，發育1 h，即為環保型廢舊橡塑改性瀝青[5]。

1.3 改性瀝青性能測試

1.3.1 基本物理性能 橡塑改性瀝青的三大指標(25 ℃針入度、5 ℃延度以及軟化點)、彈性恢復能力及135 ℃布氏旋轉黏度依據JTG-E20—2011規程進行測試。

1.3.2 相容性及儲存穩定性 利用熒光顯微鏡觀察改性劑在瀝青中的分散效果，按照JTG-E20—2011對不同相容劑摻量的廢舊橡塑改性瀝青的離析軟化點進行測試。

2 結果與討論

2.1 環氧大豆油摻量對改性瀝青性能影響

2.1.1 基本性能 不同環氧大豆油摻量(0，2%，4%，6%，10%)下廢舊橡塑改性瀝青基本性能見表1。

表1 不同環氧大豆油摻量下改性瀝青性能指標Table 1 Technical index of modified asphalt with different ESO content

由表1可知，當環氧大豆油摻量范圍控制在 0～4% 時，在不損害改性瀝青高溫性能的前提下，其低溫性能得到很大程度的改善，且隨摻量增加，改善效果也越明顯。而當環氧大豆油摻量>6%時，橡塑改性瀝青針入度急劇上升，分析認為，過量的環氧大豆油摻入改性瀝青中會稀釋改性瀝青體系中的網狀結構，降低其稠度，導致瀝青變軟，針入度增大[6]。此外，雖然改性瀝青在延度上有較大提升，但軟化點降低近10 ℃，表明此摻量下改性瀝青的高溫性能大幅度衰減。此時，環氧大豆油在瀝青中主要起稀釋作用，對相容性改善作用不大。改性瀝青135 ℃黏度整體呈現先增后減趨勢，這是由于較低摻量的環氧大豆油會使改性劑吸收輕質組分的能力增加，從而導致瀝青黏度增加，而過量的環氧大豆油則會稀釋瀝青，導致其黏度降低。當環氧大豆油摻量為2%時，橡塑改性瀝青高低溫性能均得到改善，由此可以推測，在此摻量下，環氧大豆油的摻入提升了橡塑改性劑同瀝青間的相容性，改性效果更好，瀝青性能自然也更為優異。

2.1.2 相容性及高溫儲存穩定性 依據試驗規范 T0661要求，采用離析試驗軟化點差值指標評價環氧大豆油改善廢舊橡塑改性瀝青相容性及高溫儲存穩定性的效果，結果見表2。

表2 改性瀝青離析軟化點實驗結果Table 2 Result of segregation softening point of modified asphalt

由表2可知，3份改性瀝青的離析軟化點指標均呈現一致變化，即頂部試樣軟化點數值大于底部試樣。這是由于LDPE改性劑質量較輕，在高溫儲存過程中會向上浮動，從而導致頂部試樣軟化點數值偏高。同時，3份改性瀝青經高溫儲存后其軟化點均有不同程度的下降，這主要是因為橡塑改性瀝青中改性劑在高溫儲存過程中在經歷溶脹過程后逐步進入降解過程，改性劑部分析出，導致其軟化點下降。3份改性瀝青軟化點差值大小排序為：未摻環氧大豆油橡塑瀝青>摻量為2%橡塑改性瀝青>摻量為4%橡塑改性瀝青，其中未添加環氧大豆油的橡塑改性瀝青其軟化點差值高達4.2 ℃，證明橡塑改性瀝青確實存在較為嚴重的高溫離析問題[7-9]。摻入環氧大豆油的橡塑改性瀝青軟化點差值明顯下降，說明其高溫儲存穩定性得到明顯改善。當摻量為4%時，其軟化點差值較未摻環氧大豆油的橡塑改性瀝青下降3.4 ℃，說明當環氧大豆油摻量控制在0～4%范圍內，環氧大豆油的摻入明顯改善了橡塑瀝青的相容性及高溫穩定性，且隨摻量的增加，其改善效果也越明顯。

為探究摻入環氧大豆油對橡塑改性劑在瀝青中分散效果的影響，利用熒光顯微鏡觀察不同環氧大豆油摻量(0，2%，4%)下廢舊橡塑改性瀝青的熒光圖像，結果見圖1。

由圖1可知，未摻環氧大豆油的橡塑改性瀝青中，改性劑顆粒較大，且出現了明顯的團狀聚集，表明此時改性劑與基質瀝青的相容性較差。隨著環氧大豆油摻量的增加，橡塑改性劑顆粒明顯減小，在瀝青中的分散效果也更好。當摻量為4%時，改性劑已達到一定細度，并均勻分布在瀝青中。這是由于環氧大豆油作為增塑劑摻入橡塑改性瀝青中，破壞了改性劑與瀝青分子間的范德華力，增加了橡塑改性劑吸收瀝青中輕質組分的能力，使改性劑在瀝青中充分反應溶脹分散效果更好，從而達到了改善瀝青相容性的目的[10]。

圖1 橡塑改性瀝青熒光顯微鏡圖片(×200)Fig.1 Fluoroscopic view of rubber-plastic modified asphalt a.未添加環氧大豆油；b.環氧大豆油2%；c.環氧大豆油4%

2.2 制備工藝

設計4因素3水平的正交實驗，探究多因素對瀝青性能的影響程度。以三大指標、彈性恢復、180 ℃ 黏度為主要評價指標，結果見表3，極差分析見表4～表8，優化水平見表9。

表3 廢舊橡塑改性瀝青正交實驗結果Table 3 Result of orthogonal experiment for rubber-plastic modified asphalt

表4 針入度極差分析Table 4 Table of range analysis of needle penetration

表5 軟化點極差分析Table 5 Table of range analysis of softening point

表6 延度極差分析Table 6 Table of range analysis of ductility

表7 彈性恢復極差分析Table 7 Table of range analysis of recovery of elasticity

表8 180 ℃黏度極差分析Table 8 Table of range analysis of viscosity at 180 ℃

表9 優水平組合與影響因素Table 9 Optimal levels and influence factors

由表9可知，除延度外，橡膠粉摻量是影響其他四個指標的主要因素，其中軟化點及180 ℃黏度隨著膠粉摻量的增加而增大。這兩項性能指標主要反映改性瀝青的高溫性能，表明橡膠粉摻量對橡塑改性瀝青的高溫性能有著較大影響[11]。對于針入度而言，最優水平組合為A2B1C3D1；對于軟化點而言，最優水平組合為A3B3C2D2；對于5 ℃延度而言，最優水平組合為A2B1C3D3；對于彈性恢復而言，最優水平組合為A3B3C2D3；對于180 ℃黏度而言，最優水平組合為A1B1C3D1。本文將軟化點、彈性恢復及 180 ℃ 黏度作為主要參考指標，得到最優組合為A3B3C2D3，即廢舊橡膠粉摻量為25%，廢舊塑料摻量為4%，環氧大豆油摻量為2%，剪切時間為1.5 h。

2.3 環氧大豆油及芳烴油增容效果評價

2.3.1 基本性能 按照正交實驗結果及商用芳烴油推薦的制備工藝，分別制備了摻加環氧大豆油及芳烴油的橡塑改性瀝青，其基本性能測試結果見表10。

表10 改性瀝青性能實驗結果Table 10 Result of performance test of modified asphalt

由表10可知，兩種相容劑的摻入均不同程度地改善橡塑瀝青高低溫性能、感溫性能及彈性恢復能力，其中以低溫延度提升幅度最大，增幅分別達到95%及179%。分析原因主要有兩個：一是相容劑的摻入，改善了改性劑與基質瀝青的相容性，改性劑在瀝青中的溶脹反應更充分，對瀝青性能的改善也更加明顯。二是環氧大豆油及芳烴油作為油類物質，摻入瀝青中起到一定的稀釋作用，也會使延度指標得到改善。芳烴油對于橡塑瀝青低溫延度指標的改善優于環氧大豆油，這是因為芳烴油的成分與瀝青中的輕質組分較為接近導致瀝青黏度下降，延度指標提升。另外，摻入環氧大豆油的改性瀝青高溫性能及感溫性能略優于摻入芳烴油的改性瀝青，推測芳烴油具有較好的降黏效果是造成上述結果原因。

2.3.2 相容性及高溫儲存穩定性

2.3.2.1 離析軟化點實驗 三種瀝青的離析軟化點實驗結果見表11。

表11 改性瀝青離析軟化點實驗結果Table 11 Result of segregation softening point of modified asphalt

由表11可知，未添加相容劑的橡塑改性瀝青離析軟化點差值達3.9 ℃，不滿足規范要求的≤2.5 ℃。相容劑的摻入，大幅度降低了橡塑改性瀝青的離析軟化點差值，使改性瀝青的相容性得到明顯改善。添加了兩種相容劑的改性瀝青離析軟化點差值僅相差0.2，二者增容效果相近，而芳烴油較好的降黏效果是導致其軟化點差值略高的原因。

2.3.2.2 熒光顯微鏡實驗 通過熒光顯微鏡觀察改性劑在基質瀝青中的分散情況，以此判斷改性瀝青相容性的好壞。三種改性瀝青的熒光顯微鏡實驗結果見圖2，放大倍數均為200倍。

圖2 三種改性瀝青熒光顯微鏡圖(×200)Fig.2 Fluorescent view of three modified asphalt a.未添加相容劑；b.添加環氧大豆油；c.添加芳烴油

由圖2可知，同未添加相容劑的橡塑改性瀝青相比，環氧大豆油及芳烴油的摻入，使瀝青中改性劑的顆粒明顯減小，在瀝青中分散也更均勻，無聚集成團現象，表明相容劑的摻入，使橡塑改性瀝青相容性得到明顯改善。另外，添加了芳烴油及環氧大豆油的改性瀝青改性劑顆粒大小相近，其中芳烴油的分散性更好，也進一步驗證了上文的推斷。

3 結論

(1)環氧大豆油的摻入有效地改善了橡塑瀝青的相容性及高溫穩定性，當摻量為4%時其離析軟化點差值相較未添加環氧大豆油的橡塑改性瀝青降低了3.4 ℃，且在不影響其高溫性能的同時，大大提升了橡塑改性瀝青的低溫延度。

(2)廢舊橡塑改性瀝青的最佳制備工藝為：橡膠粉摻量25%，塑料摻量4%，環氧大豆油摻量2%，剪切時間1.5 h，剪切溫度175 ℃。

(3)兩種相容劑增容橡塑改性瀝青的效果相近，其中芳烴油對于改性瀝青低溫性能的提升更為明顯。但由于環氧大豆油成本更低，也更加環保，因此，推薦使用環氧大豆油代替芳烴油作為橡塑改性瀝青的增容劑。