預處理廢膠粉復合改性瀝青路用最佳制備工藝參數探討

鄒剛

摘要 文章采用四因素四水平正交試驗法研究剪切溫度、剪切時間、SBS摻量、穩定劑摻量對預處理廢膠粉復合改性瀝青性能的影響。運用極差分析法確定最佳制備工藝參數，評價最佳制備工藝參數下的預處理廢膠粉復合改性瀝青性能，結果表明該復合改性瀝青具有優異的路用性能。

關鍵詞 公路工程項目；預處理廢膠粉；改性瀝青；制備工藝

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0087-03

0 引言

SBS改性瀝青屬于熱塑性彈性體，能提高瀝青的韌性和彈性，但成本高，易老化分層。廢膠粉是一種基于廢舊輪胎的再生資源，能改善瀝青的耐久性和抗裂性能，但活性低，與瀝青相溶性差、易離析、難儲存。為克服各自缺點，同時發揮優勢，該文采用預處理廢膠粉復合改性瀝青作為膠結料。預處理廢膠粉通過在廢膠粉中添加助劑獲得，具有更高的活性和相容性，相應的制備工藝存在差異。該文通過正交試驗探討預處理廢膠粉復合改性瀝青最佳制備工藝參數，評價其路用性能。

1 預處理廢膠粉復合改性瀝青技術的發展

廢膠粉是利用廢舊輪胎經過機械破碎、磨粉等工藝制成的一種再生資源，其主要成分為橡膠。廢膠粉具有低成本、環保、資源節約等優點，能夠提高瀝青的耐久性和抗裂性能，延長瀝青路面的使用壽命。但由于廢膠粉經過硫化處理，其表面具有穩定的三維網狀結構，活性較低，與瀝青的相溶性較差，容易造成離析、儲存穩定性差等問題。因此，如何提高廢膠粉與瀝青的相容性是廢膠粉改性瀝青技術發展的關鍵。為解決這一問題，國內外學者針對廢膠粉，通過物理法、化學法和生物法等不同方式的預處理，以提高其活性。物理法是通過機械力、電磁場、超聲波等手段改變廢膠粉表面結構，增加其活性基團[1]。化學法是通過酸堿、氧化劑、還原劑等化學試劑處理廢膠粉表面，使其表面斷裂或脫硫，降低其交聯密度。生物法是通過微生物或酶等生物催化劑對廢膠粉進行生物降解，使其表面產生裂紋或孔隙，提高其親水性。預處理后的廢膠粉與瀝青相溶性得到改善，但仍存在一定的離析現象。為進一步提高廢膠粉改性瀝青的儲存穩定性可采用復合改性技術，即在瀝青中同時添加廢膠粉和其他改性劑。常用的復合改性劑有SBS、聚合物、硫黃穩定劑等。復合改性技術能夠使不同改性劑之間發生協同作用或交聯作用，提高瀝青分子間的相互作用力，增強瀝青的高溫穩定性和低溫韌性[2]。

該文采用不同的預處理方法，改變廢膠粉組分和結構，研究預處理廢膠粉改性瀝青性能制備工藝，以降低瀝青黏度，增強儲存穩定性和低溫疲勞特性，為道路工程中的應用提供參考。

2 試驗材料

試驗采用四因素四水平正交試驗設計，探討剪切溫度、剪切時間、SBS摻量、穩定劑摻量對預處理廢膠粉復合改性瀝青性能的影響。基質瀝青選用雙龍70#A級基質瀝青，其技術指標如表1所示。SBS選用星型SBS，含量30%。穩定劑為硫黃穩定劑，含量10%。廢膠粉為預處理廢膠粉，粒徑40目。運用極差分析法分析正交試驗結果，確定最佳制備工藝參數[3]。

3 制備工藝探討

按照順序依次添加基質瀝青、SBS、預處理廢膠粉、穩定劑，再進行高溫剪切得到預處理廢膠粉復合改性瀝青試樣。剪切溫度和剪切時間決定了廢膠粉溶脹分散效果，進而影響瀝青的高溫性能、儲存穩定性。SBS摻量會影響瀝青的膠體結構、彈性網絡結構，進而影響瀝青的彈性、塑性和延展性。穩定劑摻量會影響瀝青的網狀結構和熱穩定性，進而影響瀝青的堅韌性。試驗采用正交試驗法，確定最佳制備工藝參數，客觀評價改性瀝青性能[4-5]。

由于預處理廢膠粉具有較高活性，試驗采用較高摻量，即瀝青質量的31.5%。為使膠粉顆粒充分溶脹分散，采用較高剪切速率，即4 500 r/min。制備工藝如下：加熱基質瀝青至170～180 ℃→摻入SBS→剪切5 min→摻入預處理廢膠粉→攪拌均勻→高溫下剪切一定時間→摻入穩定劑→剪切3 min，得到預處理膠粉復合改性瀝青[6]。

根據四因素四水平正交試驗設計探討剪切溫度（A）、剪切時間（B）、SBS摻量（C）、穩定劑摻量（D）與預處理廢膠粉復合改性瀝青性能之間的關系。根據正交表確定16組工藝方案，每組方案因素水平不同，其他條件不變。按照制備工藝制備16組預處理廢膠粉復合改性瀝青，測試瀝青三大指標（針入度、軟化點和延度）、彈性恢復、180 ℃布氏黏度、離析率等[7-8]。測試結果如表2所示。

為確定最佳制備工藝參數，運用價差分析法分析測試結果，計算各因素的極差、極差比，分析各因素對改性瀝青性能的影響規律。極差分析結果如表3所示。

根據表3，可以得出以下結論：

（1）關于針入度，剪切溫度的影響最大，其次是SBS摻量，剪切時間和穩定劑摻量的影響較小。針入度反映了瀝青的硬度和稠度，過高或過低都不利于瀝青混合料的包裹和施工。針入度隨著剪切溫度的升高和SBS摻量的增加而降低，說明瀝青的硬度增加，稠度增大。最佳水平組合為A1/A2B3/B4C1/C2D1/D4，即剪切溫度160 ℃/170 ℃，剪切時間30 min/35 min，SBS摻量0.5%/1%，穩定劑摻量0.2%/0.5%。

（2）關于軟化點，SBS摻量的影響最大，其次是剪切溫度，剪切時間和穩定劑摻量的影響較小。軟化點反映了瀝青的高溫性能，越高越好。軟化點隨著SBS摻量的增加和剪切溫度的升高而增加，說明瀝青的高溫穩定性提高。最佳水平組合為A1B2C4D4，即剪切溫度160 ℃，剪切時間25 min，SBS摻量2%，穩定劑摻量0.5%。

（3）關于5 ℃延度，剪切溫度是影響最大的因素，其次是穩定劑摻量，SBS摻量和剪切時間的影響較小。5 ℃延度反映了瀝青的低溫性能和韌性，越高越好。最佳水平組合為A4B4C4D3，即剪切溫度190 ℃，剪切時間35 min，SBS摻量2%，穩定劑摻量0.4%。

（4）關于瀝青布氏黏度，剪切溫度是影響最大的因素，其次是SBS摻量，穩定劑摻量和剪切時間的影響較小。瀝青布氏黏度反映了瀝青的黏性和抗變形能力，適當增加有利于提高瀝青的抗疲勞能力和彈性恢復能力。但黏度過大不利于路面混合料施工和壓實。布氏黏度隨著剪切溫度的升高和SBS摻量的增加而增加，說明瀝青的黏性增加[9]。最佳水平組合為A1/A3B1/B3C1/C4D2/D4，即剪切溫度160 ℃/180 ℃，剪切時間20 min/30 min，SBS摻量0.5%/2%，穩定劑摻量0.3%/0.5%。

（5）關于瀝青離析，穩定劑摻量是影響最大的因素，其次是SBS摻量，剪切溫度和剪切時間的影響較小。瀝青離析反映了瀝青的儲存穩定性和均質性，越小越好。瀝青離析隨著穩定劑摻量的增加和SBS摻量的減少而降低，說明瀝青的儲存穩定性提高[10]。最佳水平組合為A2B4C1D4，即剪切溫度170 ℃，剪切時間35 min，SBS摻量0.5%，穩定劑摻量0.5%。

通過對五個指標的最佳水平組合及各因素與各性能指標之間的關系分析，確定最佳制備工藝組合為A2、B2、C4、D3，即剪切溫度170 ℃，剪切時間25 min，SBS摻量2%，穩定劑摻量0.4%。最佳制備工藝流程如圖1所示。

4 結論

綜上所述，該文采用四因素、四水平正交試驗方案，探討了剪切溫度、剪切時間、SBS摻量和穩定劑摻量對預處理廢膠粉改性瀝青性能的影響。運用極差分析法確定了最佳制備工藝參數為剪切溫度170 ℃，剪切時間25 min，SBS摻量2%，穩定劑摻量0.4%，可為預處理廢膠粉改性瀝青的實踐應用提供參考。

參考文獻

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