膠粉SBS復合改性瀝青開發與應用研究

梁金洪

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司環城分公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

據交通運輸部發布的《2021年交通運輸行業發展統計公報》,截至2021年年末,我國高速公路總里程已達528.07×104km以上。隨著交通行業的飛速發展,對瀝青混合料路面的使用性能提出了越來越高的要求。

近年來,汽車產業的飛速發展提高了人們的生活水平,但是也導致了大量的廢舊輪胎堆積,嚴重污染環境。將廢舊輪胎磨細制得的膠粉用于瀝青路面,可以提高路面的高低溫性能、減輕行車噪音、延長路面壽命。由于膠粉表面呈現較大的惰性,與瀝青的相容性較差,導致橡膠瀝青易發生離析現象。膠粉摻量過高則改性瀝青的黏度高,施工溫度要求高,膠粉摻量過低則改性效果較差[1]。

SBS改性瀝青具備優良的高低溫性能和抗老化性能,但SBS改性劑價格高昂,嚴重限制了其推廣應用。因此將膠粉和SBS復合使用,降低SBS改性劑摻量,得到的膠粉SBS復合改性瀝青,相對于單一SBS改性瀝青成本更低,且SBS改性劑有利于膠粉分散,能提高改性瀝青存儲穩定性[2]。

已有研究對膠粉SBS復合改性瀝青加工工藝關鍵參數尚難達成統一共識,且缺乏針對不同改性劑和不同基質瀝青的組合。因此本文對膠粉SBS復合改性瀝青進行研究,探討剪切時間、剪切溫度和剪切速率對瀝青改性效果的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青

采用思特利有限公司生產的成品SBS改性瀝青作為復合改性瀝青制備溶劑。其主要性能見表1。

表1 瀝青主要性能指標表

1.1.2 膠粉

采用河北省靈壽縣生產的40目膠粉。其主要性能指標見表2。

表2 膠粉主要性能指標表

1.2 試驗方案

剪切時間、剪切溫度和剪切速率是影響復合改性瀝青效果的重要因素,本文以上述三個影響因素為試驗條件,采用成品SBS改性瀝青為基礎瀝青,摻入SBS改性劑在不同試驗條件下制得膠粉SBS復合改性瀝青,并進行針入度試驗、軟化點試驗延度試驗,評價膠粉SBS改性瀝青技術性能。

2 膠粉SBS復合改性瀝青的制備

根據目前的工藝流程與相關制備經驗,膠粉改性劑摻量取16%,溶脹發育時間及溫度分別為180 ℃、60 min,剪切溫度分別確定為160 ℃、175 ℃、190 ℃、205 ℃,剪切時間分別為40 min、55 min、70 min、85 min,剪切速率分別為4 000 rpm、5 000 rpm、6 000 rpm、7 000 rpm。

為了保證試驗方案實操的可行性和試驗結果的合理性,試驗方案采用正交實驗法進行設計,以軟化點、針入度、5 ℃延度作為膠粉SBS改性瀝青的改性效果的評價指標。基于正交試驗法建立3因素4水平試驗表,如表3所示。

表3 剪切參數正交試驗設計表

按照上述試驗設計方案制備好膠粉SBS復合改性瀝青,并分別進行針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗,結果如表4所示。

表4 不同剪切工藝下改性瀝青的正交試驗結果表

采用和值分析法與極差分析法對試驗結果進行分析。和值與極差計算結果見表5和表6。

表5 和值分析結果表

表6 極差分析結果表

2.1 剪切溫度對膠粉SBS復合改性瀝青的影響

2.1.1 高溫穩定性

由圖1可知,當剪切溫度為190 ℃時,改性瀝青的高溫穩定性最佳。當剪切溫度在170 ℃～190 ℃時,軟化點和值隨著剪切溫度的增加而上升。剪切溫度為190 ℃時,軟化點和值達到了最大值,隨著溫度的升高,其值逐漸降低。剪切溫度上升,瀝青中的分子鏈與膠粉更易結合,使得瀝青的相對分子量變大,導致軟化點和值不斷提升。剪切溫度繼續升高,膠粉的脫硫和裂解反應增強,導致SBS形成網絡結構的作用被弱化,瀝青的軟化點和值出現下降的現象。

圖1 剪切溫度-軟化點和值/針入度和值變化曲線圖

對于針入度和值,其值隨著剪切溫度的增大而不斷增大,在170 ℃～190 ℃時增長迅速,超過190 ℃時增速放緩。合適的剪切溫度可以提高瀝青的高溫穩定性,有效提高SBS與瀝青之間的相互作用,使其形成穩定的網絡結構。

2.1.2 低溫抗裂性

由圖2可知,當剪切溫度為190 ℃時,改性瀝青的低溫抗裂性能最佳。當剪切溫度為160 ℃～190 ℃時,5 ℃延度和值不斷增大,但是隨著剪切溫度的繼續提高,5 ℃延度和值出現了下降的情況。當剪切溫度較低時,瀝青的黏性影響膠粉與瀝青混合的均勻性,膠粉易出現團聚現象,因此適當提高剪切溫度,能夠增強分子間的熱運動,加強SBS分散相與微粒之間抵抗外力的能力,提升抗形變能力,增加延度。但是剪切溫度過高,會導致瀝青出現老化,反而對瀝青的低溫抗裂性不利。

圖2 剪切溫度-5 ℃延度和值變化曲線圖

2.2 剪切時間對粉膠SBS復合改性瀝青的影響

2.2.1 高溫穩定性

由圖3可知,當剪切時間為70 min時,改性瀝青的高溫穩定性最佳;剪切時間在40～70 min時,軟化點和值隨著剪切時間增加而上升;剪切時間在70～85 min時,軟化點和值迅速下降,由307.6 ℃降為304.9 ℃。針入度和值隨著剪切時間增加而不斷增大,當剪切時間在70～85 min時,針入度和值保持增長但是增長速率下降。

圖3 剪切時間-軟化點和值/針入度和值變化曲線圖

剪切時間短,則膠粉顆粒和SBS改性劑未被完全剪開,導致針入度和值與軟化點和值低,隨著剪切時間的增長,改性劑不斷分散到瀝青中去,同時又會不斷地聚集,最后達到平衡,使得軟化點和值增加,而過長的剪切時間則會使改性劑出現聚集,并且導致瀝青老化,使軟化點和值降低。隨著剪切時間的增加,膠粉降解產生的橡膠烴,而橡膠烴有較高的柔性,因此針入度和值仍保持增長。

2.2.2 低溫抗裂性

由圖4可知,當剪切時間在70 min時,改性瀝青的低溫抗裂性最佳。剪切時間在40～70 min時,5 ℃延度和值不斷增加,達到89.5 cm,但是剪切時間繼續增加,其5 ℃延度和值基本保持不變。當剪切時間較短時,改性瀝青中存在大量的膠粉、SBS積聚團體,改性瀝青未形成穩定的體系。在受拉的狀態下,膠粉、SBS積聚團體與瀝青的界面處易出現裂縫,導致瀝青的抗拉性能不足。隨著剪切時間的增加,積聚團體分散變小,與瀝青混合得更加均勻,使改性瀝青形成一個穩定的體系,繼續增加剪切時間無法進一步提高其混合的均勻性。

圖4 剪切時間-5 ℃延度和值變化曲線圖

2.3 剪切速率對粉膠SBS復合改性瀝青的影響

2.3.1 高溫穩定性

由圖5可知,當剪切速率為6 000 rpm時,改性瀝青的高溫穩定性最佳。當剪切速率在4 000～6 000 rpm時,軟化點和值隨剪切速率增加而不斷上升。當剪切速率在6 000～7 000 rpm時,軟化點和值呈現下降趨勢。剪切速率增大,改性劑與瀝青混合更加均勻,粒子粒度越小,表面積變大,改性劑聚合物會吸附更多的瀝青組分,表面能降低,形成的網絡狀更加的緊密,限制瀝青分子的流動,導致軟化點增加。當剪切速率繼續增加,則網狀結構受到破壞,瀝青發生老化,軟化點和值下降。

圖5 剪切速率-軟化點和值/針入度和值變化曲線圖

針入度和值隨著剪切速率的增加而不斷減少,且下降的速率不斷增加;剪切速率增加,導致剪切溫度不斷上升,導致瀝青出現老化,使針入度和值不斷降低。

2.3.2 低溫抗裂性

由下頁圖6可知,當剪切速率為6 000 rpm時,改性瀝青的低溫抗裂性最佳。當剪切速率在4 000～6 000 rpm時,5 ℃延度和值不斷上升。當剪切速率達到7 000 rpm時,5 ℃延度和值呈現下降趨勢。剪切速率較低時,瀝青與SBS、膠粉的分散效果較差,剪切速率的增加改善了改性劑與瀝青的均勻性,使其形成一個穩定的體系;但隨著剪切速率繼續增加,剪切機與改性劑及瀝青摩擦生熱,溫度上升,導致轉子周圍的瀝青發生老化,而且改性劑被剪切得過細,不利于瀝青內部形成交聯結構。

圖6 剪切速率-5 ℃延度和值變化曲線圖

2.4 剪切工藝的確定

由表6數據可以發現,對于三大指標的極差,剪切溫度的影響是最顯著的,其次是剪切時間和剪切速率。對于膠粉SBS復合改性瀝青,當剪切溫度為190 ℃、剪切時間為70 min、剪切速率為6 000 rpm時,改善的效果最佳。

3 復合改性瀝青混合料路用性能分析

為探究膠粉SBS復合改性瀝青混合料的路用性能,以SBS改性瀝青混合料與膠粉改性瀝青混合料作為對照組,以膠粉SBS復合改性瀝青混合料作為試驗組,分別進行動態蠕變試驗、低溫小梁彎曲試驗及四點彎曲疲勞試驗。

3.1 高溫穩定性能

動態蠕變試驗可較為真實地還原瀝青混合料在高溫條件下受到車輛荷載作用的工況,試驗過程可依次分為結構層密實階段、蠕變穩定發展階段、加速蠕變破壞階段三個階段,本文將通過第二階段模型方程及流變次數,來評價混合料的高溫性能。SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青及膠粉SBS復合改性瀝青的動態蠕變試驗結果見表7。

表7 不同改性瀝青混合料動態蠕變試驗結果表

由表7可知,三種瀝青混合料的流變次數FN由大到小排序及斜率K由小到大排序均為:膠粉SBS復合改性瀝青>膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青,說明膠粉SBS復合改性瀝青混合料在蠕變穩定發展階段行程更長,蠕變速率更小,高溫性能在三種瀝青混合料中最優。

3.2 低溫抗裂性能

采用低溫小梁彎曲試驗對膠粉SBS復合改性瀝青混合料、膠粉及SBS單一改性瀝青混合料的低溫性能進行評價(試驗溫度為-10 ℃),試驗結果見圖7。

圖7 不同瀝青混合料低溫小梁試驗結果曲線圖

由圖7可知,膠粉SBS復合改性瀝青混合料的最大彎拉應變最高,其次是SBS改性瀝青混合料,最后是膠粉改性瀝青混合料,說明復合改性瀝青混合料的低溫性能最佳。這可能是因為瀝青中既有SBS形成的三維網絡結構,也有膠粉顆粒提供的應力吸收作用,使得復合改性瀝青低溫條件下存儲更多的應變能,從而使混合料表現出更優良的低溫抗裂性能[3]。

綜合本節分析,膠粉SBS復合改性瀝青混合料的高低溫性能均優于單一改性瀝青混合料。該復合改性瀝青可降低SBS改性劑摻量,節約材料成本,而技術性能也優于橡膠改性瀝青,因此其具備較好的工程應用推廣前景。

4 結語

(1)不同的剪切工藝對膠粉SBS復合改性瀝青的改性效果影響較大,在剪切工藝中,剪切溫度的變化對改性效果的影響最大,剪切溫度和剪切速率對改性效果的影響較小。

(2)對于膠粉SBS復合改性瀝青,當剪切溫度為190 ℃、剪切時間為70 min、剪切速率為6 000 rpm時,瀝青改性的效果最佳。

(3)膠粉SBS復合改性瀝青混合料的高溫穩定性及低溫抗裂性均優于單一SBS或膠粉改性瀝青,具備優良的經濟技術優勢,適合推廣應用。