高黏復合改性瀝青性能的影響因素分析

摘 要：文章為提高瀝青黏度，以高黏劑、SBS和蔗渣纖維對70號基質瀝青進行復合改性，采用三因素四水平正交試驗，以60 ℃動力黏度、彈性恢復、軟化點和135 ℃旋轉黏度作為評價指標，分析獲取最佳配比組合。結果表明：復合改性瀝青的最佳摻量組合為6%高黏劑+5%SBS+0.9%蔗渣纖維；對于60 ℃動力黏度、彈性恢復和軟化點，因素影響程度次序為SBS＞高黏劑＞蔗渣纖維，對于135 ℃旋轉黏度，因素影響程度次序為SBS＞蔗渣纖維＞高黏劑；根據最佳配比組合進行制備的復合改性瀝青各項指標滿足標準要求，具有實際應用價值。

關鍵詞：高黏劑；復合改性瀝青；正交試驗；灰色關聯法；性能優(yōu)化

中圖分類號：U414.1

0"引言

我國交通基礎設施建設快速發(fā)展，伴隨著交通量的快速增長，使公路路面病害頻發(fā)，極大地降低了公路通行的安全性和舒適性。為了有效解決該問題，采用高黏、性能優(yōu)異的瀝青進行修復，是當前可行的方式。高黏瀝青相較于傳統瀝青，更能保證集料之間良好的粘結性能，防止瀝青剝落和集料出現松散現象。

改善瀝青的黏度可以通過摻入纖維、高黏劑、橡膠粉、納米材料等。學者研究表明，SBS和TPS作為熱塑性彈性體，能夠吸收瀝青組分發(fā)生溶脹，在微觀層面能夠與瀝青交聯形成空間網狀結構，從而提高瀝青黏度［1］；其中在復摻改性劑時，能夠形成更為牢固的微觀交聯網狀結構［2］。纖維材料的摻入能夠對瀝青的附著能力、粘結性和韌性產生影響，主要歸因于其“加筋”作用［3］。

廣西作為全國甘蔗的主要產區(qū)，每年因生產蔗糖產生大量的蔗渣，而蔗渣中含有木質素和木質纖維［4］，因此經過處理后可以作為瀝青用纖維的選擇。甘蔗渣的廢物利用對于甘蔗的加工產業(yè)具有突出意義，能夠減少環(huán)境污染和擴大附加經濟價值。但當前將蔗渣纖維應用于瀝青的研究仍相對有限，其中應用蔗渣纖維參與瀝青復合改性進而改善粘彈性的研究較少。本文采用SBS、TPS高黏劑和蔗渣纖維作為復合改性材料，基于正交試驗對復合改性瀝青的制備進行性能優(yōu)化，通過極差分析和灰色關聯法分析揭示改性材料對瀝青的60 ℃動力黏度、彈性恢復、軟化點和135 ℃旋轉黏度的影響機理。

1"原材料

1.1"瀝青

選用70號基質瀝青，具體性能指標見表1。

1.2"SBS

SBS改性劑具體指標見表2。

1.3"高黏劑

TPS高黏添加劑具體指標見表3。

1.4"蔗渣纖維

蔗渣纖維具體指標見下頁表4。

2"試驗方案

2.1"復合改性瀝青的制備

制備流程：將基質瀝青放入烘箱于140 ℃下加熱1 h至熔融狀；在175 ℃下加入SBS改性劑，攪拌10～20 min，4 000 r/min下剪切0.5 h；之后加入TPS高黏劑，攪拌10～20 min，4 000 r/min下剪切0.5 h；之后加入蔗渣纖維，1 600 r/min下攪拌0.5 h；最后在175 ℃下溶脹1 h充分發(fā)育，完成復合改性瀝青的制備。

2.2"正交試驗

本研究采用三因素四水平進行方案設計，其中高黏劑（A）摻量分別為6%，8%，10%和12%；SBS（B）摻量分別為4%，5%，6%，7%；蔗渣纖維（C）摻量分別為0.5%，0.7%，0.9%和1.1%。正交試驗因素水平見表5。

3"結果與討論

3.1"正交試驗結果

正交試驗結果見表6。對于高黏劑、SBS和蔗渣纖維對各指標的影響程度和趨勢，可借助極差分析進行評價。

3.2"各指標結果分析

3.2.1"60 ℃動力黏度

表7為60 ℃動力黏度極差分析結果，K1，K2，K3和K4分別表示表5中1～4水平的結果平均值，由極差判定各因素影響程度。由表7可知，關于60 ℃動力黏度指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞高黏劑（A）＞蔗渣纖維（C）。這是因為經過高溫剪切，SBS和TPS高黏劑能夠均勻分散，其分子在瀝青中形成連續(xù)相，分子鏈與瀝青分子充分相互交聯，所形成的空間網狀結構穩(wěn)定牢固，使分子間的相對移動變得困難，從而提高瀝青黏度；而蔗渣纖維在摻入瀝青后，形成三維網狀結構，充分發(fā)揮其加筋作用，限制了瀝青的蠕動從而增大黏度。

圖1為60 ℃動力黏度隨各因素摻量的變化情況。顯然，當高黏劑摻量為8%、SBS摻量為5%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的60 ℃動力黏度達到最佳值，因此僅考慮60 ℃動力黏度指標時，各因素最佳組合為A2B2C3。

3.2.2"彈性恢復

表8為彈性恢復極差分析結果。由表8可知，關于彈性恢復指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞高黏劑（A）＞蔗渣纖維（C）。這是因為SBS和TPS高黏劑作為熱塑性彈性體，其分子能夠與瀝青交聯形成網狀結構，增大分子之間的作用力，從而提高瀝青的彈性。

圖2為彈性恢復隨各因素摻量的變化情況。當高黏劑摻量為6%、SBS摻量為6%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的彈性恢復達到最佳值，因此僅考慮彈性恢復指標時，各因素最佳組合為A1B3C3。

3.2.3"軟化點

表9為軟化點極差分析結果。由表9可知，關于軟化點指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞高黏劑（A）＞蔗渣纖維（C）。這是因為SBS和TPS高黏劑分散在瀝青中分子鏈與瀝青分子充分相互交聯，所形成的空間網狀結構穩(wěn)定牢固，限制了分子間的相對移動，進而增強了瀝青整體，使其不易在高溫條件下產生變形。

圖3為軟化點隨各因素摻量的變化情況。當高黏劑摻量為8%、SBS摻量為6%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的軟化點達到最佳值，因此僅考慮軟化點指標時，各因素最佳組合為A2B3C3。

3.2.4"135 ℃旋轉黏度

表10為135℃旋轉黏度極差分析結果。由表10可知，關于135 ℃旋轉黏度指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞蔗渣纖維（C）＞高黏劑（A）。這是由于SBS和TPS高黏劑經過高溫剪切后其分子均勻分散在瀝青中形成連續(xù)相，交聯所形成的空間網狀結構穩(wěn)定牢固，阻礙了高溫下分子間的相對移動，從而提高了瀝青的135 ℃旋轉黏度；而蔗渣纖維在瀝青中所形成三維加筋網狀結構，也能限制瀝青在高溫下的蠕動從而增大瀝青的135 ℃旋轉黏度。

圖4為135 ℃旋轉黏度隨各因素摻量的變化情況。當高黏劑摻量為6%、SBS摻量為6%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的135 ℃旋轉黏度達到最佳值，因此僅考慮135 ℃旋轉黏度指標時，各因素最佳組合為A1B3C3。

3.3"灰色關聯法分析

極差分析法雖然直觀明了，但不能確定試驗結果的變化是由因素引起還是誤差所致，因此本節(jié)采用灰色關聯法分析各因素對指標的影響程度次序。

目前許多學者應用灰色關聯法于有限數據的分析中［5-7］，通過無量綱化處理數據，使得數據更具規(guī)律性，進而分析得到自變量和因變量的關聯程度。

本節(jié)將60 ℃動力黏度、彈性恢復、軟化點和135 ℃旋轉黏度列為比較數列，高黏劑摻量、SBS摻量和蔗渣灰摻量列為參考數列，將參考數列和比較數列表示如下：

Y0=Y01，Y01，Y02…，Y0n

Yi=Yi1，Yi1，Yi2…，Yin（1）

i=1，2，3，…，h

Y0n=X0nX01（2）

Yin=XinXi1（3）

關聯系數的計算采用式（4）：

ξi（k）=miniminkY0k－Yik+ρmaximaxkY0k－YikY0k－Yik+ρmaximaxkY0k－Yik

（4）

式中：i——1，2，…，h；

k——1，2，…，n；

ρ——分辨系數，取值范圍為0～1，一般取0.5。

關聯度計算采用式（5）：

Ri=1n∑nk=1ξik，i=1，2，3，…，h（5）

經計算分析得到關聯度結果見表11。由表11可知，對于60 ℃動力黏度、彈性恢復和軟化點，影響程度次序為SBS＞高黏劑＞蔗渣纖維；對于135 ℃旋轉黏度，影響程度次序為SBS＞蔗渣纖維＞高黏劑。上述規(guī)律與極差分析結果相一致。綜合可知，對于四項指標，SBS影響程度最大，其次為高黏劑，最后為蔗渣纖維。

3.4"綜合優(yōu)選和指標驗證

4"結語

（1）根據正交試驗結果，復合改性瀝青的最佳配比組合為：高黏劑摻量為6%、SBS摻量為5%、蔗渣纖維摻量為0.9%。

（2）通過極差分析和灰色關聯法分析，對于60 ℃動力黏度、彈性恢復和軟化點，因素影響程度次序為SBS＞高黏劑＞蔗渣纖維；對于135 ℃旋轉黏度，因素影響程度次序為SBS＞蔗渣纖維＞高黏劑。

（3）SBS為瀝青各指標的主要影響因素，其次分別為高黏劑和蔗渣纖維。SBS和TPS高黏劑分散在瀝青中形成連續(xù)相，所交聯形成的空間網狀結構穩(wěn)定牢固，阻礙了分子間的相對移動，有效提高了瀝青的黏度和彈性；蔗渣纖維在瀝青中形成三維加筋網狀結構，也能限制瀝青的蠕動從而增大黏度和彈性。

（4）根據最優(yōu)配合比組合進行制備的復合改性瀝青各項指標滿足標準要求，具有實際應用價值。

參考文獻：

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