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        廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青研究進(jìn)展

        2023-09-12 16:55:43
        山西交通科技 2023年3期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膠粉改性劑

        張 濤

        (山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西太原 030032)

        0 引言

        在國(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的指引下,依靠科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步,我國(guó)的道路基礎(chǔ)建設(shè)正在向綠色、耐久的方向快速發(fā)展[1]。隨著國(guó)家大力推進(jìn)固體廢棄物綜合利用,膠粉改性瀝青進(jìn)一步廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)。膠粉改性瀝青在工程應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)不少問(wèn)題,如黏度大、易離析、施工和易性差、低溫性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果等。而將膠粉與SBS 進(jìn)行復(fù)配,可以得到高性能的廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青。廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青在一定程度上降低了生產(chǎn)成本,提高了路用性能,有助于持續(xù)性地推進(jìn)生態(tài)友好、集約高效的高質(zhì)量交通建設(shè)。

        目前,廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青的研究主要集中在以下方面:改性材料篩選、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、作用機(jī)理探索及性能研究等。張紅兵[2]針對(duì)SBS-橡膠粉復(fù)合改性過(guò)程中使用的原材料進(jìn)行優(yōu)選,包括基質(zhì)瀝青、SBS、膠粉、改性劑,確定了原材料合理組成范圍。尹業(yè)豪[3]采用不同工藝參數(shù)制備復(fù)合改性瀝青,通過(guò)對(duì)高溫性能、低溫性能和相容性等進(jìn)行評(píng)價(jià),確定制備工藝。劉勇[4]通過(guò)微觀手段對(duì)復(fù)合改性瀝青改性機(jī)理進(jìn)行研究,膠粉在改性過(guò)程中發(fā)生溶脹,由顆粒變成網(wǎng)狀,并有化學(xué)鍵打開,瀝青與膠粉發(fā)生了接枝反應(yīng)。

        國(guó)內(nèi)外關(guān)于廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青研究成果尚缺乏系統(tǒng)梳理,因此,本文對(duì)廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與總結(jié),對(duì)復(fù)合改性瀝青改性材料、制備工藝、作用機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)闡述,以期為復(fù)合改性瀝青性能深入研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青改性材料

        廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青改性材料主要包括膠粉、SBS 和改性劑等,改性材料會(huì)對(duì)復(fù)合改性瀝青的性能產(chǎn)生顯著影響。

        1.1 膠粉

        膠粉的種類、細(xì)度及處理工藝等均會(huì)影響與瀝青的反應(yīng),進(jìn)而對(duì)復(fù)合改性瀝青性能產(chǎn)生影響。

        1.1.1 膠粉種類

        制備廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青的膠粉可分為廢輪胎胎面膠粉(A 級(jí))、大貨車斜交胎整胎膠粉(B 級(jí))、轎車子午胎整胎膠粉(C 級(jí))。由于輪胎胎面和貨車輪胎中天然橡膠的含量較高,更易吸附瀝青油分而形成連續(xù)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),A 級(jí)膠粉和B 級(jí)膠粉性能明顯優(yōu)于C級(jí)膠粉,從而獲得更好的改性性能[5],宜采用天然橡膠含量較高的膠粉。

        張紅兵研究表明,A 級(jí)膠粉與SBS 制備的復(fù)合改性瀝青,高低溫性能得到更好改善,建議在工程中使用C級(jí)及以上級(jí)別的膠粉。廢舊卡車輪胎膠粉和廢舊轎車輪胎膠粉,前者天然橡膠占比高,與瀝青相容性良好,后者則由于含較多丁苯橡膠、纖維而相容性較差,采用貨車輪胎膠粉(B 級(jí))制備的復(fù)合改性瀝青,其在低溫性能與施工和易性等方面具備優(yōu)勢(shì)。

        1.1.2 膠粉細(xì)度

        膠粉對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響體現(xiàn)在溶脹反應(yīng),目數(shù)大的膠粉更易吸收輕質(zhì)組分溶脹。復(fù)合改性瀝青采用的膠粉細(xì)度一般在20~80 目,就提升復(fù)合改性瀝青性能而言,優(yōu)選80 目膠粉,工程中大規(guī)模生產(chǎn)則推薦使用40~60 目。膠粉目數(shù)越大,與瀝青相容性越好,低溫抗裂性與儲(chǔ)存穩(wěn)定性越好,但高溫性能和抗疲勞性能會(huì)降低[6]。膠粉過(guò)細(xì)會(huì)增加成本,且易團(tuán)聚,在瀝青中分散性不好,影響溶脹反應(yīng)。

        1.1.3 膠粉處理工藝

        膠粉摻量較大時(shí),與瀝青相容性差,復(fù)合改性瀝青黏度大、施工和易性差、易離析,因此,對(duì)膠粉進(jìn)行處理,改善其相容性非常必要。

        對(duì)膠粉的處理主要是脫硫活化,將橡膠分子鏈中的部分硫鍵破壞,打開膠體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高天然橡膠含量,可以采用物理、化學(xué)和生物的方法進(jìn)行脫硫。物理脫硫主要是采用微波、超聲波、遠(yuǎn)紅外等手段破壞橡膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。生物脫硫是通過(guò)微生物對(duì)橡膠進(jìn)行分解降解,破壞網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[7],生物法尚處于研究階段,并未推廣應(yīng)用。近年來(lái),國(guó)外對(duì)螺桿擠出機(jī)制備脫硫膠粉的工藝方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究,開發(fā)了成熟的工藝方法,脫硫效果好,易實(shí)現(xiàn)工藝化,具有研究和推廣價(jià)值[8]。

        1.2 SBS

        SBS 是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物,可在瀝青中形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),改善復(fù)合改性瀝青性能。目前主要是按照分子間結(jié)合方式及分子量進(jìn)行分類,即星型、線型兩大類。線型SBS 相對(duì)分子量低、易吸油溶脹、與瀝青相容性好,復(fù)合改性瀝青黏度小、低溫性能及儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好[9];星型SBS 分子量高、模量大,復(fù)合改性瀝青高溫性能好,但與瀝青相容性差、黏度大[10]。

        1.3 改性劑

        在制備復(fù)合改性瀝青時(shí)加入改性劑可提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性。例如,加入相容劑能促進(jìn)膠粉、SBS、瀝青相容性,減少離析現(xiàn)象的發(fā)生,改善其低溫性能,相容劑多為輕組分芳烴油類,如橡膠油、生物質(zhì)油等;加入穩(wěn)定劑可使瀝青發(fā)生硫化反應(yīng)、接枝物化,聚合物與基質(zhì)瀝青間形成相界面吸附層,并形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而提高復(fù)合改性瀝青穩(wěn)定性[11]。改性劑摻量需控制在合理范圍內(nèi),摻量過(guò)高反而降低改性效果,且會(huì)增加成本。

        2 廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青制備工藝

        目前,制備復(fù)合改性瀝青主要采用高速剪切法,即在高溫下,將一定量膠粉、SBS 和改性劑加入瀝青中,經(jīng)過(guò)攪拌、剪切、發(fā)育,得到復(fù)合改性瀝青。在此過(guò)程中,膠粉和SBS 在瀝青中發(fā)生溶脹,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        2.1 廢膠粉與SBS摻量

        當(dāng)SBS 定量時(shí),隨著膠粉摻量增加,復(fù)合改性瀝青黏度、軟化點(diǎn)會(huì)提高,而針入度降低;當(dāng)膠粉定量時(shí),隨著SBS 摻量增加,復(fù)合改性瀝青黏度、軟化點(diǎn)、延度會(huì)提高,針入度降低[12]。目前的研究與應(yīng)用顯示,SBS 摻量一般在1%~5%,推薦使用2%~3%[13];膠粉摻量范圍波動(dòng)較大,最高可超過(guò)40%[14]。

        2.2 制備溫度

        在生產(chǎn)過(guò)程中,隨著制備溫度升高,復(fù)合改性瀝青呈現(xiàn)出軟化點(diǎn)、延度、彈性恢復(fù)性能先增加后減小的趨勢(shì)。復(fù)合改性瀝青的制備溫度一般采用175~180 ℃,此時(shí),膠粉吸收瀝青輕質(zhì)組分,與SBS 在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),儲(chǔ)存穩(wěn)定較好;溫度過(guò)低,膠粉尚在溶脹,分子鍵未打開,沒(méi)有與SBS 共同形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差、延度較低;溫度過(guò)高,膠粉過(guò)度脫硫,形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)反而被破壞,復(fù)合改性瀝青雖具備較好的低溫性能,但軟化點(diǎn)和高溫性能均降低。

        2.3 剪切速度

        隨剪切速度提升,膠粉與SBS 顆粒越小,與瀝青相容性越好,溶脹越充分,對(duì)提升復(fù)合改性瀝青的高溫性能、低溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性有利,一般建議采用剪切速度不低于4 000 r/min。

        3 廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青改性機(jī)理

        分析瀝青機(jī)理的微觀方法包括紅外光譜法、熒光顯微鏡法、差示量熱掃描法(DSC)、熱重分析法(TG)等。

        3.1 紅外光譜分析

        曹昊楠[14]對(duì)比了基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青與復(fù)合改性瀝青的紅外譜圖,4 種瀝青的吸收峰基本相同,但在指紋區(qū)略有差異,SBS 改性瀝青和復(fù)合改性瀝青在965 cm-1和698 cm-1處有明顯的吸收峰,基質(zhì)瀝青此處無(wú)吸收峰,兩處峰是SBS 中聚丁二烯雙鍵和聚苯乙烯苯環(huán)特征峰,因此,SBS 改性瀝青與復(fù)合改性瀝青存在此特征峰。由此可見,復(fù)合改性瀝青的改性過(guò)程為物理改性。

        3.2 熒光顯微鏡分析

        賈彥[15]研究顯示,基質(zhì)瀝青的熒光顯微圖像為連續(xù)相,SBS 改性瀝青中,SBS 以微小顆粒形態(tài)分布在瀝青中,而膠粉改性瀝青中,膠粉以絮狀形態(tài)分布于瀝青中,復(fù)合改性瀝青的圖像包含了膠粉和SBS 的基本特征,兩種改性劑在瀝青中溶脹,SBS 顆粒與膠粉交聯(lián)在一起,耦合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),且二者在溶脹過(guò)程中相互促進(jìn),使其性能優(yōu)于單一改性瀝青。

        3.3 DSC分析

        靳可[16]研究表明,復(fù)合改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青,其吸熱峰面積也是最小,說(shuō)明復(fù)合改性瀝青的低溫性能最優(yōu),且熱穩(wěn)定性最好。

        通過(guò)微觀方法研究可知,復(fù)合改性以溶脹+脫硫+交聯(lián)為機(jī)理,提升使用性能。膠粉與SBS 吸收瀝青輕質(zhì)組分溶脹、脫硫后,與瀝青發(fā)生接枝反應(yīng),交聯(lián)成網(wǎng)狀更加穩(wěn)定,此過(guò)程主要為物理作用。

        4 廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青性能分析

        根據(jù)《路用廢胎膠粉橡膠瀝青》(JT/T 798—2019)技術(shù)要求,對(duì)基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的針入度、25 ℃軟化點(diǎn)、5 ℃延度、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、離析軟化點(diǎn)差、彈性恢復(fù)等性能進(jìn)行對(duì)比分析。

        經(jīng)過(guò)改性后,改性瀝青的針入度顯著降低,尤其是膠粉改性瀝青在四者中下降幅度最大,SBS 改性瀝青和復(fù)合改性瀝青針入度相差不大。與基質(zhì)瀝青相比,復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)提升最為顯著,增幅將近50%,其次是SBS 改性瀝青,膠粉改性瀝青增幅最小。基質(zhì)瀝青5 ℃延度最低,膠粉改性瀝青略有增高,SBS 改性瀝青和復(fù)合改性瀝青延度則大幅度提升。在彈性恢復(fù)和離析軟化點(diǎn)差方面,SBS 改性瀝青表現(xiàn)出絕對(duì)優(yōu)勢(shì),復(fù)合改性瀝青略差于SBS 改性瀝青,膠粉改性瀝青彈性恢復(fù)性能最差,且存儲(chǔ)穩(wěn)定性不好。黏度方面,相對(duì)于基質(zhì)瀝青,3 種改性瀝青黏度均大幅度提升,尤其是膠粉改性瀝青黏度最大,其次是復(fù)合改性瀝青、SBS 改性瀝青。

        SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青和復(fù)合改性瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青,性能均有不同幅度提高,膠粉和SBS 在基質(zhì)瀝青中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使復(fù)合改性瀝青集合了SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青的部分特點(diǎn)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        a)復(fù)合改性瀝青改性材料主要包括膠粉、SBS 和改性劑等,改性材料會(huì)對(duì)復(fù)合改性瀝青的性能產(chǎn)生顯著影響,采用40~60 目C 級(jí)以上膠粉,膠粉脫硫后與瀝青相容性會(huì)提高,推薦使用線型SBS,合理控制改性劑摻量。

        b)制備復(fù)合改性瀝青主要采用高速剪切法,在制備過(guò)程中需選擇合適摻量的廢膠粉與SBS,同時(shí)制備溫度、剪切速度等工藝參數(shù)會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生一定影響,建議制備溫度在175~180 ℃、剪切速度不低于4 000 r/min。

        c)膠粉與SBS 在瀝青中進(jìn)行溶脹、脫硫、交聯(lián)后,形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高穩(wěn)定性,此過(guò)程以物理作用為主。

        d)復(fù)合改性瀝青集合了SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青的部分性能優(yōu)勢(shì),相對(duì)于基質(zhì)瀝青性能有大幅度提升。

        e)我國(guó)在廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青的理論、技術(shù)和應(yīng)用方面均取得很大研究進(jìn)展,需進(jìn)一步探索生產(chǎn)與施工工藝,優(yōu)化存儲(chǔ)穩(wěn)定性和各方面性能,規(guī)范復(fù)合改性瀝青的生產(chǎn)。

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