張明明，劉 濤，崔冀川，唐 磊

(重慶重交再生資源開發(fā)股份有限公司,重慶市瀝青路面再生工程技術(shù)研究中心,重慶 401121)

0 引言

在國家“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的指引下,依靠科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步,我國的道路基礎(chǔ)建設(shè)正在向綠色、耐久的方向快速發(fā)展[1]。廢膠粉改性瀝青因符合綠色低碳交通等理念的需求而得到飛速的發(fā)展。因此膠粉改性瀝青正在進(jìn)一步被道路建設(shè)者們推廣和利用,將廢膠粉加入瀝青制成廢膠粉改性瀝青既能夠改善瀝青的性能,又具有良好的環(huán)保性,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向[2-6]。但是膠粉和瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異較大,導(dǎo)致兩者的相容體系穩(wěn)定性不佳、部分性能較差[7-9]。因此膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青作為一項(xiàng)兼具經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益的技術(shù),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)。

1 原材料性質(zhì)

1.1 基質(zhì)瀝青

制備復(fù)合改性瀝青的基質(zhì)瀝青選用70號(hào)基質(zhì)瀝青,根據(jù)JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[10]要求,按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定,對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行性能試驗(yàn),檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 SBS

本次選用目前道路上比較成熟的SBS改性劑作為復(fù)合改性瀝青的主要成分之一,SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物,易吸收瀝青中的飽和酚發(fā)生溶脹,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[11]。溶脹后的SBS極性更接近膠質(zhì),瀝青組分對(duì)聚合物粒子的充分溶脹和聚合物粒子對(duì)瀝青組分的良好吸附時(shí)對(duì)瀝青進(jìn)行聚合物改性,能夠提高瀝青的韌性、延展性、抗疲勞性和抗剝離能力等性能[12]。

1.3 高膠顆粒

研究利用多階連續(xù)綠色脫硫技術(shù)制備的高膠顆粒,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)[13],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[14],脫硫后的膠粉與SBS和瀝青在高溫下快速共混,在實(shí)現(xiàn)膠粉和SBS高摻量的同時(shí),增強(qiáng)瀝青的延展性、耐熱性和耐紫外線老化性能[15-16],改善復(fù)合改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性能、加工性能與和易性。

1.4 環(huán)烷基橡膠油

環(huán)烷基橡膠油來自天然石油,價(jià)格低廉、來源可靠,并且由于其特有的結(jié)構(gòu),環(huán)烷油與橡膠有著良好的增塑與互溶性。因此,選用環(huán)烷基橡膠油作為改性劑的增塑劑,促使橡膠塑化成型,增加熱塑性橡膠與瀝青的相容性,減少復(fù)合改性瀝青的離析現(xiàn)象。

1.5 穩(wěn)定劑

改性瀝青的穩(wěn)定性一直是一大難題,特別是膠粉改性瀝青,穩(wěn)定劑多采用含硫復(fù)合物,摻量常為瀝青質(zhì)量的0.1%～0.3%,在改性劑分散后加入可使聚合物與基質(zhì)瀝青間形成相界面吸附層,提高復(fù)合改性瀝青穩(wěn)定性[17]。過量穩(wěn)定劑則易使瀝青反應(yīng)過于強(qiáng)烈,導(dǎo)致凝膠無法使用。

2 復(fù)合改性瀝青材料配方正交設(shè)計(jì)

2.1 因素與水平的選擇

試驗(yàn)所選取的4個(gè)因素分別為高膠顆粒、SBS、環(huán)烷基橡膠油、穩(wěn)定劑各自的摻量。分別將其命名為A,B,C,D。其各因素水平根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)參考如表2所示。

表2 各因素水平表

表2中各水平代表該因素占瀝青質(zhì)量的百分比,根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的水平和因素選取,本次研究正交實(shí)驗(yàn)組數(shù)確定為9組,分別測試每一組的三大指標(biāo)以及動(dòng)力黏度對(duì)各因素進(jìn)行初步的判斷,從表3中選取L9(34)的正交表格實(shí)驗(yàn)安排,具體排列及測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 正交試驗(yàn)表

2.2 各因素水平極差分析

將正交試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各因素水平極差分析,確定各因素的最優(yōu)組合,通過4組最優(yōu)組合確定復(fù)合改性瀝青的配方。具體數(shù)據(jù)如表4—表7所示。

表4 針入度極差分析表

表5 延度極差分析表

表6 軟化點(diǎn)極差分析表

表7 黏度極差分析表

根據(jù)表4—表7的極差分析,通過k值確定各因素優(yōu)化水平組合：

針入度：A1B1C2D1 延度：A2B3C3D1

軟化點(diǎn)：A2B3C2D3 黏度：A3B3C1D1

由于黏度與延度是較難控制的兩個(gè)指標(biāo),因此優(yōu)先從黏度與延度指標(biāo)中進(jìn)行選擇,從黏度與延度的優(yōu)組合A3B3C1D1以及A2B3C3D1可以看出,兩個(gè)優(yōu)選組合均出現(xiàn)了B3,D1,所以可以確定的優(yōu)水平為B3,D1,然后通過觀察因素A和因素C每個(gè)水平出現(xiàn)的頻率,A2和C2出現(xiàn)次數(shù)最多,同時(shí)綜合對(duì)比成本以及在A2和C2水平時(shí)各指標(biāo)數(shù)據(jù),確定C因素優(yōu)水平為C2,A因素優(yōu)水平為A2,暫定最佳配方組合為A2B3C2D1。即高膠顆粒15%,SBS 4%,油3%,穩(wěn)定劑0.15%。

3 復(fù)合改性瀝青配方驗(yàn)證

通過正交實(shí)驗(yàn)確定復(fù)合改性瀝青初步配比,需要進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合改性瀝青性能的驗(yàn)證以確定配方的效果及穩(wěn)定程度,實(shí)驗(yàn)室制備復(fù)合改性瀝青使用剪切方法如下：

1)用電子天平稱量500 g基質(zhì)瀝青試樣放于盛樣器中,在烘箱中加熱180 ℃。

2)按照比例稱取一定質(zhì)量的高膠顆粒、SBS改性劑以及橡膠油,加入到瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻。

3)使用剪切機(jī)按照4 000 r/min～5 000 r/min速率對(duì)瀝青剪切30 min,剪切過程中溫度維持在180℃±10 ℃。

4)關(guān)閉剪切機(jī),加入一定量的穩(wěn)定劑并使用分散機(jī)按照1 000 r/min～2 000 r/min速率對(duì)復(fù)合改性瀝青攪拌發(fā)育60 min,攪拌過程中溫度維持在180 ℃±10 ℃。

5)關(guān)閉分散機(jī),復(fù)合改性瀝青制備完成,立即澆模進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

配方驗(yàn)證相關(guān)數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 復(fù)合改性瀝青實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表8可以看出,復(fù)合改性瀝青配方為瀝青∶高膠顆粒∶SBS∶橡膠油∶穩(wěn)定劑=100∶15∶4∶3∶0.15,通過規(guī)范要求剪切方法進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn),各指標(biāo)均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中表4.6.2SBSI-D以及表D2.2高黏度改性瀝青的技術(shù)要求,且效果良好,對(duì)瀝青有著很好的改性效果。因此可以確定復(fù)合改性瀝青配方∶瀝青∶高膠顆?！肧BS∶橡膠油∶穩(wěn)定劑=100∶15∶4∶3∶0.15可以作為一種新型的改性瀝青用于混合料的生產(chǎn),但同時(shí)也需要進(jìn)一步驗(yàn)證混合料的性能是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 復(fù)合改性瀝青混合料性能驗(yàn)證

表9 瀝青混合料溫度控制表 ℃

根據(jù)規(guī)范要求溫度控制,進(jìn)行混合料的拌和與性能驗(yàn)證,混合料具體技術(shù)指標(biāo)按照J(rèn)TG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中要求確定,具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10,表11所示。

表10 OGFC-13瀝青混合料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表11 SMA-13瀝青混合料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表10,表11中數(shù)據(jù)可以看出,復(fù)合改性瀝青應(yīng)用于兩種瀝青混合料中其性能均能滿足規(guī)范要求。其中混合料的浸水飛散試驗(yàn)指標(biāo)效果突出,飛散試驗(yàn)主要就是測試混合料集料之間的點(diǎn)黏接能力,黏接能力越好,混合料的表面集料越不容易脫落和散失,表明瀝青的用量恰當(dāng)以及復(fù)合改性瀝青的黏結(jié)性強(qiáng)。同時(shí)混合料也展現(xiàn)出了較好的高溫性能,OGFC-13和SMA-13兩種級(jí)配的動(dòng)穩(wěn)定度都達(dá)到了5 000次/mm以上,較好地反映了該復(fù)合改性瀝青作用于混合料中時(shí)在高溫季節(jié)抵抗形成車轍的能力,非常適合用于重慶這種炎熱地區(qū)的抗車轍使用。其他指標(biāo)比如穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比以及低溫彎曲等等,也都優(yōu)于一般的混合。通過以上數(shù)據(jù)分析,可以看出復(fù)合改性瀝青提升了混合料的綜合路用性能。進(jìn)一步證明了該復(fù)合改性瀝青的優(yōu)異性,可進(jìn)行大生產(chǎn)試用。

5 結(jié)語

1)根據(jù)L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析,從各因素的最優(yōu)組合確定復(fù)合改性瀝青配方為：瀝青∶高膠顆?！肧BS∶橡膠油∶穩(wěn)定劑=100∶15∶4∶3∶0.15。

2)基于設(shè)計(jì)配方剪切得到復(fù)合改性瀝青進(jìn)行性能驗(yàn)證,各指標(biāo)均能滿足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中表4.6.2中對(duì)SBSI-D改性瀝青以及表D2.2中對(duì)高黏度改性瀝青的技術(shù)要求。

3)使用復(fù)合改性瀝青進(jìn)行不同級(jí)配(OGFC-13,SMA-13)的瀝青混合料性能測試,混合料性能均能滿足規(guī)范要求。確定該配方作為一種新型的復(fù)合改性瀝青適用于瀝青混合料,且能大幅度的提升混合料性能。

4)此次研究只是建立在實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上,后續(xù)還需要進(jìn)行工廠化復(fù)合改性瀝青生產(chǎn)以及瀝青性能的測試驗(yàn)證。同時(shí)需要進(jìn)一步探索生產(chǎn)和施工工藝,確保工廠化生產(chǎn)的產(chǎn)品穩(wěn)定性。

5)對(duì)復(fù)合改性機(jī)理的分析比較淺顯,后期還需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn)以及大量的實(shí)驗(yàn)來支撐自己的理論知識(shí)。