曾 勤,陳建福,黃慧珍
(漳州職業(yè)技術學院食品與生物工程系,福建漳州 363000)
瀝青延度是在一定溫度下瀝青斷裂前擴展或伸長的能力,是瀝青柔韌性的反映。瀝青延度值是表征瀝青路面性能指標,與路面低溫開裂以及抗疲勞等性能有一定的相關性,在低溫下瀝青的延度值越大,則瀝青的抗裂性能越好[1-2]。用聚合物對瀝青改性是提高道路瀝青低溫延度的途徑之一,可以使瀝青低溫抗裂性和抗疲勞能力得到較大改善,對于提高北方寒冷地區(qū)道路瀝青的使用性能具有重要意義[3-4]。
筆者以改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的低溫延度為指標,考察了影響SBS改性乳化瀝青的工藝條件,得到了性能優(yōu)良的改性瀝青。
石油瀝青,工業(yè)級,齊魯石化有限公司;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS),工業(yè)級,茂名石化有限公司;Span80、Tween60,均為化學純,天津大茂化學試劑廠;氯化鈣,分析純,西隴化工股份有限公司;其他試劑均為分析純。
高速剪切乳化機,上海全簡機電有限公司;JJ-1電動攪拌器、恒溫水浴鍋,金壇市環(huán)宇科學儀器廠;SYD-4508型延伸度試驗器,武漢昂特威爾科技有限公司。
將一定量的SBS顆粒和瀝青分別置于適量的正己烷中,得到SBS溶液和瀝青溶液,將兩種溶液混合并高速攪拌,得到改性瀝青溶液;將乳化劑(Span80與Tween60混合物,兩者質量比3∶1)、蒸餾水、穩(wěn)定劑混合加熱,制得乳化劑水溶液。將改性瀝青溶液倒入乳化劑水溶液中,置于高速剪切乳化機中并調至所需速率,剪切一定時間后減壓蒸餾除去溶劑,得到穩(wěn)定性較好的SBS改性乳化瀝青。
按JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T 0605—2011的規(guī)定測定瀝青5℃時的低溫延度。
SBS用量是影響乳化瀝青低溫延度的重要因素。當SBS用量較小時,SBS與乳化瀝青呈單相體系;隨著SBS用量增加,SBS與乳化瀝青形成混溶狀態(tài),形成連續(xù)的網狀結構,降低了SBS與乳化瀝青相之間的界面能,使得SBS能穩(wěn)定地分散在瀝青中[5],乳化瀝青的低溫延度較好。
實驗固定乳化劑用量(以瀝青質量計,下同)4%、穩(wěn)定劑用量0.1%,考察SBS用量對乳化瀝青低溫延度的影響,結果如圖1所示。隨著SBS用量增加,乳化瀝青的低溫延度也增加;當SBS用量達到6%時,乳化瀝青的低溫延度達到最大;之后繼續(xù)增加SBS用量,乳化瀝青的低溫延度降低。從改性效果和經濟效益綜合考慮,SBS最佳用量為6%。
圖1 SBS用量對低溫延度的影響
乳化劑由親油基和親水基組成,能吸附在瀝青顆粒上,從而降低瀝青與水界面的表面張力,使形成的乳濁液均勻、穩(wěn)定。當乳化劑用量較小時,瀝青與水界面的表面張力不能充分降低,使得乳液中瀝青顆粒粒徑大小不均,乳化效果較差,穩(wěn)定性不好,低溫延度也差;隨著乳化用量增加,瀝青顆粒表面的乳化劑吸附量增加,乳化劑分子的親油、親水基團分別與瀝青、水相結合,使得瀝青與水的表面張力降低,乳液趨向于穩(wěn)定[6],使低溫延度增加;若乳化劑用量過多,體系中會形成大量的增容膠束,反而使得低溫延度降低。
固定SBS用量6%、穩(wěn)定劑用量0.1%,考察乳化劑用量對乳化瀝青低溫延度的影響,結果如圖2所示。隨著乳化劑用量增加,乳化瀝青的低溫延度也增加;當乳化劑用量為4%時,乳化瀝青的低溫延度達到最大;之后繼續(xù)增加乳化劑用量,乳化瀝青的低溫延度減小。因此,乳化劑的最佳用量為4%。
圖2 乳化劑用量對低溫延度的影響
穩(wěn)定劑促使瀝青與SBS產生交聯(lián),使得混合體系的網絡更發(fā)達,更有利于抵抗外力。增加穩(wěn)定劑用量,使混合體系的交聯(lián)點增加,交聯(lián)密度增大,網絡結構更發(fā)達,抵抗外力變形能力增強,從而使得低溫延度增大。但穩(wěn)定劑用量過多,使交聯(lián)密度過大,交聯(lián)點間距離變短,反而抑制了瀝青分子鏈段的伸展,導致瀝青基材的脆性增加,降低了瀝青的低溫延度[7-8]。
固定SBS用量6%、乳化劑用量4%,考察穩(wěn)定劑用量對乳化瀝青低溫延度的影響,結果如圖3所示。隨著穩(wěn)定劑用量增加,乳化瀝青的低溫延度也增加;當乳化劑用量為0.1%時,乳化瀝青的低溫延度最大;之后繼續(xù)增加乳化劑用量,乳化瀝青的低溫延度減小。因此,穩(wěn)定劑的最佳用量為 0.1%。
圖3 穩(wěn)定劑用量對低溫延度的影響
在單因素實驗基礎上,探討各單因素和多因素交互作用對改性瀝青低溫延度的影響。選用L9(34)正交表進行正交試驗,以SBS用量(A)、乳化劑用量(B)和穩(wěn)定劑用量(C)為試驗因素,每個因素取3水平進行優(yōu)選,以改性瀝青的低溫延度為考察指標,通過極差和方差分析,確定SBS改性乳化瀝青的最佳工藝參數。正交試驗因素水平見表1,結果見表2,方差分析見表3。
表1 正交試驗因素水平表L9(34)
從表2極差分析可知,影響因素顯著性由大到小依次為:SBS用量、乳化劑用量、穩(wěn)定劑用量。優(yōu)化理論最佳工藝條件為 A3B2C3,即 SBS用量7%、乳化劑用量4%、穩(wěn)定劑用量0.09%。由表3可知,在 F0.05顯著水平條件下,SBS用量、乳化劑用量、穩(wěn)定劑用量對改性乳化瀝青的低溫延度的影響均較為顯著,說明在考察的制備工藝中,3個因素對目標產物的低溫延度均有重要影響。此外,從表3中F值大小可得出,影響改性乳化瀝青低溫延度的3個因素主次排序:A(SBS用量)>B(乳化劑用量)>C(穩(wěn)定劑用量),這與極差分析結果一致。
表2 正交試驗結果
表3 正交試驗結果的方差分析
由以上實驗分析結果可知,改性乳化瀝青的優(yōu)化條件為:SBS用量7%、乳化劑用量4%、穩(wěn)定劑用量0.09%。在此條件下進行6次重復實驗,檢驗最佳工藝條件的重現性,結果見表4。SBS改性乳化瀝青的低溫延度重現性良好,優(yōu)化條件下所得的低溫延度值均大于其他條件下(見表2)乳化瀝青的低溫延度值,且該工藝條件穩(wěn)定、可靠。
表4 最佳工藝條件重復實驗
通過單因素實驗和正交試驗,得到用SBS改性乳化瀝青的最佳工藝條件:SBS用量7%、乳化劑用量4%、穩(wěn)定劑用量0.09%。在此最佳工藝條件下,改性乳化瀝青的低溫延度可達57.5 cm,且該工藝條件重現性好。
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