廢膠粉改性瀝青高溫性能和儲存穩(wěn)定性的研究

李國峰，陸江銀，曹敏娜

（新疆大學(xué)石油天然氣精細化工教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046）

隨著交通量的迅速增長，對瀝青性能提出了更高的要求，瀝青原有的性能不能完全適應(yīng)高等級公路的要求[1]。膠粉改性瀝青具有良好的高低溫性能、抗老化性能、抗疲勞性能、冬季柔性等[2]。

通常用軟化點來衡量瀝青材料的溫度穩(wěn)定性能，軟化點的值與表示路面發(fā)軟變形的程度相關(guān)聯(lián)，通常認為，軟化點高，熱穩(wěn)定性好，抗高溫永久變形能力強。聚合物改性瀝青的存儲穩(wěn)定性是指其在生產(chǎn)、存儲和使用過程中不發(fā)生聚合物離析或降解的性質(zhì)。膠粉改性瀝青在高溫液態(tài)存儲過程中，由于膠粉的密度大于瀝青的密度，在重力的作用下，瀝青相中原來均勻分布的膠粉就會發(fā)生沉降離析現(xiàn)象。通常聚合物改性瀝青的存儲穩(wěn)定性主要是由聚合物和瀝青的相容性決定的，相容性越好，聚合物改性瀝青越穩(wěn)定[3]。

廢膠粉改性瀝青性能的影響因素主要體現(xiàn)在三方面，（1）原料基質(zhì)瀝青類型和膠粉的種類及摻加2量；（2）工藝條件反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、剪切速率、發(fā)育方式、發(fā)育時間等；（3）添加劑，添加劑又可分為調(diào)和型和化學(xué)型兩類，調(diào)和型一般僅能改變?yōu)r青的化學(xué)組分比例，化學(xué)型則能在瀝青和聚合物間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[4]。

在用廢膠粉改性瀝青工藝過程中，雖然影響改性瀝青性能的主要因素變化趨勢相似，但不同的基質(zhì)瀝青所選用的具體工藝條件卻不同。本文研究了膠粉摻加量、工藝條件和添加劑對改性瀝青的高溫性能和儲存穩(wěn)定性的影響，同時確定了克拉瑪依石化AH-110號瀝青用膠粉改性的最佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 主要原料

膠粉40目，武漢合得利有限公司產(chǎn)品；基質(zhì)瀝青，克拉瑪依石化AH-110號瀝青；TOR，南京杭廷商貿(mào)有限公司；多聚磷酸PPA，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試樣制備

基質(zhì)瀝青加熱到175 ℃以上，將稱取的膠粉和TOR依次緩慢徐徐加入瀝青中，混合物料保持180℃攪拌溶脹，之后加入活化劑繼續(xù)攪拌，然后將混合物料剪切，剪切速率為7 000 r/min，在攪拌發(fā)育前加入穩(wěn)定劑，保持一定溫度攪拌發(fā)育1.5 h，最后灌模。

1.3 性能測試

改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能依據(jù)我國交通部《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0661-2000改性瀝青離析試驗方法來測定：離析試驗的上下部軟化點差用來評價改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，差值越小穩(wěn)定性越好，當此值絕對值≤2.5 ℃時，認為儲存穩(wěn)定性合格。軟化點反映瀝青高溫使用條件下性能，用T0606-2000瀝青軟化點試驗進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢膠粉用量對膠粉改性瀝青性能的影響

2.1.1 廢膠粉用量對改性瀝青軟化點的影響

由圖1、2所示:隨著膠粉摻加量的增大，改性瀝青的軟化點增大，但增加的幅度逐漸降低；改性瀝青軟化點差隨著膠粉摻加量的增加而增大，但增大幅度呈下降趨勢，當膠粉加入量大于20%后，就趨于不變。

圖1 廢膠粉用量對改性瀝青軟化點的影響Fig.1 The influence of mixing amount of crumb rubber on the softening point of modified asphalt

2.1.2 廢膠粉用量對改性瀝青軟化點差的影響

較小的膠粉摻量在瀝青中易于分散，且能更好的與瀝青相互作用。隨著膠粉摻量的增加，膠粉與瀝青的相容結(jié)合達到一種飽和狀態(tài)，再增加膠粉摻量，改性效應(yīng)減弱[5]，軟化點增幅程度降低，并且超過飽和狀態(tài)后部分膠粉在瀝青中會形成膠粉團，膠粉顆粒不能充分與瀝青作用從而降低了改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能?？芍獡搅窟^大，不但對軟化點沒有明顯提高作用，還會使橡膠瀝青的粘度增大，不利于泵送、鋪路。在此條件下，膠粉改性瀝青合適的摻配比例應(yīng)控制在15%～20%之間。

圖2 廢膠粉用量對改性瀝青軟化點差的影響Fig. 2 The influence of mixing amount of crumb rubber on difference between softening points of modified asphalt

2.2 溶脹時間對膠粉改性瀝青性能的影響

2.2.1 溶脹時間對膠粉改性瀝青軟化點的影響

由圖3知，溶脹時間對軟化點的影響趨勢為先升后降，然后趨于平衡。溶脹時間為2 h時，軟化點達到峰值。

圖3 溶脹時間對改性瀝青軟化點的影響Fig.3 The influence of swelling time on the softening point of modified asphalt

2.2.2 溶脹時間對膠粉改性瀝青軟化點差的影響

由圖4知，溶脹時間對于軟化點差的影響趨勢則是先大幅度下降，然后趨于平衡，溶脹時間為3 h時軟化點差達最低值。一般來說溶脹時間越長，改性劑膠粉的熔融性越好，在瀝青中分散的越均勻，利于兩相融合，但是時間過長會影響生產(chǎn)效率，提高成本。在膠粉與瀝青的溶脹過程中，溶脹時間為2 h時，有利于發(fā)揮膠粉改性瀝青的高溫性能，溶脹2 h后，膠粉進一步吸收基質(zhì)瀝青中輕組分，使膠粉和瀝青的相容性得到進一步改善，增加了膠粉脫硫降解的程度，溶脹時間3 h，膠粉近于溶脹平衡。該試驗條件下的最佳溶脹時間為2~3 h。

圖4 溶脹時間對改性瀝青軟化點差的影響Fig.4 The influence of swelling time on difference between softening points of modified asphalt

2.3 剪切時間對膠粉改性瀝青性能的影響

2.3.1 剪切時間對膠粉改性瀝青軟化點的影響

由圖5知，隨剪切時間增加，改性瀝青軟化點先增大后降低，在1.5 h處達峰值60.5 ℃。

圖5 剪切時間對改性瀝青軟化點的影響Fig. 5 The influence of shear time on the softening point of modified asphalt

2.3.2 剪切時間對膠粉改性瀝青軟化點差的影響

由圖6知，改性瀝青軟化點差隨剪切時間的延長而降低，在1.5 h后略有升高，趨于平衡狀態(tài)。其原因是在剪切過程中，膠粉部分脫硫和降解，一定程度上打破網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，膠粉和瀝青進一步相互作用，故軟化點呈上升趨勢，軟化點差呈下降趨勢，在1.5 h時，體系處于平衡狀態(tài)，繼續(xù)剪切，膠粉則會出現(xiàn)過度脫硫降解，此外長時間高溫會使瀝青老化。剪切時間太短，膠粉與瀝青混合不均勻，但剪切時間過長，膠粉會過度脫硫降解，瀝青也會老化，會降低瀝青的使用性能。在該條件下，適宜的剪切時間為1.5 h。

圖6 剪切時間對改性瀝青軟化點差的影響Fig. 6 The influence of shear time on difference between softening points of modified asphalt

2.4 剪切溫度對膠粉改性瀝青性能的影響

2.4.1 剪切溫度對改性瀝青軟化點的影響

由圖7知，隨著溫度的升高，改性瀝青的軟化點先增大后降低，在185 ℃達最大值56.7 ℃。

圖7 剪切溫度對改性瀝青軟化點的影響Fig.7 The influence of shear temperature on the softening point of modified asphalt

2.4.2 剪切溫度對膠粉改性瀝青軟化點差的影響

圖8 剪切溫度對改性瀝青軟化點差的影響Fig. 8 The influence of shear temperature on difference between softening points of modified asphalt

由圖8知，當溫度大于185 ℃后，軟化點差隨溫度的升高而降低，同軟化點隨剪切溫度的變化一致，185 ℃是轉(zhuǎn)折溫度。說明在低于185 ℃，膠粉和瀝青的相互作用隨溫度的升高而相互增強。高于185 ℃后，隨著溫度升高，一方面，膠粉發(fā)生了更多的脫硫降解反應(yīng)，物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)由于橡膠與炭黑微粒分開而變松，膠粉中橡膠的抗拉強度和高彈性能就會降低，橡膠瀝青的軟化點就會降低，但更多脫硫降解導(dǎo)致較高的溶脹速率和溶脹程度，儲存穩(wěn)定性能得以提高；另一方面，在較高的剪切溫度下會發(fā)生老化會使軟化點降低。綜合改性瀝青的高溫性能和儲存穩(wěn)定性，剪切溫度選定在 186～189 ℃較為合適。

2.5 剪切速率對改性瀝青性能的影響

2.5.1 剪切速率對膠粉改性瀝青軟化點的影響

由圖9知，軟化點隨剪切速率的增加先降低，后達到平衡，10 000 r/min達到最小值56.3 ℃。由圖10知，離析軟化點差隨剪切速率的增加而降低，10 000 r/min后降的幅度變大。同圖9一致，10 000 r/min是個轉(zhuǎn)折點。因為轉(zhuǎn)速大于10 000 r/min后，瀝青在機械剪切、擠壓作用下，局部溫度上升過快，剪切過程溫度不易控制，故剪切速率不建議超出10 000 r/min。

圖9 剪切速率對改性瀝青軟化點的影響Fig. 9 The influence of shear rate on the softening point of modified asphalt

圖10 剪切速率對改性瀝青軟化點差的影響Fig.10 The influence of shear rate on difference between softening points of modified asphalt

2.5.2 剪切速率對膠粉改性瀝青軟化點差的影響

從圖9、10中的數(shù)據(jù)看出，剪切速率大于7 000 r/min后，對改性效果沒有很明顯的改善。因此，剪切速率為7 000～8 000 r/min即可。

2.6 添加劑對改性瀝青體系的影響

TOR（VESTENAMER）白色顆粒，是一種辛烯聚合物橡膠反應(yīng)劑。這種反應(yīng)劑是一種具有雙鍵結(jié)構(gòu)的聚合物，它可以將硬瀝青質(zhì)和軟瀝青質(zhì)中的硫與橡膠粉表面的硫交聯(lián)起來形成一大片環(huán)狀物和鏈狀聚合物組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[6-8]。

PPA是化學(xué)改性有效而又經(jīng)濟的添加劑，它能改善瀝青的高溫性能和粘彈性，PPA和瀝青中許多官能團反應(yīng)，它打破瀝青質(zhì)聚集體，使瀝青質(zhì)較好的分散在軟瀝青質(zhì)相中[6,7]。

2.6.1 TOR對改性瀝青高溫性能和儲存穩(wěn)定性影響

從圖11可以看出，在軟化點方面，TOR橡膠瀝青和不加TOR橡膠瀝青的數(shù)據(jù)相比，前者較后者略高，但基本上處于同一水平，說明TOR能夠提高橡膠瀝青高溫性能，但對高溫性能的改善程度不大。

圖11 TORTOR對改性瀝青的軟化點和軟化點差的影響Fig.11 The influence of TOR on the softening point and difference between softening points of modifiedA—不加TOR; B—加TOR asphalt

在軟化點差方面，可以看出，TOR橡膠瀝青的軟化點差是8.1 ℃，比不加TOR橡膠瀝青低2.1 ℃。表明 TOR加入對橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性能有一定的改善。

2.6.2 PPA對改性瀝青高溫性能和儲存穩(wěn)定性能的影響

圖12 PPA對改性瀝青性軟化點和軟化點差的影響Fig.12 The influence of PPA on the softening point and difference between softening points of modified asphaltA—不加TOR; B—加TOR

從圖12可以看出在軟化點方面，加入PPA橡膠瀝青和不加PPA橡膠瀝青的數(shù)據(jù)相比，前者較后者略高，說明PPA能夠提高橡膠瀝青高溫性能，在路面使用溫度范圍內(nèi)具有較好的抗車轍能力。在軟化點差方面，加入PPA橡膠瀝青比常規(guī)橡膠瀝青的值低，表明PPA的加入可改善橡膠瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性能。

2.7 基質(zhì)瀝青對改性瀝青高溫性能和儲存穩(wěn)定性的影響

作為橡膠瀝青的主要原料，基質(zhì)瀝青從多方面影響被改性后的性能。瀝青的性質(zhì)取決于原油的性質(zhì)和生產(chǎn)加工工藝，不同來源的瀝青會有一定的性質(zhì)差異。在此對比了克拉瑪依石化AH-110瀝青和塔河石化AH-110瀝青在用膠粉改性后的性能差異。

圖13 不同基質(zhì)瀝青對改性瀝青軟化點和軟化點差影響Fig.13 The influence of different matrix asphalts on the softening point and difference between softening points of modified asphaltA—克拉瑪依石化AH-110改性瀝青; B—塔河石化AH-110改性瀝青

由圖13知，塔河石化瀝青改性后的軟化點遠遠高于克拉瑪依石化改性瀝青改性后的軟化點，知塔河石化瀝青改性的粘度遠高于克拉瑪依石化的瀝青改性；塔河石化瀝青改性的離析軟化點差也明顯低于克拉瑪依石化改性瀝青，其值為 0.3 ℃＜2.5 ℃合格，高溫儲存穩(wěn)定。說明塔河石化瀝青比克拉瑪依石化瀝青容易改性，就高溫性能和高溫儲存穩(wěn)定性而言可制備出合格的產(chǎn)品。基質(zhì)瀝青類型對改性后瀝青的性能有重要的影響。

3 結(jié) 論

（1）膠粉摻加量對改性瀝青的高溫性能和儲存穩(wěn)定性有重要影響，適宜的膠粉摻量為瀝青質(zhì)量的15~20%。

（2）工藝條件對膠粉改性瀝青的高溫性能和儲存穩(wěn)定性有一定的影響，適宜的溶脹時間2~3 h，剪切時間1.5 h，剪切溫度186~189 ℃，剪切速率7 000~8 000 r/min。

（3）使用添加劑TOR和多聚磷酸PPA，都可不同程度改善膠粉改性瀝青的高溫性能和儲存穩(wěn)定性。

（4）基質(zhì)瀝青的類型對膠粉改性瀝青的性能有決定性的影響。

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