溫拌橡膠瀝青實(shí)驗(yàn)室制備與性能分析

范 平

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，汽車擁有量逐年增加，導(dǎo)致廢舊輪胎數(shù)量不斷增長(zhǎng)，對(duì)廢舊輪胎的處理提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。1843年橡膠瀝青在英國(guó)專利上的提出，不僅為廢舊輪胎處理提出有效方法，同時(shí)改善基質(zhì)瀝青性能，因此得到研究人員的普遍重視，隨后許多國(guó)家先后對(duì)橡膠瀝青及其混合料進(jìn)行深入的研究，極大推廣橡膠瀝青在公路建設(shè)中的應(yīng)用[1-2]。

目前濕法是橡膠瀝青制備的主要方法，所謂的濕法是將基質(zhì)瀝青、橡膠粉及添加劑摻和成混合物，在一定條件下，使混合物互相交融反應(yīng)，從而改變?yōu)r青性能的加工工藝。橡膠瀝青的生產(chǎn)雖很好解決廢舊輪胎難于處理的問(wèn)題，并且改善基質(zhì)瀝青性能，但橡膠粉的加入使得橡膠瀝青的粘度急劇增大，流動(dòng)性較差，因此混合料施工過(guò)程中需要較高的拌和溫度，通常不低于180℃，這不僅增加能源消耗，對(duì)施工設(shè)備也提出較高的要求。近年來(lái)隨著溫拌技術(shù)的逐漸成熟，將溫拌技術(shù)引入橡膠瀝青中，在不影響橡膠瀝青性能的前提下具有減小其施工粘度、降低混合料生產(chǎn)溫度、減少能源消耗的特點(diǎn)，使其具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。

詳細(xì)研究了LQ-1106溫拌橡膠瀝青的性能，采用不同膠粉摻量、不同攪拌溫度、不同攪拌時(shí)間及不同溫拌劑摻量，通過(guò)正交試驗(yàn)方法進(jìn)行溫拌橡膠瀝青的制備，通過(guò)對(duì)針入度、延度、軟化點(diǎn)、粘度以及粘溫系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合確定一種適合于低溫地區(qū)橡膠瀝青的最優(yōu)摻配組合。

1 試驗(yàn)原材料

原材料主要包括橡膠粉、瀝青及溫拌劑。橡膠粉采用本地區(qū)常用的北京泛洋偉業(yè)產(chǎn)40目膠粉，瀝青為遼河A-90號(hào)普通瀝青，基本指標(biāo)見(jiàn)表1。溫拌劑采用上海諾貝爾有限公司生產(chǎn)的LQ-1106有機(jī)降粘劑。

表1 A-90號(hào)道路石油瀝青指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)有的資料基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)擬采用L16(45)正交方案進(jìn)行溫拌橡膠瀝青制備，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見(jiàn)表2[5]。因素及水平分別為A膠粉摻量：16%、18%、20%、22%；B攪拌溫度：160℃、180℃、200℃、220℃；C攪拌時(shí)間：30min、45min、60min、75min；D溫拌劑摻量：0.6%、0.7%、0.8%、0.9%。

表2 L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

采用兩種制備手段包括：

(1)通過(guò)正交試驗(yàn)確定一種最優(yōu)的橡膠瀝青制備組合后，添加合適溫拌劑。

(2)制備正交試驗(yàn)方案內(nèi)16組溫拌橡膠瀝青，分析確定最優(yōu)溫拌橡膠瀝青組合。

第二種方法采用兩種溫拌劑添加方式：A先加法，制備溫拌基質(zhì)瀝青+橡膠粉；B后加法，制備橡膠瀝青+溫拌劑。

考查指標(biāo)包括25℃針入度、5℃延度、軟化點(diǎn)、175℃粘度及粘溫系數(shù)，數(shù)據(jù)處理采用極差直觀分析及綜合灰色關(guān)聯(lián)加權(quán)評(píng)分的兩種方法[6-7]。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011相關(guān)規(guī)定對(duì)橡膠瀝青及溫拌橡膠瀝青考查指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)上述影響橡膠瀝青及溫拌橡膠瀝青性能的四個(gè)因素采用極差直觀分析圖分析評(píng)價(jià)[8，9]，相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1～圖5。由指標(biāo)變化圖可知橡膠瀝青與溫拌橡膠瀝青(A、B)指標(biāo)曲線隨各因素水平變化基本呈相同的變化規(guī)律，不再贅述。

從圖1分析可知，膠粉摻量是影響針入度最主要的因素。隨膠粉摻量增加，針入度逐漸降低，瀝青高溫穩(wěn)定性能得到改善；針入度隨攪拌溫度和攪拌時(shí)間的增加均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)；溫拌劑摻量對(duì)溫拌橡膠瀝青針入度影響較小，溫拌劑摻量為0.8%時(shí)，針入度值最大。溫拌橡膠瀝青針入度較橡膠瀝青有一定增加，高溫穩(wěn)定性能受到影響，但影響程度較小，溫拌方式A針入度稍小于方式B。

延度是用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能的重要指標(biāo)。圖2顯示攪拌溫度是影響橡膠瀝青延度最主要的因素。隨著攪拌溫度上升，延度迅速增加，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)延度值最大，超過(guò)該溫度時(shí)，延度開(kāi)始緩慢下降；攪拌時(shí)間對(duì)延度影響與拌和溫度基本呈相同的變化規(guī)律；溫拌劑摻量增加，瀝青延度先降低后增加。溫拌橡膠瀝青較橡膠瀝青延度值有較大幅度的提高，表明溫拌劑的加入改善了橡膠瀝青的低溫性能，并且溫拌方式B延度值高于方式A。

軟化點(diǎn)是用來(lái)評(píng)價(jià)橡膠瀝青高溫性能的重要指標(biāo)，通常軟化點(diǎn)越大越好。圖3反映膠粉摻量是影響軟化點(diǎn)的最主要因素。膠粉摻量增加，軟化點(diǎn)迅速升高，當(dāng)膠粉摻量超過(guò)20%時(shí)，軟化點(diǎn)基本趨于穩(wěn)定；攪拌溫度升高，軟化點(diǎn)呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，軟化點(diǎn)最大；攪拌時(shí)間對(duì)軟化點(diǎn)影響較小，軟化點(diǎn)變化范圍約為2℃；溫拌劑在小于一定值時(shí)軟化點(diǎn)逐漸增加，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)軟化點(diǎn)緩慢降低。溫拌橡膠瀝青軟化點(diǎn)高于橡膠瀝青，表明溫拌劑的加入改善了橡膠瀝青的高溫性能，并且溫拌方式B軟化點(diǎn)明顯高于方式A。

瀝青粘度是反應(yīng)瀝青對(duì)流動(dòng)狀態(tài)抵抗能力的重要指標(biāo)。從圖4分析可知膠粉摻量是影響粘度的最主要因素。隨膠粉摻量增加，粘度值逐漸升高，當(dāng)膠粉摻量超過(guò)20%后，粘度值增加緩慢；攪拌溫度較低時(shí)，粘度值增加量較小，當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，粘度值迅速增加；攪拌時(shí)間增加，粘度表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)；溫拌劑摻量增加，粘度值先降低后升高再降低。溫拌橡膠瀝青粘度值較橡膠瀝青均有降低，并且溫拌方式B效果明顯好于方式A。

粘溫系數(shù)是表征瀝青溫度敏感性能的重要指標(biāo)，其絕對(duì)值越小溫度敏感性越好。圖5反映膠粉摻量是影響粘溫系數(shù)的最主要因素。膠粉摻量增加粘溫系數(shù)先降低后增加，20%摻量時(shí)粘溫系數(shù)最?。划?dāng)攪拌溫度小于200℃時(shí)，粘溫系數(shù)變化較小，超過(guò)該溫度時(shí)，粘溫系數(shù)迅速降低；攪拌時(shí)間對(duì)粘溫系數(shù)影響較小，其值在2.5～3.0內(nèi)變化；溫拌劑增加粘溫系數(shù)表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)。溫拌橡膠瀝青粘溫系數(shù)小于橡膠瀝青，表明溫拌劑加入改善了瀝青的溫度敏感性，并且溫拌方式B溫度敏感性明顯好于方式A。

以圖1～圖5指標(biāo)變化圖為主，同時(shí)考慮適應(yīng)于本地區(qū)環(huán)境的特點(diǎn)，認(rèn)為方式B溫拌劑添加方法下制備溫拌橡膠瀝青性能要好于方式A。最終以極差分析法感官確定橡膠瀝青最佳組合方式為A3B3C3，溫拌橡膠瀝青最佳組合方式為A4B3C4D1。

為了進(jìn)一步確定橡膠瀝青和溫拌橡膠瀝青正交16組數(shù)據(jù)間的優(yōu)異關(guān)系，文章采用綜合灰關(guān)聯(lián)的加權(quán)評(píng)分法對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評(píng)分[10]，從而選擇該方法下的最優(yōu)設(shè)計(jì)組合，從評(píng)分結(jié)果看，橡膠瀝青第15組得分最高，溫拌橡膠瀝青第12組得分最高，相應(yīng)組合分別為A4B3C2和A3B4C2D1。

接下來(lái)對(duì)上述不同方法確定的最優(yōu)溫拌橡膠瀝青制備組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)照，其中最優(yōu)橡膠瀝青組合溫拌劑摻量采用0.6%，試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 溫拌橡膠瀝青最優(yōu)組合驗(yàn)證結(jié)果對(duì)照表

綜合優(yōu)選，最終確定實(shí)驗(yàn)室溫拌橡膠瀝青最優(yōu)制備方式組合為A3B3C3D1，即膠粉摻量20%、攪拌溫度200℃、攪拌時(shí)間60min、溫拌劑摻量0.6%。相比基質(zhì)瀝青及相應(yīng)的橡膠瀝青性能，溫拌橡膠瀝青在高溫穩(wěn)定性、溫度敏感性方面均有較大幅度的改善，并且其低溫抗裂性能及施工性均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)膠粉摻量是影響橡膠瀝青性能的最主要因素，隨膠粉摻量增加，針入度和粘溫系數(shù)指標(biāo)逐漸降低，粘度和軟化點(diǎn)逐漸升高，延度呈先升高后降低的趨勢(shì)；攪拌溫度變化對(duì)橡膠瀝青軟化點(diǎn)影響較為顯著，低于200℃時(shí)軟化點(diǎn)隨溫度升高而增加，高于該溫度時(shí)隨溫度升高而降低；攪拌時(shí)間對(duì)各指標(biāo)影響效果不顯著，各指標(biāo)變化區(qū)域相對(duì)較小。

(2)橡膠瀝青中引入溫拌技術(shù)在一定程度上改善橡膠瀝青的性能，溫拌劑的加入在不影響其他性能的前提下，能顯著降低橡膠瀝青粘度，從而降低施工溫度。但溫拌劑添加方式對(duì)瀝青性能影響顯著，先加法對(duì)橡膠瀝青各項(xiàng)性能改善較小，而后加法較先加法能更好發(fā)揮溫拌劑的溫拌效果，試驗(yàn)建議溫拌劑添加方式為后加法。

(3)后加法制備的溫拌橡膠瀝青性能較橡膠瀝青有較大改變，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能及溫度敏感性能得到明顯的改善，試驗(yàn)確定適合于低溫地區(qū)溫拌橡膠瀝青最優(yōu)組合為：膠粉摻量20%，攪拌溫度200℃，攪拌時(shí)間60min，溫拌劑摻量0.6%。