不同生產(chǎn)工藝參數(shù)對橡膠瀝青性能的影響

李海東

摘要：為改善橡膠瀝青性能，本論述從橡膠瀝青生產(chǎn)工藝參數(shù)出發(fā)，通過選取不同的生產(chǎn)工藝參數(shù)，系統(tǒng)研究不同工藝參數(shù)對橡膠瀝青性能的影響，同時測試了不同工藝參數(shù)下橡膠瀝青中膠粉溶解率，探究了膠粉溶解率對橡膠瀝青粘度、車轍因子和存儲穩(wěn)定性的影響，并基于 TOPSIS 評價方法，對不同工藝參數(shù)下橡膠瀝青的性能進行綜合評價。結(jié)果表明：膠粉溶解率與橡膠瀝青各項性能都有一定的相關(guān)性;在較低生產(chǎn)溫度下，橡膠瀝青制備時應(yīng)選用較長的反應(yīng)時間和較高的攪拌速率，且橡膠瀝青的制備溫度不宜過高。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青;工藝參數(shù);性能;灰關(guān)聯(lián)

中圖分類號：U24???????????????????????????????????????????? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，每年有大量汽車報廢，導(dǎo)致每年產(chǎn)生數(shù)以萬計的廢舊輪胎，且每年廢舊輪胎以 8%～ 10%的速度極速增長。2020年，我國廢舊輪胎產(chǎn)量已超過2000萬 t，如此巨大的固體“黑色污染物”對生態(tài)環(huán)境將會造成嚴重危害[1 ]。而目前我國對廢舊輪胎的再利用率不足，故廢舊輪胎的再利用已成為近年來的研究熱點。

大量研究表明，將廢舊輪胎磨成膠粉，通過濕法或干法應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)，不僅可以回收利用廢舊輪胎固體廢棄物，減少對環(huán)境的污染，而且可以顯著提高瀝青路面的各項路用性能，具有較大的應(yīng)用潛力[2 ]。目前國內(nèi)外針對橡膠瀝青路面進行了大量研究，同時橡膠瀝青已成為瀝青路面建設(shè)的重要材料之一。但在橡膠瀝青使用過程中發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青存在高溫穩(wěn)定性較差、容易發(fā)生離析等問題，而這一直是制約橡膠瀝青使用的主要技術(shù)瓶頸[3]。經(jīng)研究表明：橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝參數(shù)對其儲存穩(wěn)定性和路用性能有至關(guān)重要的作用[4]。

目前主要通過采用填加穩(wěn)定劑和其它改性劑的方式來提高橡膠瀝青的性能[5，6]，而基于其工藝參數(shù)對其性能的影響研究較少。為此，本研究通過設(shè)置不同的工藝參數(shù)，研究不同工藝參數(shù)下橡膠瀝青高溫性能和儲存穩(wěn)定性的變化，并采用 TOPSIS 分析方法，探究工藝參數(shù)對各項性能指標的影響程度大小，從而為橡膠瀝青的制備和使用提供一定參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 瀝青

瀝青采用 SK 90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標見表1 所列，且各項技術(shù)指標滿足規(guī)范要求。膠粉為40目廢舊輪胎橡膠粉（通過40目膠粉篩），其主要物理和化學(xué)指標見表2 所列。

1.2 橡膠瀝青制備

本試驗設(shè)置了不同的橡膠瀝青制備工藝參數(shù)，其中溫度分別為160℃、190℃和220℃，攪拌時間為60min、120 min、240 min 和480 min，攪拌速率分別為10 Hz、30 Hz 和50 Hz 。橡膠瀝青的主要制備流程為：首先將基質(zhì)瀝青在烘箱（150℃）恒溫加熱1 h，然后將熔融的瀝青倒入專門的橡膠瀝青反應(yīng)罐600 g，再將反應(yīng)罐放置于恒溫磁力攪拌器中加熱至規(guī)定溫度（如180℃），同時緩慢加入膠粉，并慢速攪拌10 min，然后將攪拌器速率調(diào)至規(guī)定的攪拌速率攪拌一定時間，待橡膠瀝青制備完成后倒入專門的存放鋁盒進行封閉儲存，以備待測。橡膠瀝青的制備如圖1 所示。

1.3 主要試驗方法

1.3.1?? 橡膠粉溶解率測試

取橡膠瀝青20 g，采用三氯乙烯浸泡10 min，然后將浸泡溶液過80目篩，濾出橡膠瀝青中的橡膠粉，再用三氯乙烯沖洗幾遍，直至完全沖洗干凈，在60℃烘箱中烘干至恒重并稱重，膠粉的溶解率ω計算如式（1 ），其中 m 為橡膠瀝青中膠粉的實際質(zhì)量，m0為清洗后膠粉的質(zhì)量：

1.3.2? 流變性能測試

采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度和動態(tài)剪切流變儀（DSR）對橡膠瀝青的高溫流變性能進行測試，其中粘度測試溫度為 180℃，采用27#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為20 r/min 。采用 DSR 對64℃的車轍因子 G*/sinδ進行測試，測試時采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變?yōu)?2%，角頻率為10 rad/s。

1.3.3? 存儲穩(wěn)定性測試

采用改性瀝青的離析試驗方法對橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性進行研究，在直徑為25 mm、長為140 mm 的鋁管中倒入熱瀝青50 g，并放置在163±5℃的烘箱中保溫48 h，然后取出鋁管并冷卻，測試上下1/3部位橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量，并按式（2）計算其儲存穩(wěn)定性指標，其中SI 值越大，表明上下車轍因子差值越大，橡膠瀝青的離析就越大，SI 值越低，橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性也就越好。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 膠粉溶解率對橡膠瀝青性能的影響

針對不同工藝參數(shù)的橡膠瀝青各項性能進行測試，其結(jié)果見表3 所列。從表3 可以看出，膠粉的各工藝參數(shù)對橡膠瀝青的性能產(chǎn)生較大影響，不同工藝參數(shù)組合下，橡膠瀝青的性能產(chǎn)生較大變化。

大量研究表明，膠粉顆粒在瀝青中主要發(fā)生物理溶脹反應(yīng)，同時伴隨著部分膠粉顆粒的溶解，因此，膠粉的溶解對瀝青性能的影響起到至關(guān)重要的作用。為研究膠粉溶解率對橡膠瀝青性能的影響，采用線性擬合的方式，針對表3 中膠粉溶解率和橡膠瀝青各項性能的關(guān)系進行擬合，其結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 所示為膠粉溶解率與橡膠瀝青粘度的關(guān)系。從圖2 中可以看出：膠粉溶解率與瀝青粘度具有一定相關(guān)性，膠粉溶解率與粘度的關(guān)系主要受制備溫度的影響，當(dāng)溫度較低（≤190℃）、膠粉摻量相同時，膠粉溶解率與橡膠瀝青粘度具有良好的線性關(guān)系（R2=0.84），粘隨溶解率的增加而逐漸增大，表明此時膠粉溶解率越高，其性能越好;而當(dāng)溫度較高時（220℃），橡膠瀝青粘度隨溶解率的增大而逐漸降低，其相關(guān)系數(shù)為 R2=0.71，此時膠粉的溶解對橡膠瀝青的粘度起到不利影響。6CB323FD-18BB-40C8-A2EE-1EFF9744A4E3

因此，溫度是影響橡膠瀝青性能的主要因素，在橡膠瀝青制備時，生產(chǎn)溫度較低時應(yīng)選取較長的反應(yīng)時間和較高的攪拌速率，以使膠粉的溶解率提高。而當(dāng)采用較高溫度（220℃）制備橡膠瀝青時，應(yīng)選較短的反應(yīng)時間和較低的攪拌速率，以降低對膠粉的溶解，保證橡膠瀝青性能。

圖3 所示為膠粉溶解率與橡膠瀝青車轍因子的相關(guān)性。從圖3 中可以看出：膠粉的溶解率與車轍因子具有一定的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.65，整體上膠粉的溶解對車轍因子有一定不利影響，其原因有可能是膠粉的溶解率越高，導(dǎo)致膠粉的溶脹反應(yīng)減弱，使得膠粉對瀝青中輕質(zhì)組分的吸收量減少;但整體上，隨著溶解率的增大，車轍因子的變化幅度不大，表明溶解率對車轍因子的影響較小。

圖4 所示為膠粉溶解率與橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性指標的相關(guān)性。從圖4 中可以看出：膠粉的溶解率與 SI 指標也具有一定的相關(guān)性，隨著膠粉溶解率的增大，SI值越小，橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性也就越好，其原因可能是隨著膠粉的部分溶解，橡膠瀝青內(nèi)部可形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而在高溫條件下，其穩(wěn)定性較好;因此，為保證橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性能，應(yīng)在一定程度上保證膠粉顆粒的溶解率。

2.2 基于TOPSI S法的橡膠瀝青工藝參數(shù)評價

Topsis法的基本思想是：針對評價指標的原始數(shù)據(jù)矩陣，通過矩陣歸一化處理，得到有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案，然后分別計算各評價對象與最優(yōu)方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優(yōu)方案的相對接近程度，然后進行排序，以此距離作為評價優(yōu)劣的依據(jù)[4]。

對橡膠瀝青生產(chǎn)工藝參數(shù)進行優(yōu)選，主要評價指標包括車轍因子、粘度和 SI，各個指標的測試結(jié)果見表3 所列。對表3 的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到表4 所列的規(guī)范矩陣。

經(jīng)處理，得到矩陣的最優(yōu)和最劣向量分別為：

分別求得各方案到理想點的相對接近度，結(jié)果見表 5所列。

由表3可以看出，基于多指標優(yōu)化評價，最終得到各工藝參數(shù)下橡膠瀝青性能的綜合排序，其中排名第一為 N8，這是由于膠粉含量較高（15%），在較低溫度下（≤190℃），膠粉摻量是影響瀝青性能的最主要因素;排名第二為 N9，由前述分析可知，在較低溫度下，為獲得性能良好的橡膠瀝青，改性瀝青應(yīng)選用較高的攪拌速率、較長的拌和時間;N14、N11和 N16分別排名第三、第四和第五，此時制備溫度為220℃，膠粉摻量對橡膠瀝青性能影響較小，在此溫度下，較長的攪拌時間和較高的速率可提高膠粉的溶解，從而改善其存儲穩(wěn)定性，但此溫度下，橡膠瀝青容易老化，且如此高的溫度能耗較大，經(jīng)濟性較差。

3 結(jié)論

（1）橡膠瀝青中膠粉會產(chǎn)生一定溶解，膠粉的溶解對橡膠瀝青的粘度產(chǎn)生一定影響，在較低生產(chǎn)溫度下，膠粉的溶解率越高，其粘度越大;而在較高生產(chǎn)溫度下，膠粉的溶解對橡膠瀝青性能產(chǎn)生一定不利影響。

（2）膠粉的溶解對橡膠瀝青車轍因子和存儲穩(wěn)定性也產(chǎn)生一定影響。整體上，隨著膠粉溶解率的增大，橡膠瀝青的車轍因子略有降低，但降低程度不大;而膠粉溶解率越大，橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性越好。

（3）TOPSIS分析結(jié)果表明，在較低生產(chǎn)溫度下，膠粉摻量是影響橡膠瀝青性能的最主要因素，為保證橡膠瀝青性能，應(yīng)選用較長的制備時間和較高的攪拌速率;較高溫度下，膠粉摻量對橡膠瀝青的影響程度降低，嚴格控制反應(yīng)速率和反應(yīng)時間同樣可制備性能良好的橡膠瀝青，但其生產(chǎn)溫度較高，能耗大，經(jīng)濟性較差。

參考文獻：

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