環(huán)氧大豆油增容廢舊橡塑改性瀝青開(kāi)發(fā)及性能研究

曹雪娟 ，張翰琳，易柳 ，鄧梅

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400000；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400000)

傳統(tǒng)橡塑改性瀝青相容性差、易離析，工業(yè)上常使用芳烴油作為其相容劑[1]。鑒于自身健康及石油資源的匱乏，急需尋求環(huán)保經(jīng)濟(jì)型相容劑作為傳統(tǒng)相容劑的替代產(chǎn)品[2]。環(huán)氧大豆油作為植物油基增塑劑，由于其無(wú)毒無(wú)害，原材料價(jià)格低廉，得到廣泛應(yīng)用[3-4]。本文采用環(huán)氧大豆油作為相容劑，制備環(huán)保型廢舊橡塑改性瀝青，并對(duì)其相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析大豆油對(duì)橡塑瀝青相容性的改善效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SK70#基質(zhì)瀝青；40目、60目及80目廢胎膠粉，由陜西宏瑞橡膠公司提供；低密度聚乙烯(LDPE)、芳烴油均為市售；工業(yè)環(huán)氧大豆油，由廣州富飛化工提供。

JRJ300-SH數(shù)顯高速剪切機(jī)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；SYD-2801E針入度儀；SYD-2806E全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)儀：SY-2B恒溫雙速瀝青延伸儀；XD-RFL型倒置熒光顯微鏡。

1.2 改性瀝青制備

用電爐將基質(zhì)瀝青加熱至175 ℃，依次加入25%的廢舊輪胎膠粉、4%LDPE及2%相容劑，用玻璃棒攪拌混合物至無(wú)肉眼可見(jiàn)改性劑顆粒(注意防止氣泡產(chǎn)生)。將改性瀝青置于油浴鍋(175 ℃)中，用500 r/min的速度預(yù)剪切5 min，隨后將剪切機(jī)轉(zhuǎn)速升至5 000 r/min，持續(xù)剪切1.5 h。將改性瀝青放置于135 ℃的烘箱內(nèi)，發(fā)育1 h，即為環(huán)保型廢舊橡塑改性瀝青[5]。

1.3 改性瀝青性能測(cè)試

1.3.1 基本物理性能 橡塑改性瀝青的三大指標(biāo)(25 ℃針入度、5 ℃延度以及軟化點(diǎn))、彈性恢復(fù)能力及135 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度依據(jù)JTG-E20—2011規(guī)程進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 相容性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性 利用熒光顯微鏡觀察改性劑在瀝青中的分散效果，按照J(rèn)TG-E20—2011對(duì)不同相容劑摻量的廢舊橡塑改性瀝青的離析軟化點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧大豆油摻量對(duì)改性瀝青性能影響

2.1.1 基本性能 不同環(huán)氧大豆油摻量(0，2%，4%，6%，10%)下廢舊橡塑改性瀝青基本性能見(jiàn)表1。

表1 不同環(huán)氧大豆油摻量下改性瀝青性能指標(biāo)Table 1 Technical index of modified asphalt with different ESO content

由表1可知，當(dāng)環(huán)氧大豆油摻量范圍控制在 0～4% 時(shí)，在不損害改性瀝青高溫性能的前提下，其低溫性能得到很大程度的改善，且隨摻量增加，改善效果也越明顯。而當(dāng)環(huán)氧大豆油摻量>6%時(shí)，橡塑改性瀝青針入度急劇上升，分析認(rèn)為，過(guò)量的環(huán)氧大豆油摻入改性瀝青中會(huì)稀釋改性瀝青體系中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低其稠度，導(dǎo)致瀝青變軟，針入度增大[6]。此外，雖然改性瀝青在延度上有較大提升，但軟化點(diǎn)降低近10 ℃，表明此摻量下改性瀝青的高溫性能大幅度衰減。此時(shí)，環(huán)氧大豆油在瀝青中主要起稀釋作用，對(duì)相容性改善作用不大。改性瀝青135 ℃黏度整體呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，這是由于較低摻量的環(huán)氧大豆油會(huì)使改性劑吸收輕質(zhì)組分的能力增加，從而導(dǎo)致瀝青黏度增加，而過(guò)量的環(huán)氧大豆油則會(huì)稀釋瀝青，導(dǎo)致其黏度降低。當(dāng)環(huán)氧大豆油摻量為2%時(shí)，橡塑改性瀝青高低溫性能均得到改善，由此可以推測(cè)，在此摻量下，環(huán)氧大豆油的摻入提升了橡塑改性劑同瀝青間的相容性，改性效果更好，瀝青性能自然也更為優(yōu)異。

2.1.2 相容性及高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性 依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范 T0661要求，采用離析試驗(yàn)軟化點(diǎn)差值指標(biāo)評(píng)價(jià)環(huán)氧大豆油改善廢舊橡塑改性瀝青相容性及高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性的效果，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改性瀝青離析軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of segregation softening point of modified asphalt

由表2可知，3份改性瀝青的離析軟化點(diǎn)指標(biāo)均呈現(xiàn)一致變化，即頂部試樣軟化點(diǎn)數(shù)值大于底部試樣。這是由于LDPE改性劑質(zhì)量較輕，在高溫儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)向上浮動(dòng)，從而導(dǎo)致頂部試樣軟化點(diǎn)數(shù)值偏高。同時(shí)，3份改性瀝青經(jīng)高溫儲(chǔ)存后其軟化點(diǎn)均有不同程度的下降，這主要是因?yàn)橄鹚芨男詾r青中改性劑在高溫儲(chǔ)存過(guò)程中在經(jīng)歷溶脹過(guò)程后逐步進(jìn)入降解過(guò)程，改性劑部分析出，導(dǎo)致其軟化點(diǎn)下降。3份改性瀝青軟化點(diǎn)差值大小排序?yàn)椋何磽江h(huán)氧大豆油橡塑瀝青>摻量為2%橡塑改性瀝青>摻量為4%橡塑改性瀝青，其中未添加環(huán)氧大豆油的橡塑改性瀝青其軟化點(diǎn)差值高達(dá)4.2 ℃，證明橡塑改性瀝青確實(shí)存在較為嚴(yán)重的高溫離析問(wèn)題[7-9]。摻入環(huán)氧大豆油的橡塑改性瀝青軟化點(diǎn)差值明顯下降，說(shuō)明其高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到明顯改善。當(dāng)摻量為4%時(shí)，其軟化點(diǎn)差值較未摻環(huán)氧大豆油的橡塑改性瀝青下降3.4 ℃，說(shuō)明當(dāng)環(huán)氧大豆油摻量控制在0～4%范圍內(nèi)，環(huán)氧大豆油的摻入明顯改善了橡塑瀝青的相容性及高溫穩(wěn)定性，且隨摻量的增加，其改善效果也越明顯。

為探究摻入環(huán)氧大豆油對(duì)橡塑改性劑在瀝青中分散效果的影響，利用熒光顯微鏡觀察不同環(huán)氧大豆油摻量(0，2%，4%)下廢舊橡塑改性瀝青的熒光圖像，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，未摻環(huán)氧大豆油的橡塑改性瀝青中，改性劑顆粒較大，且出現(xiàn)了明顯的團(tuán)狀聚集，表明此時(shí)改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性較差。隨著環(huán)氧大豆油摻量的增加，橡塑改性劑顆粒明顯減小，在瀝青中的分散效果也更好。當(dāng)摻量為4%時(shí)，改性劑已達(dá)到一定細(xì)度，并均勻分布在瀝青中。這是由于環(huán)氧大豆油作為增塑劑摻入橡塑改性瀝青中，破壞了改性劑與瀝青分子間的范德華力，增加了橡塑改性劑吸收瀝青中輕質(zhì)組分的能力，使改性劑在瀝青中充分反應(yīng)溶脹分散效果更好，從而達(dá)到了改善瀝青相容性的目的[10]。

圖1 橡塑改性瀝青熒光顯微鏡圖片(×200)Fig.1 Fluoroscopic view of rubber-plastic modified asphalt a.未添加環(huán)氧大豆油；b.環(huán)氧大豆油2%；c.環(huán)氧大豆油4%

2.2 制備工藝

設(shè)計(jì)4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，探究多因素對(duì)瀝青性能的影響程度。以三大指標(biāo)、彈性恢復(fù)、180 ℃ 黏度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表3，極差分析見(jiàn)表4～表8，優(yōu)化水平見(jiàn)表9。

表3 廢舊橡塑改性瀝青正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of orthogonal experiment for rubber-plastic modified asphalt

表4 針入度極差分析Table 4 Table of range analysis of needle penetration

表5 軟化點(diǎn)極差分析Table 5 Table of range analysis of softening point

表6 延度極差分析Table 6 Table of range analysis of ductility

表7 彈性恢復(fù)極差分析Table 7 Table of range analysis of recovery of elasticity

表8 180 ℃黏度極差分析Table 8 Table of range analysis of viscosity at 180 ℃

表9 優(yōu)水平組合與影響因素Table 9 Optimal levels and influence factors

由表9可知，除延度外，橡膠粉摻量是影響其他四個(gè)指標(biāo)的主要因素，其中軟化點(diǎn)及180 ℃黏度隨著膠粉摻量的增加而增大。這兩項(xiàng)性能指標(biāo)主要反映改性瀝青的高溫性能，表明橡膠粉摻量對(duì)橡塑改性瀝青的高溫性能有著較大影響[11]。對(duì)于針入度而言，最優(yōu)水平組合為A2B1C3D1；對(duì)于軟化點(diǎn)而言，最優(yōu)水平組合為A3B3C2D2；對(duì)于5 ℃延度而言，最優(yōu)水平組合為A2B1C3D3；對(duì)于彈性恢復(fù)而言，最優(yōu)水平組合為A3B3C2D3；對(duì)于180 ℃黏度而言，最優(yōu)水平組合為A1B1C3D1。本文將軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)及 180 ℃ 黏度作為主要參考指標(biāo)，得到最優(yōu)組合為A3B3C2D3，即廢舊橡膠粉摻量為25%，廢舊塑料摻量為4%，環(huán)氧大豆油摻量為2%，剪切時(shí)間為1.5 h。

2.3 環(huán)氧大豆油及芳烴油增容效果評(píng)價(jià)

2.3.1 基本性能 按照正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及商用芳烴油推薦的制備工藝，分別制備了摻加環(huán)氧大豆油及芳烴油的橡塑改性瀝青，其基本性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 改性瀝青性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 10 Result of performance test of modified asphalt

由表10可知，兩種相容劑的摻入均不同程度地改善橡塑瀝青高低溫性能、感溫性能及彈性恢復(fù)能力，其中以低溫延度提升幅度最大，增幅分別達(dá)到95%及179%。分析原因主要有兩個(gè)：一是相容劑的摻入，改善了改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性，改性劑在瀝青中的溶脹反應(yīng)更充分，對(duì)瀝青性能的改善也更加明顯。二是環(huán)氧大豆油及芳烴油作為油類(lèi)物質(zhì)，摻入瀝青中起到一定的稀釋作用，也會(huì)使延度指標(biāo)得到改善。芳烴油對(duì)于橡塑瀝青低溫延度指標(biāo)的改善優(yōu)于環(huán)氧大豆油，這是因?yàn)榉紵N油的成分與瀝青中的輕質(zhì)組分較為接近導(dǎo)致瀝青黏度下降，延度指標(biāo)提升。另外，摻入環(huán)氧大豆油的改性瀝青高溫性能及感溫性能略優(yōu)于摻入芳烴油的改性瀝青，推測(cè)芳烴油具有較好的降黏效果是造成上述結(jié)果原因。

2.3.2 相容性及高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性

2.3.2.1 離析軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 三種瀝青的離析軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 改性瀝青離析軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 11 Result of segregation softening point of modified asphalt

由表11可知，未添加相容劑的橡塑改性瀝青離析軟化點(diǎn)差值達(dá)3.9 ℃，不滿足規(guī)范要求的≤2.5 ℃。相容劑的摻入，大幅度降低了橡塑改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差值，使改性瀝青的相容性得到明顯改善。添加了兩種相容劑的改性瀝青離析軟化點(diǎn)差值僅相差0.2，二者增容效果相近，而芳烴油較好的降黏效果是導(dǎo)致其軟化點(diǎn)差值略高的原因。

2.3.2.2 熒光顯微鏡實(shí)驗(yàn) 通過(guò)熒光顯微鏡觀察改性劑在基質(zhì)瀝青中的分散情況，以此判斷改性瀝青相容性的好壞。三種改性瀝青的熒光顯微鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，放大倍數(shù)均為200倍。

圖2 三種改性瀝青熒光顯微鏡圖(×200)Fig.2 Fluorescent view of three modified asphalt a.未添加相容劑；b.添加環(huán)氧大豆油；c.添加芳烴油

由圖2可知，同未添加相容劑的橡塑改性瀝青相比，環(huán)氧大豆油及芳烴油的摻入，使瀝青中改性劑的顆粒明顯減小，在瀝青中分散也更均勻，無(wú)聚集成團(tuán)現(xiàn)象，表明相容劑的摻入，使橡塑改性瀝青相容性得到明顯改善。另外，添加了芳烴油及環(huán)氧大豆油的改性瀝青改性劑顆粒大小相近，其中芳烴油的分散性更好，也進(jìn)一步驗(yàn)證了上文的推斷。

3 結(jié)論

(1)環(huán)氧大豆油的摻入有效地改善了橡塑瀝青的相容性及高溫穩(wěn)定性，當(dāng)摻量為4%時(shí)其離析軟化點(diǎn)差值相較未添加環(huán)氧大豆油的橡塑改性瀝青降低了3.4 ℃，且在不影響其高溫性能的同時(shí)，大大提升了橡塑改性瀝青的低溫延度。

(2)廢舊橡塑改性瀝青的最佳制備工藝為：橡膠粉摻量25%，塑料摻量4%，環(huán)氧大豆油摻量2%，剪切時(shí)間1.5 h，剪切溫度175 ℃。

(3)兩種相容劑增容橡塑改性瀝青的效果相近，其中芳烴油對(duì)于改性瀝青低溫性能的提升更為明顯。但由于環(huán)氧大豆油成本更低，也更加環(huán)保，因此，推薦使用環(huán)氧大豆油代替芳烴油作為橡塑改性瀝青的增容劑。