預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青路用最佳制備工藝參數(shù)探討

鄒剛

摘要 文章采用四因素四水平正交試驗法研究剪切溫度、剪切時間、SBS摻量、穩(wěn)定劑摻量對預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響。運用極差分析法確定最佳制備工藝參數(shù)，評價最佳制備工藝參數(shù)下的預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青性能，結(jié)果表明該復(fù)合改性瀝青具有優(yōu)異的路用性能。

關(guān)鍵詞 公路工程項目；預(yù)處理廢膠粉；改性瀝青；制備工藝

中圖分類號 U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0087-03

0 引言

SBS改性瀝青屬于熱塑性彈性體，能提高瀝青的韌性和彈性，但成本高，易老化分層。廢膠粉是一種基于廢舊輪胎的再生資源，能改善瀝青的耐久性和抗裂性能，但活性低，與瀝青相溶性差、易離析、難儲存。為克服各自缺點，同時發(fā)揮優(yōu)勢，該文采用預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青作為膠結(jié)料。預(yù)處理廢膠粉通過在廢膠粉中添加助劑獲得，具有更高的活性和相容性，相應(yīng)的制備工藝存在差異。該文通過正交試驗探討預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青最佳制備工藝參數(shù)，評價其路用性能。

1 預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青技術(shù)的發(fā)展

廢膠粉是利用廢舊輪胎經(jīng)過機械破碎、磨粉等工藝制成的一種再生資源，其主要成分為橡膠。廢膠粉具有低成本、環(huán)保、資源節(jié)約等優(yōu)點，能夠提高瀝青的耐久性和抗裂性能，延長瀝青路面的使用壽命。但由于廢膠粉經(jīng)過硫化處理，其表面具有穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，活性較低，與瀝青的相溶性較差，容易造成離析、儲存穩(wěn)定性差等問題。因此，如何提高廢膠粉與瀝青的相容性是廢膠粉改性瀝青技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者針對廢膠粉，通過物理法、化學(xué)法和生物法等不同方式的預(yù)處理，以提高其活性。物理法是通過機械力、電磁場、超聲波等手段改變廢膠粉表面結(jié)構(gòu)，增加其活性基團[1]?；瘜W(xué)法是通過酸堿、氧化劑、還原劑等化學(xué)試劑處理廢膠粉表面，使其表面斷裂或脫硫，降低其交聯(lián)密度。生物法是通過微生物或酶等生物催化劑對廢膠粉進行生物降解，使其表面產(chǎn)生裂紋或孔隙，提高其親水性。預(yù)處理后的廢膠粉與瀝青相溶性得到改善，但仍存在一定的離析現(xiàn)象。為進一步提高廢膠粉改性瀝青的儲存穩(wěn)定性可采用復(fù)合改性技術(shù)，即在瀝青中同時添加廢膠粉和其他改性劑。常用的復(fù)合改性劑有SBS、聚合物、硫黃穩(wěn)定劑等。復(fù)合改性技術(shù)能夠使不同改性劑之間發(fā)生協(xié)同作用或交聯(lián)作用，提高瀝青分子間的相互作用力，增強瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫韌性[2]。

該文采用不同的預(yù)處理方法，改變廢膠粉組分和結(jié)構(gòu)，研究預(yù)處理廢膠粉改性瀝青性能制備工藝，以降低瀝青黏度，增強儲存穩(wěn)定性和低溫疲勞特性，為道路工程中的應(yīng)用提供參考。

2 試驗材料

試驗采用四因素四水平正交試驗設(shè)計，探討剪切溫度、剪切時間、SBS摻量、穩(wěn)定劑摻量對預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響。基質(zhì)瀝青選用雙龍70#A級基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。SBS選用星型SBS，含量30%。穩(wěn)定劑為硫黃穩(wěn)定劑，含量10%。廢膠粉為預(yù)處理廢膠粉，粒徑40目。運用極差分析法分析正交試驗結(jié)果，確定最佳制備工藝參數(shù)[3]。

3 制備工藝探討

按照順序依次添加基質(zhì)瀝青、SBS、預(yù)處理廢膠粉、穩(wěn)定劑，再進行高溫剪切得到預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青試樣。剪切溫度和剪切時間決定了廢膠粉溶脹分散效果，進而影響瀝青的高溫性能、儲存穩(wěn)定性。SBS摻量會影響瀝青的膠體結(jié)構(gòu)、彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而影響瀝青的彈性、塑性和延展性。穩(wěn)定劑摻量會影響瀝青的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，進而影響瀝青的堅韌性。試驗采用正交試驗法，確定最佳制備工藝參數(shù)，客觀評價改性瀝青性能[4-5]。

由于預(yù)處理廢膠粉具有較高活性，試驗采用較高摻量，即瀝青質(zhì)量的31.5%。為使膠粉顆粒充分溶脹分散，采用較高剪切速率，即4 500 r/min。制備工藝如下：加熱基質(zhì)瀝青至170～180 ℃→摻入SBS→剪切5 min→摻入預(yù)處理廢膠粉→攪拌均勻→高溫下剪切一定時間→摻入穩(wěn)定劑→剪切3 min，得到預(yù)處理膠粉復(fù)合改性瀝青[6]。

根據(jù)四因素四水平正交試驗設(shè)計探討剪切溫度（A）、剪切時間（B）、SBS摻量（C）、穩(wěn)定劑摻量（D）與預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青性能之間的關(guān)系。根據(jù)正交表確定16組工藝方案，每組方案因素水平不同，其他條件不變。按照制備工藝制備16組預(yù)處理廢膠粉復(fù)合改性瀝青，測試瀝青三大指標(biāo)（針入度、軟化點和延度）、彈性恢復(fù)、180 ℃布氏黏度、離析率等[7-8]。測試結(jié)果如表2所示。

為確定最佳制備工藝參數(shù)，運用價差分析法分析測試結(jié)果，計算各因素的極差、極差比，分析各因素對改性瀝青性能的影響規(guī)律。極差分析結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3，可以得出以下結(jié)論：

（1）關(guān)于針入度，剪切溫度的影響最大，其次是SBS摻量，剪切時間和穩(wěn)定劑摻量的影響較小。針入度反映了瀝青的硬度和稠度，過高或過低都不利于瀝青混合料的包裹和施工。針入度隨著剪切溫度的升高和SBS摻量的增加而降低，說明瀝青的硬度增加，稠度增大。最佳水平組合為A1/A2B3/B4C1/C2D1/D4，即剪切溫度160 ℃/170 ℃，剪切時間30 min/35 min，SBS摻量0.5%/1%，穩(wěn)定劑摻量0.2%/0.5%。

（2）關(guān)于軟化點，SBS摻量的影響最大，其次是剪切溫度，剪切時間和穩(wěn)定劑摻量的影響較小。軟化點反映了瀝青的高溫性能，越高越好。軟化點隨著SBS摻量的增加和剪切溫度的升高而增加，說明瀝青的高溫穩(wěn)定性提高。最佳水平組合為A1B2C4D4，即剪切溫度160 ℃，剪切時間25 min，SBS摻量2%，穩(wěn)定劑摻量0.5%。

（3）關(guān)于5 ℃延度，剪切溫度是影響最大的因素，其次是穩(wěn)定劑摻量，SBS摻量和剪切時間的影響較小。5 ℃延度反映了瀝青的低溫性能和韌性，越高越好。最佳水平組合為A4B4C4D3，即剪切溫度190 ℃，剪切時間35 min，SBS摻量2%，穩(wěn)定劑摻量0.4%。

（4）關(guān)于瀝青布氏黏度，剪切溫度是影響最大的因素，其次是SBS摻量，穩(wěn)定劑摻量和剪切時間的影響較小。瀝青布氏黏度反映了瀝青的黏性和抗變形能力，適當(dāng)增加有利于提高瀝青的抗疲勞能力和彈性恢復(fù)能力。但黏度過大不利于路面混合料施工和壓實。布氏黏度隨著剪切溫度的升高和SBS摻量的增加而增加，說明瀝青的黏性增加[9]。最佳水平組合為A1/A3B1/B3C1/C4D2/D4，即剪切溫度160 ℃/180 ℃，剪切時間20 min/30 min，SBS摻量0.5%/2%，穩(wěn)定劑摻量0.3%/0.5%。

（5）關(guān)于瀝青離析，穩(wěn)定劑摻量是影響最大的因素，其次是SBS摻量，剪切溫度和剪切時間的影響較小。瀝青離析反映了瀝青的儲存穩(wěn)定性和均質(zhì)性，越小越好。瀝青離析隨著穩(wěn)定劑摻量的增加和SBS摻量的減少而降低，說明瀝青的儲存穩(wěn)定性提高[10]。最佳水平組合為A2B4C1D4，即剪切溫度170 ℃，剪切時間35 min，SBS摻量0.5%，穩(wěn)定劑摻量0.5%。

通過對五個指標(biāo)的最佳水平組合及各因素與各性能指標(biāo)之間的關(guān)系分析，確定最佳制備工藝組合為A2、B2、C4、D3，即剪切溫度170 ℃，剪切時間25 min，SBS摻量2%，穩(wěn)定劑摻量0.4%。最佳制備工藝流程如圖1所示。

4 結(jié)論

綜上所述，該文采用四因素、四水平正交試驗方案，探討了剪切溫度、剪切時間、SBS摻量和穩(wěn)定劑摻量對預(yù)處理廢膠粉改性瀝青性能的影響。運用極差分析法確定了最佳制備工藝參數(shù)為剪切溫度170 ℃，剪切時間25 min，SBS摻量2%，穩(wěn)定劑摻量0.4%，可為預(yù)處理廢膠粉改性瀝青的實踐應(yīng)用提供參考。

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