原料对胶粉沥青储存稳定性的研究*

李国峰，曹敏娜，陈　梅

(1 新疆应用职业技术学院石油与化学工程系，新疆奎屯 833200；2 新疆大学石油天然气精细化工教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)



原料对胶粉沥青储存稳定性的研究*

李国峰1，曹敏娜2，陈梅1

(1 新疆应用职业技术学院石油与化学工程系，新疆奎屯 833200；2 新疆大学石油天然气精细化工教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)

以克拉玛依石化AH-110沥青和塔河石化 AH-110 沥青作为沥青原料，以湖北合得利橡胶粉有限公司和天津天元亨橡胶制品厂的两种废橡胶粉作为改性剂，研究原料对改性沥青储存稳定性能的影响。结果表明：不同的原料会对改性沥青的性能产生一定的影响，胶粉改性沥青性能除了与沥青轻组分量有重要关系外，还与胶质和沥青质的量有一定的关系。

基质沥青，废橡胶粉，改性，储存稳定性

我国的高速公路大部分都采用沥青路面，然而，随着交通的迅速发张，车辆的负载量日益加剧，使得高速公路受到不同程度的破坏[1-3]；此外，新疆的气候非常恶劣，昼夜温差非常大，使得新疆的沥青路面面临很大的挑战。

经研究表明，采用废橡胶粉来改性沥青，可以有效地改善沥青的路用性能，在一定程度上改善沥青的软化点、针入度和延度，提高沥青路面的抗高低温能力和车辙能力[4-6]。

然而，废橡胶粉改性后的沥青其储存稳定性能很差，存在离析的现象，因此降低了废橡胶粉沥青的路用性能，并且给胶粉沥青的储存、运输和施工带来了很大的问题。据相关文献报道[7-11]，其原因可能为：胶粉与沥青的相对分子质量相差很大，同时，二者的分子结构也有差异，在热力学上属于不相容体系。从热力学的角度和原理来分析，废胶粉属于聚合物，它与沥青成分是不相容的，属于热力学不稳定体系。从而胶粉作为分散相在分散介质沥青中存在着自动凝聚、离析和分层的能力。

本文主要针对胶粉改性沥青的储存稳定性能很差的原因入手，分别采用不同的原料(废橡胶粉和沥青)进行胶粉改性沥青实验，研究胶粉沥青的稳定性能的影响因素，并分析其机理。

1　实验部分

1.1主要原料及设备

表1　实验原料及设备一览表

1.2试样制备

准备好两个不同厂家的废橡胶粉(40 目)，两个不同公司的沥青(AH-110)按相应的比例称量，进行沥青改性实验。具体制备步骤如图1所示。

图1　橡胶粉改性沥青制备流程图

1.3沥青储存稳定性能测试

聚合物改性沥青离析试验是聚合物改性沥青的储存稳定性能常规的评价方法，是目前国内外评价聚合物改性沥青储存稳定性经常使用的方法。

本文采用常规的离析试验来评价胶粉改性沥青的热储存稳定性，离析软化点差的大小反映改性沥青的热储存稳定程度。

2　结果与讨论

2.1基质沥青四组分对改性沥青性能的影响

两种基质沥青的四组分分析结果，如表2所示。

表2　两种沥青的四组分分析结果

从表2可以看出，不同厂家的两种沥青的四组分有所不同，但两者的轻组分含量差别较小，因此，废橡胶粉改性沥青时胶粉吸收轻组分发生的溶胀相当。两种沥青的差别主要体现在胶质和沥青质的含量方面，塔河石化沥青的沥青质远远高于克拉玛依石化沥青的沥青质。

2.2基质沥青红外光谱分析

为了对比来自克拉玛依石化和塔河石化这两种基质沥青的差异，用红外光谱试验手段分析沥青的分子结构及官能团的差异(见图2)。

从图2克拉玛依石化和塔河石化基质沥青的红外光谱图可以看出，两种沥青的图谱基本相同。

在 2800cm-1～3000cm-1处沥青的红外光谱出现了两个较强的吸收峰。波谱为2924.04cm-1处的吸收峰是亚甲基-CH2-吸收振动的结果；波谱为2854.29cm-1处的吸收峰是烷烃和环烷烃C-H的振动。

图2　两种不同基质沥青的红外光谱图

在1000cm-1～1700cm-1处沥青的红外光谱出现了几个较强的吸收峰。波谱1601.66cm-1左右的吸收峰是由于苯环的共轭双键C=C骨架振动引起的。波谱1459.79cm-1处的吸收峰是亚甲基-CH2-面内弯曲振动的结果。波谱1376.45cm-1处的吸收峰是-CH3中的C-H弯曲振动的结果。

从图中可以看出，这两种基质沥青的红外光谱图差异体现在指纹区中650cm-1～910cm-1，该区域又称为苯环取代区，在指纹区域内会反映苯环的不同取代位置。此外，在这个区域出现的峰都是苯环上C-H在面外摇摆振动的结果。

由红外光谱计算沥青芳香度计算公式：

知克拉玛依石化基质沥青的芳香度为fA=0.447，塔河石化基质沥青的芳香度为fA=0.570，克拉玛依石化基质沥青的芳香度低于塔河化基质沥青。

2.3不同基质沥青的改性试验结果

考虑到胶粉掺量大会使塔河石化沥青改性后的粘度大，而不利于改性沥青的制备，因此本实验掺加15%的胶粉来改性沥青，以对比两种基质沥青对胶粉改性沥青的储存稳定性能的影响。

在保证胶粉、活化剂、稳定剂用量相同和工艺条件(溶胀时间、剪切温度、剪切时间、剪切速率)相同的条件下，分别以克拉玛依石化沥青和塔河石化沥青为原料来进行胶粉改性沥青试验，改性沥青的软化点和离析试验结果如图3所示。

A—克拉玛依石化沥青改性后的橡胶沥青B—塔河石化沥青改性后的橡胶沥青

由图3可知，塔河石化沥青改性后的软化点远远高于克拉玛依石化沥青改性后的软化点，知塔河石化沥青改性后的粘度远高于克拉玛依石化沥青改性后的粘度，塔河石化沥青改性后的高温性能更好；然而，塔河石化沥青改性后的离析软化点差明显的低于克拉玛依石化沥青改性后的离析软化点差，其值为 0.3℃<2.5℃合格，说明高温储存稳定性较好。上述试验结果足以表明塔河石化沥青比克拉玛依石化沥青容易改性，就储存稳定性能而言可以制备出合格的产品；基质沥青的来源对改性后沥青的性能有决定性的作用，改性沥青性能除与基质沥青的轻组分量有关外，还与沥青质和胶质的量有重要的关系，沥青四组分之间含量的组成对沥青的改性的难易程度有重要的影响。四组分对改性沥青的影响规律有待于进一步研究。

2.4胶粉类型对改性沥青储存稳定性的影响

根据国外研究成果橡胶粉的性质是影响橡胶沥青性能的一个关键因素，橡胶粉的性质主要取决于橡胶粉的物理性能和化学成分。来源不同的橡胶粉的物理指标和化学指标也不一样。本试验对比了两个厂家的废橡胶粉，其中1#废橡胶粉源于湖北合得利橡胶粉有限公司，2#废橡胶粉源于天津天元亨橡胶制品厂。

我国路用硫化废橡胶粉的化学指标与实验室所用的胶粉技术指标检测结果，见表3所示。

表3　橡胶粉技术指标

在胶粉、活化剂、稳定剂用量相同和工艺条件(溶胀时间、剪切温度、剪切时间和剪切速率)相同的条件下，分别以 1#废橡胶粉和 2#废橡胶粉为原料来改性克拉玛依石化沥青，改性沥青的软化点试验和离析试验结果见图4所示。

A—1#胶粉改性沥青　B—2#胶粉改性沥青

由图4可知，1#胶粉改性沥青的软化点略低于 2#胶粉改性沥青的软化点，说明 2#胶粉在提高改性沥青高温性能方面优于1#胶粉。同时，1#胶粉改性沥青的离析软化点差也略低于2#胶粉改性沥青，这一现象说明1#胶粉在改善改性沥青储存稳定性能方面略优于 2#胶粉。这表明橡胶粉的基本性质对改性沥青的性能有一定的影响，1#胶粉和沥青的相互作用优于 2#胶粉。

对比两种胶粉技术指标可以看出，这两种胶粉的差别主要体现在天然橡胶含量、丙酮抽出物和橡胶烃含量方面。Li Xiang[12]曾指出，丙酮抽出物的含量越高，在橡胶粉中树脂类的含量越高。把这类胶粉添加到沥青中，脂肪酸在热能和机械作用下渗透到基质沥青中，而在基质沥青中的饱和分和芳香分也能包裹和吸收胶粉中的大分子。通过胶粉和基质沥青组分相互浸润可达到好的溶胀和相容性，从而改善了胶粉改性沥青的高温储存稳定性能。此外，橡胶烃含量越高，越有利于胶粉改性沥青的性能，从以上的分析可知，1#胶粉与沥青的相互作用略强于2#胶粉。

3　结论

本文主要从原料基质沥青和胶粉的种类两个方面着手，通过测定不同原料制备的橡胶沥青性能的差异，探讨了不同来源的基质沥青和胶粉对改性沥青性能的影响，得到如下结论：

(1)塔河石化沥青比克拉玛依石化沥青容易改性，胶粉改性沥青性能除了与沥青轻组分量有重要关系外，还与胶质和沥青质的量有一定的关系。

(2)胶粉的性质对改性沥青的性能有重要的影响，胶粉中丙酮抽出物含量、 天然橡胶含量、橡胶烃含量越高，越有利于橡胶-沥青的相互作用，对改性沥青的高温储存稳定性能有所改善。

(3)就原料基质沥青和胶粉对改性沥青性能影响程度而言，基质沥青的作用远远高于胶粉，对沥青改性后的性能起决定性作用。因此，在橡胶粉改性沥青选取原料方面，对基质沥青的选择非常重要，直接影响着改性沥青的性能。

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The Study of Raw Materials for Storage Stability of Crumb Rubber Asphalt

LI Guo-feng1，CAO Min-na2，CHEN Mei1

(1 Department of Petro and Chemical Engineering，Xinjiang Career Technical College，Kuitun 833200，Xinjiang，China；2 Key Laboratory of Oil &Gas Fine Chemicals，Ministry of Education，Xinjiang University，Urumqi 830046，Xinjiang，China)

In this paper，the AH-110 asphalt which were from Karamay and Tahe factories were used as raw materials，the crumb rubber produed in Hubei deli and Tianjin Yuanheng factoryies were used as modifiers，researching on the effects of storage stability of modified bitumen from raw materials. The results showed that：the different materials have some effects on the performances of modified asphalt，the modified asphalt performance not only has an important relationship with the asphalt light group，but also have a certain relationship with the amount of resin and asphaltenes.

asphalt，crumb rubber，modify，storage stability

新疆应用职业技术学院科研启动基金项目，项目号：XYZY2015YJ001

曹敏娜，硕士研究生，工业催化；E-mail：1312588441@qq.com

TU 535