废胎胶粉与HDPE/SBS三掺复合改性沥青性能研究

2018-04-13耿九光陈华鑫

郑州大学学报(工学版) 2018年2期

何　锐，黄　鑫，耿九光，陈华鑫

(1.甘肃省道面工程技术研究中心，甘肃兰州 730030； 2.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061)

0　引言

随着我国公路行业的发展和汽车数量的急剧增加，对路面性能的要求也越来越高，同时废旧轮胎的处理问题越来越严重.据统计，我国2014年前半年已产生超过1 000万吨废旧轮胎[1].采用废胎胶粉制备改性沥青不仅可以提高沥青路面的抗车辙和抗疲劳等性能[2-3]，还可以缓解废旧轮胎对环境的污染[4]，减少噪声并提高抗滑性[5-6].废胎胶粉由于热稳定性差而难以储存[7-8]，其来源广泛更是导致改性结果参差不齐[9].为了在不降低路面性能的基础上节约成本，很多学者对PE/SBS复合改性沥青混合料进行研究后发现，PE和SBS复合改性可以较大地提高其高温性能、力学性能和抗水损害能力，但低温性能和抗疲劳性能有所降低[10].废胎胶粉和PE复合改性沥青具有很高的储存稳定性[11].而SBS和废胶粉复合改性沥青的温度敏感性低，具有良好的低温抗裂性，提高了抗裂、抗车辙性能[12].

3种不同的改性剂虽然经过两两复掺可以改善沥青的部分性能，但仍然存在上述的一些缺陷.因此，为了达到既改善沥青性能又节约成本保护环境的目的，本试验在前人研究的基础上尝试采用HDPE、SBS、废胎胶粉三掺复合改性的方式，以正交试验制备复合改性沥青，通过方差分析和极差分析考察工艺参数和改性剂掺量对改性沥青性能的影响规律，并得到较优的制备方案，对进一步研究和应用具有积极意义.

1　试验部分

1.1　原材料

基质沥青：本研究采用韩国SK-90#沥青作为基质沥青，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测定针入度、软化点和延度，主要技术指标如表1所示.

SBS：本研究采用YH-1310热塑性丁苯橡胶SBS.

废旧胶粉：本研究采用粒径为180 μm的废旧胶粉，由子午线轮胎采用常温粉碎法制备而成.

表1　SK-90#沥青指标

HDPE：本研究采用大庆石化出产的高密度聚乙烯HDPE，物理性能如表2所示.

表2　高密度聚乙烯HDPE的物理性能

1.2　试验方案

HDPE/SBS/废胎胶粉复合改性沥青由3种改性剂与基质沥青混合改性而成，在选择改性工艺时，应兼顾3种改性剂单一改性基质沥青的制备方法.考虑到胶粉改性沥青的“干法”和“湿法”改性方法，PE改性沥青的直剪共混法、高速剪切法和胶体磨法[13-14]以及SBS改性沥青的溶胀、剪切、发育3阶段改性方法[15].综合3类改性方法，结合现有仪器设备，确定改性工艺为溶胀、高速剪切、发育3个步骤[16].拟定改性剂掺量与工艺参数5水平6因素表，如表3所示.

表3　性能影响因素水平表

根据表3的正交因素水平表拟定试验方案，并确定实验步骤如下：保持沥青温度在140 ℃左右以便取用；在140 ℃下加入SBS和HDPE溶胀10 min；在高速剪切时前10 s加入废胎胶粉后按照设定工艺参数进行高速剪切；剪切后放入烘箱中在160 ℃下发育1 h，制得复合改性沥青.

2　试验结果

按照前述试验方案和制备流程进行改性沥青的制备，各个评价指标测试结果整理如表4所示.

表4　指标试验结果表

3　性能指标评价分析

为了确定不同工艺参数和改性剂掺量对改性沥青性能的影响，得到复合改性沥青的较优制备方案，采用方差分析对试验结果进行考察.

3.1　针入度

针入度作为沥青性能三大指标之一，反映了沥青的软硬程度、稠度和黏结力等性能.根据正交试验结果对针入度进行方差分析，并对显著性因素进行极差分析，结果如表5和图1所示.自由度为2且临界值均确定，不再赘述.

由表5和图1可以看出，HDPE掺量是影响复合改性沥青针入度的主要因素.随着HDPE掺量的增加，针入度总体呈现逐渐减小的趋势.这是因为HDPE本身属于弹性体，具有较高的刚性和韧性，因而随着掺量的增加，改性沥青整体的硬度也得到了提高.在HDPE掺量为3.0%和4.5%

表5　针入度方差分析表

图1　针入度随显著因素变化曲线Fig.1　The penetration curve with the significant factor

时，针入度出现基本相同的情况，这可能是受到其它工艺参数的影响导致的.

3.2　软化点

软化点也是沥青性能三大指标之一，反映了沥青的高温稳定性，分析结果如表6和图2所示.

表6　软化点方差分析表

图2　软化点随显著因素变化曲线Fig.2　The softening point curve with the significant factor

由表6和图2可以看出，SBS掺量是影响复合改性沥青软化点的主要影响因素.随着SBS掺量的增加，软化点总体呈现上升的趋势.这是因为SBS作为一种高分子聚合物，其分子链行为可以随着温度变化而变化，当温度升高时，其分子链可以伸长发生流动，当温度降低时，又会交联重新缠绕形成网状结构.因此，SBS的掺量越大，改性沥青的网状结构程度越高，整体的耐高温性能就越好.在SBS掺量为3.0%和4.0%时，软化点出现同针入度一样的特点，可能是由于其他工艺参数导致的.

3.3　延度

延度是反映沥青低温抗裂性的重要指标.分析结果如表7和图3所示.

表7　延度方差分析表

图3　延度随显著因素变化曲线Fig.3　The ductility curves with the significant factors

由表7和图3可以看出,SBS掺量和HDPE掺量分别是影响复合改性沥青延度的主要影响因素和次要影响因素.随着SBS掺量的增加，延度总体上呈增大的趋势.随着HDPE掺量增加，延度出现先增大后减小的趋势，结合HDPE对针入度的影响，复合改性沥青可能因为HDPE掺量的增加逐渐变硬从而失去延性，而SBS分子链本身的线性结构和弹性在低温时起到良好的抗拉作用，从而提高了改性沥青的低温性能.

3.4　旋转黏度

沥青的旋转黏度可以反映沥青在外力作用下抵抗变形的能力.当温度达到150 ℃时，SBS改性

沥青黏度与剪切速率无关[17]，因此试验采用布洛克菲尔德黏度计测定改性沥青在135 ℃下的表观黏度，分析结果如表8和图4所示.

表8　旋转黏度方差分析表

图4　旋转黏度随显著因素变化曲线图Fig.4　The rotational viscosity curves with the significant factors

表8和图4可以看出，改性剂的掺量和剪切温度对复合改性沥青的表观黏度都具有一定的影响，其中SBS掺量影响最大.随着各个改性剂掺量的增加，表观黏度总体上呈增大的趋势.但随着剪切温度的升高，表观黏度呈现不断下降的趋势.这是因为增加外掺剂掺量大大提高了改性沥青整体的稠度，而剪切温度提高则使外掺剂在制备过程中更容易溶解和剪切，从而降低了黏度.

3.5　弹性恢复率

弹性恢复率可以考察沥青内部体系的团聚力，评价其弹性恢复性能，分析结果如表9和图5所示.

表9　弹性恢复率方差分析表

图5　弹性恢复率随显著因素变化曲线Fig.5　The elastic recovery rate curves with the significant factors

由表9和图5可以看出，SBS掺量对复合改性沥青的弹性恢复率影响最大.随着SBS掺量的增加，弹性恢复率不断提高.改性沥青弹性恢复率的提高主要是因为SBS本身线性结构和弹性在拉伸过程中起到了抗拉和恢复作用.

综上所述，HDPE掺量对复合改性沥青的针入度影响最大，HDPE掺量越大，复合改性沥青针入度越低；SBS掺量对复合改性沥青的软化点影响最大，且在试验掺量范围内，掺量越大软化点也越大.以软化点为考察指标时，SBS掺量应为5.0%.SBS和HDPE掺量共同影响复合改性沥青的延度，延度随SBS掺量的增加而增大，随HDPE掺量的增加先增大后减小.以延度为考察指标时，SBS掺量应为5.0%且HDPE掺量应为1.5%.SBS掺量对复合改性沥青的弹性恢复率的影响与软化点相同，掺量也应取5.0%.另外，各改性剂掺量以及剪切温度对旋转黏度有影响，胶粉掺量可取20%，剪切温度可取165 ℃.与改性剂掺量相比，剪切时间对复合改性沥青性能的影响很小，从试验结果来看，剪切时间可取45 min，剪切速率可取4 500 r/min.

在较优制备方案下，HDPE/SBS/废胎胶粉三掺复合改性沥青的整体性能均有所提高，如表10所示.其针入度大约在55左右，软化点在90 ℃左右，具有良好的高温稳定性；同时5 ℃延度不低于20 cm，具有良好的低温抗裂性；旋转黏度在20 Pa·s左右，高温下优秀的抗变形能力使其抗车辙能力、与集料的黏附性以及抗水损害能力大大提高；弹性恢复率高达60%，抗裂性能也得到提高.

表10　较优制备参数条件下复合改性沥青性能表

4　结论

(1)HDPE/SBS/废胎胶粉复合改性沥青制备工艺中各个工艺参数对其性能的影响均不相同，不能单独考虑某一因素或者以一个指标作为衡量标准.

(2)SBS掺量对复合改性沥青的软化点和弹性恢复率影响最大；HDPE掺量对复合改性沥青的针入度影响较大；SBS和HDPE掺量都对复合改性沥青的延度有影响；各改性剂掺量和剪切温度对旋转黏度的影响基本相同.

(3)综上所述，得到较优制备方案为：改性剂HDPE掺量为1.5%，SBS掺量为5.0%，废胎胶粉掺量为20%，剪切温度为165 ℃，剪切速率为4 500 r/min，剪切时间为45 min.此时，改性沥青的高温稳定性、低温抗裂性、抗车辙能力和抗水损害能力得到提高.

(4)各改性剂掺量对复合改性沥青的影响比较大，使得工艺参数对其影响不够明显.下一步可以在最佳掺量的基础上，抛开掺量对各个工艺参数进行研究.

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