不同生产工艺参数对橡胶沥青性能的影响

李海东

摘要：为改善橡胶沥青性能，本论述从橡胶沥青生产工艺参数出发，通过选取不同的生产工艺参数，系统研究不同工艺参数对橡胶沥青性能的影响，同时测试了不同工艺参数下橡胶沥青中胶粉溶解率，探究了胶粉溶解率对橡胶沥青粘度、车辙因子和存储稳定性的影响，并基于 TOPSIS 评价方法，对不同工艺参数下橡胶沥青的性能进行综合评价。结果表明：胶粉溶解率与橡胶沥青各项性能都有一定的相关性;在较低生产温度下，橡胶沥青制备时应选用较长的反应时间和较高的搅拌速率，且橡胶沥青的制备温度不宜过高。

关键词：橡胶沥青;工艺参数;性能;灰关联

中图分类号：U24                                             文獻标志码：A

0 引言

随着我国经济的快速增长，每年有大量汽车报废，导致每年产生数以万计的废旧轮胎，且每年废旧轮胎以 8%～ 10%的速度极速增长。2020年，我国废旧轮胎产量已超过2000万 t，如此巨大的固体“黑色污染物”对生态环境将会造成严重危害[1 ]。而目前我国对废旧轮胎的再利用率不足，故废旧轮胎的再利用已成为近年来的研究热点。

大量研究表明，将废旧轮胎磨成胶粉，通过湿法或干法应用于沥青路面建设，不仅可以回收利用废旧轮胎固体废弃物，减少对环境的污染，而且可以显著提高沥青路面的各项路用性能，具有较大的应用潜力[2 ]。目前国内外针对橡胶沥青路面进行了大量研究，同时橡胶沥青已成为沥青路面建设的重要材料之一。但在橡胶沥青使用过程中发现，橡胶沥青存在高温稳定性较差、容易发生离析等问题，而这一直是制约橡胶沥青使用的主要技术瓶颈[3]。经研究表明：橡胶沥青的生产工艺参数对其储存稳定性和路用性能有至关重要的作用[4]。

目前主要通过采用填加稳定剂和其它改性剂的方式来提高橡胶沥青的性能[5，6]，而基于其工艺参数对其性能的影响研究较少。为此，本研究通过设置不同的工艺参数，研究不同工艺参数下橡胶沥青高温性能和储存稳定性的变化，并采用 TOPSIS 分析方法，探究工艺参数对各项性能指标的影响程度大小，从而为橡胶沥青的制备和使用提供一定参考。

1 原材料及试验方法

1.1 沥青

沥青采用 SK 90#基质沥青，其主要技术指标见表1 所列，且各项技术指标满足规范要求。胶粉为40目废旧轮胎橡胶粉（通过40目胶粉筛），其主要物理和化学指标见表2 所列。

1.2 橡胶沥青制备

本试验设置了不同的橡胶沥青制备工艺参数，其中温度分别为160℃、190℃和220℃，搅拌时间为60min、120 min、240 min 和480 min，搅拌速率分别为10 Hz、30 Hz 和50 Hz 。橡胶沥青的主要制备流程为：首先将基质沥青在烘箱（150℃）恒温加热1 h，然后将熔融的沥青倒入专门的橡胶沥青反应罐600 g，再将反应罐放置于恒温磁力搅拌器中加热至规定温度（如180℃），同时缓慢加入胶粉，并慢速搅拌10 min，然后将搅拌器速率调至规定的搅拌速率搅拌一定时间，待橡胶沥青制备完成后倒入专门的存放铝盒进行封闭储存，以备待测。橡胶沥青的制备如图1 所示。

1.3 主要试验方法

1.3.1   橡胶粉溶解率测试

取橡胶沥青20 g，采用三氯乙烯浸泡10 min，然后将浸泡溶液过80目筛，滤出橡胶沥青中的橡胶粉，再用三氯乙烯冲洗几遍，直至完全冲洗干净，在60℃烘箱中烘干至恒重并称重，胶粉的溶解率ω计算如式（1 ），其中 m 为橡胶沥青中胶粉的实际质量，m0为清洗后胶粉的质量：

1.3.2  流变性能测试

采用布氏旋转粘度和动态剪切流变仪（DSR）对橡胶沥青的高温流变性能进行测试，其中粘度测试温度为 180℃，采用27#转子，转速为20 r/min 。采用 DSR 对64℃的车辙因子 G*/sinδ进行测试，测试时采用应变控制模式，应变为12%，角频率为10 rad/s。

1.3.3  存储稳定性测试

采用改性沥青的离析试验方法对橡胶沥青的储存稳定性进行研究，在直径为25 mm、长为140 mm 的铝管中倒入热沥青50 g，并放置在163±5℃的烘箱中保温48 h，然后取出铝管并冷却，测试上下1/3部位橡胶沥青的复数模量，并按式（2）计算其储存稳定性指标，其中SI 值越大，表明上下车辙因子差值越大，橡胶沥青的离析就越大，SI 值越低，橡胶沥青的储存稳定性也就越好。

2 试验结果及分析

2.1 胶粉溶解率对橡胶沥青性能的影响

针对不同工艺参数的橡胶沥青各项性能进行测试，其结果见表3 所列。从表3 可以看出，胶粉的各工艺参数对橡胶沥青的性能产生较大影响，不同工艺参数组合下，橡胶沥青的性能产生较大变化。

大量研究表明，胶粉颗粒在沥青中主要发生物理溶胀反应，同时伴随着部分胶粉颗粒的溶解，因此，胶粉的溶解对沥青性能的影响起到至关重要的作用。为研究胶粉溶解率对橡胶沥青性能的影响，采用线性拟合的方式，针对表3 中胶粉溶解率和橡胶沥青各项性能的关系进行拟合，其结果如图2～4所示。

图2 所示为胶粉溶解率与橡胶沥青粘度的关系。从图2 中可以看出：胶粉溶解率与沥青粘度具有一定相关性，胶粉溶解率与粘度的关系主要受制备温度的影响，当温度较低（≤190℃）、胶粉掺量相同时，胶粉溶解率与橡胶沥青粘度具有良好的线性关系（R2=0.84），粘随溶解率的增加而逐渐增大，表明此时胶粉溶解率越高，其性能越好;而当温度较高时（220℃），橡胶沥青粘度随溶解率的增大而逐渐降低，其相关系数为 R2=0.71，此时胶粉的溶解对橡胶沥青的粘度起到不利影响。6CB323FD-18BB-40C8-A2EE-1EFF9744A4E3

因此，温度是影响橡胶沥青性能的主要因素，在橡胶沥青制备时，生产温度较低时应选取较长的反应时间和较高的搅拌速率，以使胶粉的溶解率提高。而当采用较高温度（220℃）制备橡胶沥青时，应选较短的反应时间和较低的搅拌速率，以降低对胶粉的溶解，保证橡胶沥青性能。

图3 所示为胶粉溶解率与橡胶沥青车辙因子的相关性。从图3 中可以看出：胶粉的溶解率与车辙因子具有一定的相关性，其相关系数为0.65，整体上胶粉的溶解对车辙因子有一定不利影响，其原因有可能是胶粉的溶解率越高，导致胶粉的溶胀反应减弱，使得胶粉对沥青中轻质组分的吸收量减少;但整体上，随着溶解率的增大，车辙因子的变化幅度不大，表明溶解率对车辙因子的影响较小。

图4 所示为胶粉溶解率与橡胶沥青储存稳定性指标的相关性。从图4 中可以看出：胶粉的溶解率与 SI 指标也具有一定的相关性，随着胶粉溶解率的增大，SI值越小，橡胶沥青的储存稳定性也就越好，其原因可能是随着胶粉的部分溶解，橡胶沥青内部可形成交联的三维网状结构，从而在高温条件下，其稳定性较好;因此，为保证橡胶沥青的储存稳定性能，应在一定程度上保证胶粉颗粒的溶解率。

2.2 基于TOPSI S法的橡胶沥青工艺参数评价

Topsis法的基本思想是：针对评价指标的原始数据矩阵，通过矩阵归一化处理，得到有限方案中的最优方案和最劣方案，然后分别计算各评价对象与最优方案和最劣方案的距离，获得各评价对象与最优方案的相对接近程度，然后进行排序，以此距离作为评价优劣的依据[4]。

对橡胶沥青生产工艺参数进行优选，主要评价指标包括车辙因子、粘度和 SI，各个指标的测试结果见表3 所列。对表3 的数据进行归一化处理，得到表4 所列的规范矩阵。

经处理，得到矩阵的最优和最劣向量分别为：

分别求得各方案到理想点的相对接近度，结果见表 5所列。

由表3可以看出，基于多指标优化评价，最终得到各工艺参数下橡胶沥青性能的综合排序，其中排名第一为 N8，这是由于胶粉含量较高（15%），在较低温度下（≤190℃），胶粉掺量是影响沥青性能的最主要因素;排名第二为 N9，由前述分析可知，在较低温度下，为获得性能良好的橡胶沥青，改性沥青应选用较高的搅拌速率、较长的拌和时间;N14、N11和 N16分别排名第三、第四和第五，此时制备温度为220℃，胶粉掺量对橡胶沥青性能影响较小，在此温度下，较长的搅拌时间和较高的速率可提高胶粉的溶解，从而改善其存储稳定性，但此温度下，橡胶沥青容易老化，且如此高的温度能耗较大，经济性较差。

3 结论

（1）橡胶沥青中胶粉会产生一定溶解，胶粉的溶解对橡胶沥青的粘度产生一定影响，在较低生产温度下，胶粉的溶解率越高，其粘度越大;而在较高生产温度下，胶粉的溶解对橡胶沥青性能产生一定不利影响。

（2）胶粉的溶解对橡胶沥青车辙因子和存储稳定性也产生一定影响。整体上，随着胶粉溶解率的增大，橡胶沥青的车辙因子略有降低，但降低程度不大;而胶粉溶解率越大，橡胶沥青的存储稳定性越好。

（3）TOPSIS分析结果表明，在较低生产温度下，胶粉掺量是影响橡胶沥青性能的最主要因素，为保证橡胶沥青性能，应选用较长的制备时间和较高的搅拌速率;较高温度下，胶粉掺量对橡胶沥青的影响程度降低，严格控制反应速率和反应时间同样可制备性能良好的橡胶沥青，但其生产温度较高，能耗大，经济性较差。

参考文獻：

[1]  张健，季正军，李彬，等. 橡胶沥青在道路工程中的应用综述[J].公路交通科技（应用技术版），2019（6）：21-23.

[2]  刘斌，胡省. 废橡胶粉/SBS复合改性沥青技术性能研究[J].公路工程，2019（6）：257-260.

[3]  公晋芳，闫超超. 橡塑复合改性沥青及其混合料性能研究[J]. 新型建筑材料，2019（12）：85-89，104.

[4]  杨小龙，李波，李晓辉. 基于Topsis法的水泥混凝土路面纹理优选[J]. 公路，2014（11）：27-30.

[5]  李鸿轲. 环烷油温拌橡胶沥青路用性能研究[J]. 中外公路，2019（3）：270-274.

[6]  任世峰. SBS/脱硫橡胶复合改性沥青路用性能研究[J]. 北方交通，2019（11）：71-73，78.6CB323FD-18BB-40C8-A2EE-1EFF9744A4E3