预处理废胶粉复合改性沥青路用最佳制备工艺参数探讨

邹刚

摘要 文章采用四因素四水平正交试验法研究剪切温度、剪切时间、SBS掺量、稳定剂掺量对预处理废胶粉复合改性沥青性能的影响。运用极差分析法确定最佳制备工艺参数，评价最佳制备工艺参数下的预处理废胶粉复合改性沥青性能，结果表明该复合改性沥青具有优异的路用性能。

关键词 公路工程项目；预处理废胶粉；改性沥青；制备工艺

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0087-03

0 引言

SBS改性沥青属于热塑性弹性体，能提高沥青的韧性和弹性，但成本高，易老化分层。废胶粉是一种基于废旧轮胎的再生资源，能改善沥青的耐久性和抗裂性能，但活性低，与沥青相溶性差、易离析、难储存。为克服各自缺点，同时发挥优势，该文采用预处理废胶粉复合改性沥青作为胶结料。预处理废胶粉通过在废胶粉中添加助剂获得，具有更高的活性和相容性，相应的制备工艺存在差异。该文通过正交试验探讨预处理废胶粉复合改性沥青最佳制备工艺参数，评价其路用性能。

1 预处理废胶粉复合改性沥青技术的发展

废胶粉是利用废旧轮胎经过机械破碎、磨粉等工艺制成的一种再生资源，其主要成分为橡胶。废胶粉具有低成本、环保、资源节约等优点，能够提高沥青的耐久性和抗裂性能，延长沥青路面的使用寿命。但由于废胶粉经过硫化处理，其表面具有稳定的三維网状结构，活性较低，与沥青的相溶性较差，容易造成离析、储存稳定性差等问题。因此，如何提高废胶粉与沥青的相容性是废胶粉改性沥青技术发展的关键。为解决这一问题，国内外学者针对废胶粉，通过物理法、化学法和生物法等不同方式的预处理，以提高其活性。物理法是通过机械力、电磁场、超声波等手段改变废胶粉表面结构，增加其活性基团[1]。化学法是通过酸碱、氧化剂、还原剂等化学试剂处理废胶粉表面，使其表面断裂或脱硫，降低其交联密度。生物法是通过微生物或酶等生物催化剂对废胶粉进行生物降解，使其表面产生裂纹或孔隙，提高其亲水性。预处理后的废胶粉与沥青相溶性得到改善，但仍存在一定的离析现象。为进一步提高废胶粉改性沥青的储存稳定性可采用复合改性技术，即在沥青中同时添加废胶粉和其他改性剂。常用的复合改性剂有SBS、聚合物、硫黄稳定剂等。复合改性技术能够使不同改性剂之间发生协同作用或交联作用，提高沥青分子间的相互作用力，增强沥青的高温稳定性和低温韧性[2]。

该文采用不同的预处理方法，改变废胶粉组分和结构，研究预处理废胶粉改性沥青性能制备工艺，以降低沥青黏度，增强储存稳定性和低温疲劳特性，为道路工程中的应用提供参考。

2 试验材料

试验采用四因素四水平正交试验设计，探讨剪切温度、剪切时间、SBS掺量、稳定剂掺量对预处理废胶粉复合改性沥青性能的影响。基质沥青选用双龙70#A级基质沥青，其技术指标如表1所示。SBS选用星型SBS，含量30%。稳定剂为硫黄稳定剂，含量10%。废胶粉为预处理废胶粉，粒径40目。运用极差分析法分析正交试验结果，确定最佳制备工艺参数[3]。

3 制备工艺探讨

按照顺序依次添加基质沥青、SBS、预处理废胶粉、稳定剂，再进行高温剪切得到预处理废胶粉复合改性沥青试样。剪切温度和剪切时间决定了废胶粉溶胀分散效果，进而影响沥青的高温性能、储存稳定性。SBS掺量会影响沥青的胶体结构、弹性网络结构，进而影响沥青的弹性、塑性和延展性。稳定剂掺量会影响沥青的网状结构和热稳定性，进而影响沥青的坚韧性。试验采用正交试验法，确定最佳制备工艺参数，客观评价改性沥青性能[4-5]。

由于预处理废胶粉具有较高活性，试验采用较高掺量，即沥青质量的31.5%。为使胶粉颗粒充分溶胀分散，采用较高剪切速率，即4 500 r/min。制备工艺如下：加热基质沥青至170～180 ℃→掺入SBS→剪切5 min→掺入预处理废胶粉→搅拌均匀→高温下剪切一定时间→掺入稳定剂→剪切3 min，得到预处理胶粉复合改性沥青[6]。

根据四因素四水平正交试验设计探讨剪切温度（A）、剪切时间（B）、SBS掺量（C）、稳定剂掺量（D）与预处理废胶粉复合改性沥青性能之间的关系。根据正交表确定16组工艺方案，每组方案因素水平不同，其他条件不变。按照制备工艺制备16组预处理废胶粉复合改性沥青，测试沥青三大指标（针入度、软化点和延度）、弹性恢复、180 ℃布氏黏度、离析率等[7-8]。测试结果如表2所示。

为确定最佳制备工艺参数，运用价差分析法分析测试结果，计算各因素的极差、极差比，分析各因素对改性沥青性能的影响规律。极差分析结果如表3所示。

根据表3，可以得出以下结论：

（1）关于针入度，剪切温度的影响最大，其次是SBS掺量，剪切时间和稳定剂掺量的影响较小。针入度反映了沥青的硬度和稠度，过高或过低都不利于沥青混合料的包裹和施工。针入度随着剪切温度的升高和SBS掺量的增加而降低，说明沥青的硬度增加，稠度增大。最佳水平组合为A1/A2B3/B4C1/C2D1/D4，即剪切温度160 ℃/170 ℃，剪切时间30 min/35 min，SBS掺量0.5%/1%，稳定剂掺量0.2%/0.5%。

（2）关于软化点，SBS掺量的影响最大，其次是剪切温度，剪切时间和稳定剂掺量的影响较小。软化点反映了沥青的高温性能，越高越好。软化点随着SBS掺量的增加和剪切温度的升高而增加，说明沥青的高温稳定性提高。最佳水平组合为A1B2C4D4，即剪切温度160 ℃，剪切时间25 min，SBS掺量2%，稳定剂掺量0.5%。

（3）关于5 ℃延度，剪切温度是影响最大的因素，其次是稳定剂掺量，SBS掺量和剪切时间的影响较小。5 ℃延度反映了沥青的低温性能和韧性，越高越好。最佳水平组合为A4B4C4D3，即剪切温度190 ℃，剪切时间35 min，SBS掺量2%，稳定剂掺量0.4%。

（4）关于沥青布氏黏度，剪切温度是影响最大的因素，其次是SBS掺量，稳定剂掺量和剪切时间的影响较小。沥青布氏黏度反映了沥青的黏性和抗变形能力，适当增加有利于提高沥青的抗疲劳能力和弹性恢复能力。但黏度过大不利于路面混合料施工和压实。布氏黏度随着剪切温度的升高和SBS掺量的增加而增加，说明沥青的黏性增加[9]。最佳水平组合为A1/A3B1/B3C1/C4D2/D4，即剪切温度160 ℃/180 ℃，剪切时间20 min/30 min，SBS掺量0.5%/2%，稳定剂掺量0.3%/0.5%。

（5）关于沥青离析，稳定剂掺量是影响最大的因素，其次是SBS掺量，剪切温度和剪切时间的影响较小。沥青离析反映了沥青的储存稳定性和均质性，越小越好。沥青离析随着稳定剂掺量的增加和SBS掺量的减少而降低，说明沥青的储存稳定性提高[10]。最佳水平组合为A2B4C1D4，即剪切温度170 ℃，剪切时间35 min，SBS掺量0.5%，稳定剂掺量0.5%。

通过对五个指标的最佳水平组合及各因素与各性能指标之间的关系分析，确定最佳制备工艺组合为A2、B2、C4、D3，即剪切温度170 ℃，剪切时间25 min，SBS掺量2%，稳定剂掺量0.4%。最佳制备工艺流程如图1所示。

4 结论

综上所述，该文采用四因素、四水平正交试验方案，探讨了剪切温度、剪切时间、SBS掺量和稳定剂掺量对预处理废胶粉改性沥青性能的影响。运用极差分析法确定了最佳制备工艺参数为剪切温度170 ℃，剪切时间25 min，SBS掺量2%，稳定剂掺量0.4%，可为预处理废胶粉改性沥青的实践应用提供参考。

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