复合改性沥青的研发与性能评价

张明明，刘 涛，崔冀川，唐 磊

(重庆重交再生资源开发股份有限公司,重庆市沥青路面再生工程技术研究中心,重庆 401121)

0 引言

在国家“交通强国”战略的指引下,依靠科技创新和技术进步,我国的道路基础建设正在向绿色、耐久的方向快速发展[1]。废胶粉改性沥青因符合绿色低碳交通等理念的需求而得到飞速的发展。因此胶粉改性沥青正在进一步被道路建设者们推广和利用,将废胶粉加入沥青制成废胶粉改性沥青既能够改善沥青的性能,又具有良好的环保性,是当前研究的热点方向[2-6]。但是胶粉和沥青的化学结构差异较大,导致两者的相容体系稳定性不佳、部分性能较差[7-9]。因此胶粉/SBS复合改性沥青作为一项兼具经济、社会和环保效益的技术,在一定程度上降低了生产成本,提高了路用性能,有助于持续性地推进生态友好、集约高效的高质量交通建设。

1 原材料性质

1.1 基质沥青

制备复合改性沥青的基质沥青选用70号基质沥青,根据JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范[10]要求,按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程规定,对基质沥青进行性能试验,检测结果满足规范要求,具体数据如表1所示。

表1 沥青主要技术指标

1.2 SBS

本次选用目前道路上比较成熟的SBS改性剂作为复合改性沥青的主要成分之一,SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物,易吸收沥青中的饱和酚发生溶胀,在沥青中形成稳定的网状结构,改善复合改性沥青性能[11]。溶胀后的SBS极性更接近胶质,沥青组分对聚合物粒子的充分溶胀和聚合物粒子对沥青组分的良好吸附时对沥青进行聚合物改性,能够提高沥青的韧性、延展性、抗疲劳性和抗剥离能力等性能[12]。

1.3 高胶颗粒

研究利用多阶连续绿色脱硫技术制备的高胶颗粒,对胶粉的处理主要是脱硫活化,将橡胶分子链中的部分硫键破坏,打开胶体的三维网状结构[13],提高天然橡胶含量,可以采用物理、化学和生物的方法进行脱硫[14],脱硫后的胶粉与SBS和沥青在高温下快速共混,在实现胶粉和SBS高掺量的同时,增强沥青的延展性、耐热性和耐紫外线老化性能[15-16],改善复合改性沥青的热储存稳定性能、加工性能与和易性。

1.4 环烷基橡胶油

环烷基橡胶油来自天然石油,价格低廉、来源可靠,并且由于其特有的结构,环烷油与橡胶有着良好的增塑与互溶性。因此,选用环烷基橡胶油作为改性剂的增塑剂,促使橡胶塑化成型,增加热塑性橡胶与沥青的相容性,减少复合改性沥青的离析现象。

1.5 稳定剂

改性沥青的稳定性一直是一大难题,特别是胶粉改性沥青,稳定剂多采用含硫复合物,掺量常为沥青质量的0.1%～0.3%,在改性剂分散后加入可使聚合物与基质沥青间形成相界面吸附层,提高复合改性沥青稳定性[17]。过量稳定剂则易使沥青反应过于强烈,导致凝胶无法使用。

2 复合改性沥青材料配方正交设计

2.1 因素与水平的选择

试验所选取的4个因素分别为高胶颗粒、SBS、环烷基橡胶油、稳定剂各自的掺量。分别将其命名为A,B,C,D。其各因素水平根据前期实验及相关文献参考如表2所示。

表2 各因素水平表

表2中各水平代表该因素占沥青质量的百分比,根据正交实验的水平和因素选取,本次研究正交实验组数确定为9组,分别测试每一组的三大指标以及动力黏度对各因素进行初步的判断,从表3中选取L9(34)的正交表格实验安排,具体排列及测试数据见表3。

表3 正交试验表

2.2 各因素水平极差分析

将正交试验测试数据进行各因素水平极差分析,确定各因素的最优组合,通过4组最优组合确定复合改性沥青的配方。具体数据如表4—表7所示。

表4 针入度极差分析表

表5 延度极差分析表

表6 软化点极差分析表

表7 黏度极差分析表

根据表4—表7的极差分析,通过k值确定各因素优化水平组合：

针入度：A1B1C2D1 延度：A2B3C3D1

软化点：A2B3C2D3 黏度：A3B3C1D1

由于黏度与延度是较难控制的两个指标,因此优先从黏度与延度指标中进行选择,从黏度与延度的优组合A3B3C1D1以及A2B3C3D1可以看出,两个优选组合均出现了B3,D1,所以可以确定的优水平为B3,D1,然后通过观察因素A和因素C每个水平出现的频率,A2和C2出现次数最多,同时综合对比成本以及在A2和C2水平时各指标数据,确定C因素优水平为C2,A因素优水平为A2,暂定最佳配方组合为A2B3C2D1。即高胶颗粒15%,SBS 4%,油3%,稳定剂0.15%。

3 复合改性沥青配方验证

通过正交实验确定复合改性沥青初步配比,需要进一步进行复合改性沥青性能的验证以确定配方的效果及稳定程度,实验室制备复合改性沥青使用剪切方法如下：

1)用电子天平称量500 g基质沥青试样放于盛样器中,在烘箱中加热180 ℃。

2)按照比例称取一定质量的高胶颗粒、SBS改性剂以及橡胶油,加入到沥青中并用玻璃棒搅拌均匀。

3)使用剪切机按照4 000 r/min～5 000 r/min速率对沥青剪切30 min,剪切过程中温度维持在180℃±10 ℃。

4)关闭剪切机,加入一定量的稳定剂并使用分散机按照1 000 r/min～2 000 r/min速率对复合改性沥青搅拌发育60 min,搅拌过程中温度维持在180 ℃±10 ℃。

5)关闭分散机,复合改性沥青制备完成,立即浇模进行相关实验。

配方验证相关数据如表8所示。

表8 复合改性沥青实验数据

从表8可以看出,复合改性沥青配方为沥青∶高胶颗粒∶SBS∶橡胶油∶稳定剂=100∶15∶4∶3∶0.15,通过规范要求剪切方法进行剪切实验,各指标均符合JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范中表4.6.2SBSI-D以及表D2.2高黏度改性沥青的技术要求,且效果良好,对沥青有着很好的改性效果。因此可以确定复合改性沥青配方∶沥青∶高胶颗粒∶SBS∶橡胶油∶稳定剂=100∶15∶4∶3∶0.15可以作为一种新型的改性沥青用于混合料的生产,但同时也需要进一步验证混合料的性能是否满足相关规范要求。

4 复合改性沥青混合料性能验证

表9 沥青混合料温度控制表 ℃

根据规范要求温度控制,进行混合料的拌和与性能验证,混合料具体技术指标按照JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范中要求确定,具体实验数据如表10,表11所示。

表10 OGFC-13沥青混合料实验数据

表11 SMA-13沥青混合料实验数据

从表10,表11中数据可以看出,复合改性沥青应用于两种沥青混合料中其性能均能满足规范要求。其中混合料的浸水飞散试验指标效果突出,飞散试验主要就是测试混合料集料之间的点黏接能力,黏接能力越好,混合料的表面集料越不容易脱落和散失,表明沥青的用量恰当以及复合改性沥青的黏结性强。同时混合料也展现出了较好的高温性能,OGFC-13和SMA-13两种级配的动稳定度都达到了5 000次/mm以上,较好地反映了该复合改性沥青作用于混合料中时在高温季节抵抗形成车辙的能力,非常适合用于重庆这种炎热地区的抗车辙使用。其他指标比如稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比以及低温弯曲等等,也都优于一般的混合。通过以上数据分析,可以看出复合改性沥青提升了混合料的综合路用性能。进一步证明了该复合改性沥青的优异性,可进行大生产试用。

5 结语

1)根据L9(34)正交试验结果极差分析,从各因素的最优组合确定复合改性沥青配方为：沥青∶高胶颗粒∶SBS∶橡胶油∶稳定剂=100∶15∶4∶3∶0.15。

2)基于设计配方剪切得到复合改性沥青进行性能验证,各指标均能满足JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范中表4.6.2中对SBSI-D改性沥青以及表D2.2中对高黏度改性沥青的技术要求。

3)使用复合改性沥青进行不同级配(OGFC-13,SMA-13)的沥青混合料性能测试,混合料性能均能满足规范要求。确定该配方作为一种新型的复合改性沥青适用于沥青混合料,且能大幅度的提升混合料性能。

4)此次研究只是建立在实验室的基础上,后续还需要进行工厂化复合改性沥青生产以及沥青性能的测试验证。同时需要进一步探索生产和施工工艺,确保工厂化生产的产品稳定性。

5)对复合改性机理的分析比较浅显,后期还需要查阅相关的文献以及大量的实验来支撑自己的理论知识。