废胶粉理化复合改性沥青的配方研究

2023-01-16 08:25张秀烽
湖南交通科技 2022年4期
关键词:延度活化剂胶粉

张秀烽

(湖南省官新高速公路建设开发有限公司, 湖南 新化 417600)

0 引言

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[1]。研究表明:废胶粉改性沥青可以提升路面的低温抗裂性、抗疲劳性及抗反射裂缝的能力,增强混合料高温抗车辙性能,降低轮胎噪音,延长路面的使用寿命,表现出良好的路用性能及经济性[2]。但普通废胶粉改性沥青因存储稳定性较差等制约了其推广应用,于是研究人员试图利用化学改性剂处理废胶粉改性沥青来提升性能。袁志祥[5]指出经过化学改性后的胶粉掺入沥青后制成的胶粉改性沥青,有较好的储存稳定性能,方便改性沥青的储存、运输、施工以及沥青混合料的摊铺和碾压。申祥国[6]就胶粉目数如何影响改性沥青性能做了大量的室内试验研究,结果表明当胶粉目数为30~60目时,所制得的胶粉改性沥青各方面性能都较好。郭琦等[7]指出,向不同基质沥青中加入不同掺量的胶粉均能使其性能得到提高,当胶粉掺量为20%左右时,改性效果最佳。冯新军等[8]采用双氧水对胶粉进行表面氧化处理,以双氧水用量、处理温度、处理时间和胶粉目数这4个水平进行正交试验,结果表明双氧水用量和处理时间对于橡胶改性沥青的储存稳定性影响较大,并优化其制备工艺。鉴于废胶粉化学改性沥青具有良好的路用性能,本文采用正交试验探究各种改性助剂对改性沥青性能的影响并优化配方,以期进一步提升废胶粉复合改性沥青性能,节省工程造价。

1 原材料

研究用原材料主要有沥青、废胶粉、软化剂、活化剂和交联剂等。其中沥青为70#A级沥青,主要性能检测结果见表1。

表1 70#A级沥青主要性能检测结果指标针入度/0.1 mm软化点/℃10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm含蜡量/%RTFOT残留物质量损失/%残留针入度比/%10 ℃残留延度/cm检验结果715132>1001.30.157116技术要求60~80≥46≥20≥100≤2.2±0.8≥61≥6

试验所采用的废胎胶粉为60目,相关物理和化学技术指标均符合《路用废胎橡胶粉》(JT/T 797—2019)要求。试验采用的软化剂为精制妥尔油,主要用来提升沥青轻质组分对胶粉的渗透膨胀扩张性能。试验采用的活化剂为再生高效活化剂B-450,活化剂能在高温下产生自由基与橡胶分子的自由基相结合,阻止橡胶中S-S键、C-S键断裂后的再聚合,从而提高胶粉脱硫降解效率,缩短脱硫时间,并提高再生胶的质量。试验采用的交联剂为不溶性硫黄IS-60,交联剂主要促使胶粉与沥青发生交联硫化反应,即胶粉表面具有悬垂的硫原子或活性硫与沥青中的沥青质或胶质的活性位发生交联反应,从而提高废胶粉改性沥青的储存稳定性。

2 废胶粉理化复合改性沥青配方设计与分析

2.1 配方方案设计

以废胶粉、活化剂、交联剂和软化剂为影响因素,参考相关研究和助剂厂商推荐的掺量,上下浮动构建4因素3水平的正交试验配方,如表2所示,其材料掺量3水平分别为:废胶粉取18%、23%、28%,软化剂取2%、3%、4%,活化剂取1.5%、2.0%、2.5%,交联剂取1%、2%、3%。按照上述配方和制备工艺流程(见图1)制备9组改性沥青,选择反映沥青高低温性能的软化点、5℃延度和储存稳定性的软化点差作为评价指标,试验结果如表2所示。

图1 废胶粉理化复合改性沥青制备工艺流程

表2 正交试验配方设计与试验结果试验序号胶粉(A)/%软化剂(B)/%活化剂(C)/%交联剂(D)/%软化点/℃延度/cm软化点差/℃11821.5164.58.62.821832.0264.612.02.031842.5362.914.71.542341.5269.312.53.252322.0368.015.02.262332.5171.311.52.772831.5374.014.53.482842.0175.011.33.292822.5276.813.22.5

2.2 试验结果分析

根据表2的试验结果进行极差分析,得到不同试验水平对软化点、延度和软化点差的影响,如图2(a)~图2(c)所示,各因素对性能评价指标的极差分析结果见图2(d)。

软化点是反映沥青温度敏感性和高温性能的重要指标。由图2(a)和图2(d)的正交试验分析结果,可以得到各因素对软化点的影响程度。胶粉的极差值远大于其他3个因素,故胶粉掺量是4个因素中对软化点影响最大的因素,为主要因素,从提高沥青软化点角度,选取掺量为第3水平,即为A3。活化剂掺量和交联剂掺量对软化点影响次之,对应掺量分别取第3、第1或第2水平,即C3、D1/D2。软化剂掺量在4个因素中对软化点影响最小,对应掺量取第2水平,即B2。根据软化点极差分析,得出4因素3水平的最佳掺量组合为A3B2C3D1,软化点最不利的掺量组合为A1B3C2D3。

(a) 不同试验水平对软化点的影响

(b) 不同试验水平对延度的影响

(c) 不同试验水平对离析的影响

(d) 不同因素的极差分析结果

延度是反映沥青低温性能和评定塑性的重要指标。从图2(b)和2(d)可以看出:交联剂的极差值大于其他3个因素,故交联剂掺量是4个因素中对延度影响最大的因素,为主要因素,从提升低温性能的角度,选取掺量为第3水平,即为D3。胶粉掺量和活化剂掺量对延度影响次之,对应掺量分别取第2(或第3)水平、第3水平,即A2/A3、C3。软化剂掺量是4个因素中对延度影响最小,掺量取第3水平,即B3。对延度极差分析得出4因素3水平的最佳掺量组合为A2/A3B3C3D3,最不利增大延度的组合为A1B1C1D1。

软化点差是表征改性沥青储存稳定性的重要指标。从图2(c)和图2(d)可以看出:胶粉的极差值最大,活化剂稍小于胶粉,它们的极差远大于其他2个因素,因此为保证储存稳定性不至于发生过大离析,胶粉掺量不宜过大,可选A2,活化剂掺量选取第3水平,即为C3。交联剂有一定的影响,选D3;而软化剂影响最小,且第1水平和第3水平相当,因此选B1。对软化点差的极差分析,得出4因素3水平的最佳掺量组合为A2B1C3D3,最不利增大软化点差的组合为A3B2C1D1。

3 废胶粉理化复合改性沥青最佳配方分析

通过对软化点、延度、软化点差的正交试验极差分析,得到了3个指标分别对应的4因素3水平的最佳配方组合,如表3。

表3 各评价指标对应的最佳配方汇总%评价指标废胶粉掺量软化剂掺量活化剂掺量交联剂掺量软化点2832.51/2延度23/2842.53软化点差2322.53

由表3可以看出,软化点、延度、软化点差3个指标各自对应的最佳配方组合并不相同,因此最佳配方应进一步结合影响因素、评价指标的重要性来综合确定。软化剂对所有评价指标的影响较小,考虑到经济成本,故其掺量取最低为2%。胶粉对延度而言,掺量可取第2或第3水平;对软化点而言,掺量取第3水平;软化点差随着胶粉掺量增加而增大,考虑到胶粉也是影响高温性能的最主要因素,因此胶粉掺量不宜低于23%。活化剂有助于胶粉的降解,从而提升废胶粉复合改性沥青的高低温性能和储存性能,因此其掺量取最大,为2.5%。交联剂对延度和软化点差的掺量均取第3水平,尽管取第1或第2水平有助于保证软化点,但将1%和3%的交联剂掺量进行比较,软化点降低仅2.9%,而延度减少了21.2%,软化点差增加了11.3%,所以交联剂掺量取3%。综合上述分析,最终得出4因素3水平下的废胶粉复合改性沥青最佳配方为A2B1C3D3,即23%胶粉、2%软化剂、2.5%活化剂、3%交联剂。

按照上述最佳配方制备废胶粉理化复合改性沥青,除了测试其基本性能外,还采用SHRP计划提出的高温动态剪切流变试验与低温弯曲梁流变试验对其高、低温性能进行评价。同时与SBS改性沥青和普通胶粉改性沥青进行比较,试验结果如图3所示。

由图3可知:废胶粉理化复合改性沥青的软化点超过70 ℃,离析软化点差为2.1 ℃,5 ℃延度稍差于SBS改性沥青,但综合性能大大优于普通胶粉改性沥青。从高温车辙因子来看,废胶粉理化复合改性沥青的高温等级可达PG88,而SBS改性沥青仅为PG76,普通胶粉改性沥青为PG82;从低温弯曲梁流变试验结果可知,尽管3种改性沥青的低温等级均为PG-28,但是废胶粉理化复合改性沥青具有更低的劲度模量和更高的蠕变速率,从而表现出更好的弹性和低温抗裂性。因此通过正交试验分析确定的废胶粉理化复合改性沥青的配方,无论高、低温性能,还是储存稳定性都表现优良,完全能满足南方高温多雨地区对沥青胶结料的性能要求和施工要求。

(a) 基本性能测试结果

(b) 车辙因子测试结果

(c) 劲度模量测试结果

(d) 蠕变速率测试结果

4 结论

1)以胶粉、软化剂、活化剂和交联剂为影响因素,设计了4因素3水平的废胶粉理化复合改性沥青最佳配方正交试验,选择反映沥青高、低温性能的软化点、5 ℃延度和储存稳定性的软化点差作为评价指标,对正交试验结果进行极差分析,得到

单一评价指标的废胶粉理化复合改性沥青最佳掺量。

2)结合影响因素、评价指标的重要性,经综合对比分析确定废胶粉理化复合改性沥青最佳配方为23%胶粉、2%软化剂、2.5%活化剂、3%交联剂。

3)对比最佳配方的废胶粉理化复合改性沥青、SBS改性沥青和普通胶粉改性沥青的性能发现,废胶粉理化复合改性沥青无论高、低温性能,还是储存稳定性都表现优良,完全能满足南方高温多雨地区对沥青胶结料的性能要求和施工要求。

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