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      加工參數(shù)對地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響

      2018-05-09 12:39:26牛冬瑜馬英新仁乾龍珠閔一桐黃慈航陳華鑫
      關(guān)鍵詞:橡膠粉針入度軟化

      牛冬瑜, 馬英新, 仁乾龍珠, 閔一桐, 黃慈航, 陳華鑫

      (1. 長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 西藏天路股份有限公司, 西藏 拉薩 850000; 3. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

      我國產(chǎn)生的廢棄地溝油與廢舊輪胎已成為兩種嚴(yán)重的污染物,對兩者的有效綜合利用越來越引起人們的關(guān)注.已有研究[1-2]表明,利用地溝油與廢舊橡膠粉改性瀝青,可以改善原基質(zhì)瀝青性能,能結(jié)合地溝油或橡膠單一改性瀝青的優(yōu)點(diǎn),克服單一改性瀝青存在的不足,提高復(fù)合改性瀝青的高、低溫性能.兩者較高的摻量,可以替代部分瀝青,達(dá)到減少瀝青成本的目的.因此,為了使地溝油、廢舊橡膠粉和基質(zhì)瀝青三者共混達(dá)到均勻且穩(wěn)定的體系,選取合理的加工工藝參數(shù),成為制備該復(fù)合改性瀝青的關(guān)鍵[3-5].文獻(xiàn)[6-7]在剪切溫度為130~160 ℃、剪切時(shí)間為30 min及剪切速率為200 r·min-1的加工參數(shù)下,驗(yàn)證了地溝油作為再生劑的可行性,并得出摻加適量地溝油后,老化瀝青的基本指標(biāo)將基本恢復(fù)到原樣瀝青水平.文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn),在老化瀝青中摻加地溝油,可降低其黏度,加工參數(shù)為剪切溫度145 ℃,剪切時(shí)間15 min,剪切速率200 r·min-1.文獻(xiàn)[9]在制備橡膠瀝青時(shí),將加工參數(shù)定為剪切溫度180 ℃,剪切時(shí)間60 min,發(fā)現(xiàn)瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能都有明顯改善.文獻(xiàn)[10]制備橡膠改性瀝青時(shí)采用的加工參數(shù)為剪切溫度190 ℃,剪切時(shí)間2 h,剪切速率1 000 r·min-1,研究表明其各項(xiàng)性能有較大改善.文獻(xiàn)[1]將豬糞基生物油與橡膠粉同時(shí)摻到瀝青中,在剪切溫度200 ℃,剪切時(shí)間30 min,剪切速率1 000 r·min-1的情況下制備生物油改性橡膠瀝青.文獻(xiàn)[2]提出將生物油作為黏結(jié)劑加入橡膠粉,改性制得一種與橡膠瀝青性能相似的生物黏結(jié)劑,采用的工藝參數(shù)為剪切時(shí)間60 min,剪切溫度125 ℃,剪切速率1 000 r·min-1,并且調(diào)整剪切溫度為130 ℃,剪切時(shí)間為20 min,剪切速率為3 000 r·min-1后,發(fā)現(xiàn)地溝油/橡膠粉改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均高于普通瀝青.文獻(xiàn)[11]采用剪切溫度為180 ℃,剪切時(shí)間為30 min,剪切速率為1 000 r·min-1的加工參數(shù),制備廢胎膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青,發(fā)現(xiàn)其低溫下更柔韌,高溫下更堅(jiān)硬,溫度敏感性降低,抗車轍形變能力增強(qiáng).文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn)膠粉產(chǎn)量增加到SBS摻量2倍以上時(shí),橡膠改性瀝青的某些性能與SBS改性瀝青相當(dāng),其加工參數(shù)為剪切溫度180 ℃,剪切時(shí)間1 h,剪切速率1 000 r·min-1.文獻(xiàn)[13-14]研究了不同剪切時(shí)間、剪切溫度、發(fā)育時(shí)間和存儲(chǔ)溫度對聚合物改性瀝青性能的影響,并推薦了最佳加工參數(shù),得出最佳剪切溫度為180 ℃,儲(chǔ)存溫度為150 ℃,剪切時(shí)間為90 min,發(fā)育時(shí)間為2 h.綜上,選取合理的改性瀝青加工參數(shù),不僅能提高地溝油、廢舊橡膠粉的利用率,而且可改善原瀝青性能,但已有科研成果缺乏針對地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青加工工藝參數(shù)的研究,而加工工藝參數(shù)將直接決定復(fù)合改性瀝青性能的好壞.

      為此,本研究選取不同的剪切溫度、剪切時(shí)間和剪切速率,應(yīng)用瀝青試驗(yàn)方法與熒光顯微觀測技術(shù),分析不同加工工藝參數(shù)對地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青的改性效果及其性能的影響,以及對微觀分散狀態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化影響,以期提出合理的剪切時(shí)間、剪切溫度和剪切速率,使地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青的性能達(dá)到較高的指標(biāo)要求.

      1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      1.1 材料與加工設(shè)備

      材料為SK70#基質(zhì)瀝青與山東泰安銘穎復(fù)合材料公司生產(chǎn)的80目廢舊輪胎橡膠粉,地溝油為西安某油條店加工油條使用后的煎炸廢油,摻量為5%,如圖1,2所示.SK70#基質(zhì)瀝青與橡膠粉技術(shù)指標(biāo)分別如表1,2所示,膠粉摻量為20%.表3為地溝油化學(xué)組成成分.

      采用高速剪切儀作為主要加工設(shè)備,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),選取高速剪切儀參數(shù)指標(biāo)如下:適用溫度200 ℃以下,處理量為1.5~2.0 L,工作頭直徑為70 mm,工作頭浸入液體長度為260 mm.

      圖1 試驗(yàn)用橡膠粉 圖2 試驗(yàn)用地溝油

      技術(shù)指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)檢測結(jié)果檢測方法針入度(25℃)/(0.1mm)60~8065T0604軟化點(diǎn)/℃≥4652.2T0606延度(15℃)/cm≥100>150T0605密度(15℃)/(g·cm-3)≥1.011.037T0603

      表2 橡膠粉技術(shù)參數(shù)

      表3 地溝油化學(xué)組成成分

      1.2 試驗(yàn)方案

      1) 地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青加工流程如圖3所示.由于主要研究加工工藝對地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響,因此根據(jù)加工過程,調(diào)整烘箱溫度選取不同剪切溫度,控制剪切時(shí)間與調(diào)整高速剪切儀的剪切速率作為試驗(yàn)中控制關(guān)鍵點(diǎn).加工工藝關(guān)鍵參數(shù)如表4所示.

      圖3 地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青加工流程

      編號(hào)剪切溫度/℃剪切時(shí)間/min剪切速率/(r·min-1)11706050002180605000319060500042006050005180305000618060500071809050008180120500091806030001018060500011180607000

      2) 試驗(yàn)選取針入度指數(shù)PI、軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、5 ℃延度、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2作為地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).其中,針入度指數(shù)PI主要評(píng)價(jià)道路石油瀝青的感溫性能.PI越大,瀝青對溫度變化的敏感性越小,感溫性能越好,反之則越差.軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)T800共同評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能.當(dāng)量軟化點(diǎn)T800除具有軟化點(diǎn)的各種優(yōu)點(diǎn)外,還能克服試驗(yàn)中蠟對軟化點(diǎn)的影響,且兩者均是值越大,瀝青的高溫性能越好.5 ℃延度和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2用來評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能,其中T1.2指標(biāo)能很好地反映瀝青的低溫抗裂性,其值越低,表明抗裂性能越好.

      3) 根據(jù)聚合物相與瀝青在熒光顯微鏡下顯示顏色不同,利用熒光顯微鏡分析不同剪切溫度、剪切時(shí)間及剪切速率下聚合物相在改性瀝青中的顆粒形狀、尺寸大小、分散程度及與瀝青的連接狀態(tài),評(píng)價(jià)改性瀝青的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu).

      2 剪切溫度的影響

      2.1 結(jié)果與分析

      剪切溫度分別為170,180,190和200 ℃時(shí),地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)測試結(jié)果如表5所示.

      1) 感溫性能.由表5可知: ① 改性瀝青的針入度隨著剪切溫度的升高,均有一定程度增大,但剪切溫度為180,190 ℃時(shí),針入度差別很小. ② 針入度指數(shù)PI隨剪切溫度的升高,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,180 ℃時(shí)取得最小值,之后便迅速增長,說明適當(dāng)?shù)奶岣呒羟袦囟瓤梢悦黠@改善改性瀝青的感溫性能.原因可能是剛開始剪切溫度低,地溝油、廢舊橡膠粉與瀝青三者沒有很好地相溶,尤其是廢舊橡膠粉沒有充分溶脹,使針入度指數(shù)PI較大,而溫度達(dá)到180 ℃以上時(shí),廢舊橡膠粉充分溶脹,且在瀝青中均勻分布,改性瀝青內(nèi)部整體形成一個(gè)半固態(tài)連續(xù)相,感溫性能提高.因此,適當(dāng)提高剪切溫度可以很好地改善改性瀝青的感溫性能.

      2) 高溫穩(wěn)定性.由表5可知: ① 軟化點(diǎn)隨著剪切溫度升高,呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,并在180,190 ℃時(shí)達(dá)到最大值. ② 當(dāng)量軟化點(diǎn)T800隨剪切溫度的升高,呈波浪形變化,無規(guī)律可尋,但是在170,190 ℃時(shí),數(shù)值都比較大.由此說明:較高剪切溫度下,橡膠粉顆粒更易與瀝青和地溝油中的分子鏈相結(jié)合,整體分子量增大,使改性瀝青軟化點(diǎn)增大;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),瀝青老化便會(huì)加劇,溫度對軟化點(diǎn)有害的一面逐漸表現(xiàn)出來,使軟化點(diǎn)不增反降,軟化點(diǎn)整體上也就呈先增大后減小的趨勢.分析可知,剪切溫度為180~190 ℃時(shí),改性瀝青的高溫性能最好.

      表5 不同剪切溫度的復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)結(jié)果

      3) 低溫抗裂性.由表5可知: ① 5 ℃延度隨剪切溫度的升高呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,在170~180 ℃時(shí)變化最為明顯.說明隨剪切溫度升高,瀝青流動(dòng)性增大,黏度減小,使得地溝油和橡膠粉與瀝青的相融性提高,整體延度增加. ② 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2隨溫度升高呈現(xiàn)越來越低的趨勢,且下降速度越來越快,改性瀝青的低溫性能越來越好.由此可知,試驗(yàn)中,當(dāng)剪切溫度為200 ℃時(shí),改性瀝青的低溫性能最好.

      2.2 復(fù)合改性瀝青微觀形態(tài)分析

      應(yīng)用熒光顯微鏡觀測瀝青相與橡膠相的形態(tài)特征.圖4為不同剪切溫度時(shí)放大40倍的觀測結(jié)果,其中亮黃色為橡膠相,深綠色為瀝青相.

      圖4 不同剪切溫度時(shí)改性效果熒光顯微圖(40倍)

      由圖4可知,隨剪切溫度的升高,橡膠相由原來的孤立膠團(tuán)逐漸分解成規(guī)則的圓形顆粒.170 ℃時(shí),橡膠顆粒結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重,絕大部分呈粒徑較大的圓形顆粒狀態(tài),僅有極少數(shù)呈絲條狀存在,且分散不均,與瀝青兩者相互獨(dú)立,相容性很差.180 ℃時(shí),結(jié)團(tuán)現(xiàn)象明顯減少,絲條狀占有比例有明顯的提高.當(dāng)溫度達(dá)到190,200 ℃時(shí),結(jié)團(tuán)現(xiàn)象幾乎消失,僅存在個(gè)別膠團(tuán),且膠團(tuán)顆粒尺寸大大減小,橡膠相完全以細(xì)小的圓形顆粒相對均勻分布在瀝青相中,與瀝青的相互作用增強(qiáng),對體系的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升明顯.

      對比不同剪切溫度下改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)可知:當(dāng)剪切溫度為190 ℃時(shí),橡膠相的顆粒尺寸、分布及其與瀝青之間相互作用幾乎達(dá)到最佳狀態(tài).因此,190 ℃時(shí),地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青的綜合性能最佳.

      3 剪切時(shí)間的影響

      3.1 結(jié)果與分析

      不同剪切時(shí)間的地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能的測試結(jié)果,如表6所示.

      表6 不同剪切時(shí)間時(shí)復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)結(jié)果

      1) 感溫性能.由表6可知: ① 不同剪切時(shí)間下,針入度隨著剪切時(shí)間延長呈不斷增大趨勢,剪切時(shí)間由30 min延長到60 min時(shí),增大最快,而當(dāng)時(shí)間大于60 min后,增大逐漸變緩. ② 同樣,針入度指數(shù)PI在剪切時(shí)間為30~60 min時(shí)增長最快,但是當(dāng)時(shí)間大于90 min后,PI出現(xiàn)下降趨勢,整體上先增大后減小,并在90 min時(shí)出現(xiàn)峰值.其原因可能是當(dāng)剪切時(shí)間小于30 min時(shí),廢舊橡膠粉沒有充分吸收地溝油與瀝青,并且出現(xiàn)溶脹,無法形成穩(wěn)定體系,從而使得針入度在剪切時(shí)間增長時(shí)變化較大.由此可知最佳剪切時(shí)間為60~90 min.

      2) 高溫穩(wěn)定性.由表5可知:① 剪切時(shí)間延長后,軟化點(diǎn)逐漸變大,但當(dāng)時(shí)間大于90 min后,幾乎不再發(fā)生變化.② 當(dāng)量軟化點(diǎn)T800在剪切時(shí)間小于60 min時(shí)迅速增長,而在大于90 min時(shí)表現(xiàn)出緩慢減小趨勢.說明在剪切時(shí)間較短時(shí),橡膠粉很難與瀝青和地溝油中的分子鏈相結(jié)合,當(dāng)時(shí)間延長到一定范圍值后,三者有充足時(shí)間進(jìn)行結(jié)合,使瀝青分子量增大,軟化點(diǎn)與T800隨之變大.但超出這個(gè)時(shí)間范圍后瀝青開始老化,橡膠粉也開始失去彈性,此時(shí)便會(huì)抑制了兩者間的結(jié)合,瀝青的高溫穩(wěn)定性開始下降.綜上可知,在制備地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青時(shí),剪切時(shí)間定為90 min左右為宜.

      3) 低溫抗裂性.由表6可知: ① 5 ℃延度隨著剪切時(shí)間增大呈不斷增大趨勢,但增大的速率逐漸減小.② 當(dāng)剪切時(shí)間從30 min增加到60 min時(shí);當(dāng)量脆點(diǎn)T1,2較快減小;剪切時(shí)間從60 min增加到90 min時(shí)當(dāng)量脆點(diǎn)T1,2的增加趨勢明顯變緩;剪切時(shí)間90 min以上時(shí),當(dāng)量脆點(diǎn)T1,2幾乎不再變化.說明剪切時(shí)間直接影響橡膠粉、地溝油與瀝青的相溶,從而決定改性瀝青的低溫性能,且存在一個(gè)最佳的時(shí)間范圍,使改性瀝青的低溫抗裂性達(dá)到最佳.針對改性瀝青的低溫性能,剪切時(shí)間為90 min最合適.

      3.2 復(fù)合改性瀝青微觀形態(tài)分析

      剪切時(shí)間分別為30,60,90和120 min時(shí),制備地溝油/廢舊橡膠粉改性瀝青,并應(yīng)用熒光顯微鏡進(jìn)行取樣分析.圖5為不同剪切時(shí)間時(shí)放大40倍與400倍的觀測結(jié)果.

      圖5 不同剪切時(shí)間改性效果熒光顯微圖(40/400倍)

      由圖5可知:剪切時(shí)間為30 min時(shí),橡膠相零星分布,形狀不一,且尺寸較大,但在400倍圖中能看出,小顆粒間的接觸其實(shí)并不完全,已經(jīng)有分離的趨勢;剪切時(shí)間為60~90 min時(shí),橡膠相不斷由絲條狀和團(tuán)狀不斷分解成尺寸均勻細(xì)小的顆粒,直至前者消失,均勻分布于瀝青相中;剪切時(shí)間為120 min時(shí),瀝青中重新出現(xiàn)尺寸較大橡膠顆粒,相互作用減弱,結(jié)構(gòu)性降低,達(dá)到的理想狀態(tài)被破壞.由此可見,地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青的最佳剪切時(shí)間為90 min,此時(shí)綜合效果最佳.

      4 剪切速率的影響

      4.1 結(jié)果與分析

      不同剪切速率時(shí)地溝油/廢舊橡膠分復(fù)合改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能的測試結(jié)果如表7所示.

      表7 不同剪切速率時(shí)復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

      1) 感溫性能.由表7可知: ① 改性瀝青的針入度隨著剪切速率的增大急劇減小,由3 000 r·min-1增加到5 000 r·min-1時(shí)減小最明顯. ② 剪切速率為5 000 r·min-1時(shí),針入度指數(shù)PI達(dá)到最大值,此時(shí)改性瀝青感溫性能最好.說明將剪切速率控制在一定范圍時(shí),可以提高瀝青感溫性,而過大或過小均不利于改性瀝青的感溫性能.其原因可能是,剪切速度提升后,橡膠粉顆粒更細(xì),更容易溶脹,生成凝膠膜鏈接,構(gòu)成一個(gè)黏度較大的半固態(tài)、半連續(xù)相體系,其作用類似混凝土中鋼纖維,增強(qiáng)了瀝青強(qiáng)度,減小了其塑性變形.

      2) 高溫穩(wěn)定性.由表7可知: ① 軟化點(diǎn)隨剪切速率的增加先增大,之后不再變化.剪切速率為3 000 r·min-1時(shí),軟化點(diǎn)較低,當(dāng)剪切速率增加到5 000 r·min-1之后時(shí),軟化點(diǎn)增長明顯,高溫性能大幅提高. ② 當(dāng)量軟化點(diǎn)T800在3 000 r·min-1之后增長明顯,后期接近峰值,幾乎不變.說明剪切速率為5 000 r·min-1左右時(shí),橡膠粉顆粒與瀝青中分子鏈的結(jié)合基本上達(dá)到最大值,剪切速率再增大也不會(huì)明顯改善改性瀝青低溫性能.因此,剪切速率為7 000 r·min-1時(shí),當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與軟化點(diǎn)均取得最大值,但是綜合考慮節(jié)能環(huán)保,剪切速率為5 000 r·min-1時(shí)為最佳.

      3) 低溫抗裂性.由表7可知: ① 隨著剪切速率的增加,5 ℃的延度接近直線增長,說明改性瀝青的5 ℃延度與剪切速率有很好的相關(guān)性. ② 當(dāng)量脆點(diǎn)

      T1.2隨著剪切速率的增大先減小后增大,在剪切速率為5 000 r·min-1時(shí)降到最低,在剪切速率為3 000 r·min-1和7 000 r·min-1時(shí),T1.2幾乎相等.因此,綜合分析5 ℃延度與當(dāng)量軟化點(diǎn)T1.2,剪切速率為5 000 r·min-1時(shí),改性瀝青低溫性能最佳.

      4.2 復(fù)合改性瀝青微觀形態(tài)分析

      剪切速率為3 000,5 000和7000 r·min-1時(shí),室內(nèi)試驗(yàn)制備地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青,并制作用于熒光顯微鏡觀測的試樣進(jìn)行取樣分析.圖6為不同剪切速率時(shí)放大40倍的部分觀測結(jié)果.

      圖6 不同剪切速率時(shí)改性效果熒光顯微圖(40倍)

      由圖6可知,隨剪切速率增加,橡膠相逐漸分散,由團(tuán)狀分解成絲條狀,再到粒徑均勻的小顆粒.剪切速率為3 000 r·min-1時(shí),顯微鏡下僅能看到零星幾個(gè)大粒徑橡膠顆粒孤立地分散于瀝青中,對瀝青改性幾乎不起作用,這時(shí)改性瀝青各項(xiàng)性質(zhì)均比較差.剪切速率為5 000 r·min-1時(shí),絲條狀與細(xì)粒狀的橡膠體積比接近1:1,分布面積有了很大提升.剪切速率為7 000 r·min-1時(shí),橡膠顆粒已經(jīng)完全分解成小顆粒,瀝青微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性達(dá)到最佳狀態(tài),說明增大剪切速率對橡膠粉的均勻分布有積極作用.因此,以微觀結(jié)構(gòu)來分析,7 000 r·min-1是最佳剪切速率.

      5 結(jié) 論

      1) 在不同的加工工藝參數(shù)下制備地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青,當(dāng)剪切時(shí)間和剪切速率分別為90 min和5 000 r·min-1時(shí),可明顯改善復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性,而剪切溫度對各項(xiàng)性能的影響差異較大.

      2) 熒光顯微觀測表明:不同的剪切溫度、剪切時(shí)間和剪切速率直接影響橡膠粉在瀝青中分布的均勻性與分散性,選取剪切溫度180~190 ℃,剪切時(shí)間90 min,剪切速率7 000 r·min-1,復(fù)合改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)異.

      3) 綜合考慮施工操作性和經(jīng)濟(jì)性,摻量為20%的80目廢舊橡膠粉與摻量為5%的地溝油制備的復(fù)合改性瀝青,加工工藝參數(shù)推薦如下:剪切溫度180~190 ℃,剪切時(shí)間90 min,剪切速率5 000 r·min-1.

      參考文獻(xiàn)(References)

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