基于正交試驗(yàn)的復(fù)合改性瀝青制備工藝研究

謝紅飛，宋 亮，高陽江，李永剛

1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

新疆地處我國(guó)西部，幅員遼闊，但人煙稀少，如何盡可能的減少修建成本，一直國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。目前，新疆常用的瀝青有國(guó)外進(jìn)口瀝青和克煉瀝青，由于成本問題國(guó)外瀝青一直未能夠大范圍應(yīng)用，而常用克煉瀝青因其特殊組分導(dǎo)致高溫性能較差，在南疆地區(qū)或者北疆部分高溫地區(qū)應(yīng)用較少。

同時(shí)，隨著改性瀝青研究不斷深入，改性劑種類不斷增加，最常用的改性劑有SBS、SBR、廢舊橡膠粉等。通過研究表明［1］SBS 具有良好的高低溫性能，但昂貴的價(jià)格阻礙其進(jìn)一步發(fā)展［2］。另一方面，將廢舊膠粉作為改性劑可以有效地提高瀝青的高溫性能、彈性恢復(fù)能力等，但也有著黏度大、延度小的缺點(diǎn)。

對(duì)于復(fù)合改性，國(guó)外研究較少，國(guó)內(nèi)已有初步研究，高占華［3］通過對(duì)膠粉預(yù)處理發(fā)現(xiàn)通過對(duì)膠粉預(yù)處理可以有效地提高復(fù)合改性的性能；楊光［4］借鑒國(guó)外的評(píng)價(jià)方法，利用美國(guó)的評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)研究了改性瀝青的高低溫性能，同時(shí)從微觀方面研究復(fù)合改性瀝青的改性機(jī)理。

本文因地制宜，以克煉90#和塔化60#為基質(zhì)瀝青，SBS廢舊橡膠粉為改性劑，通過正交設(shè)計(jì)研究不同工藝對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響。為進(jìn)一步研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

基質(zhì)瀝青：克拉瑪依瀝青90#和塔化瀝青60#，新疆路安特瀝青材料有限公司生產(chǎn)，依照J(rèn)TG E20-2011（公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程）主要指標(biāo)如表1 所示

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

廢橡膠粉：60 目，德朔化工有限公司生產(chǎn)主要指標(biāo)如下。SBS：新疆獨(dú)山子石化公司生產(chǎn)SBS7302；糠醛油、硫磺等助劑。

表2 橡膠粉成分表

1.2 試驗(yàn)方案

SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青，是指將基質(zhì)瀝青加熱到一定溫度，然后將糠醛油、SBS、橡膠粉以及硫磺等材料摻加到基質(zhì)瀝青，通過剪切、攪拌、發(fā)育使其形成符合規(guī)范的改性瀝青。通過為了探索復(fù)合改性瀝青最佳制備工藝，以剪切溫度、剪切時(shí)間、攪拌時(shí)間為變量因子，通過正交設(shè)計(jì)得出表3 試驗(yàn)方案.

2 結(jié)果分析

采用針入度、延度、軟化點(diǎn)、黏度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011 測(cè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如表4 所示

表3 正交試驗(yàn)表

表4 SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青正交試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知，工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合改性瀝青的性能有很大的影響。與基質(zhì)瀝青相比，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)得到大幅度提高，說明復(fù)合改性具有較好的高溫性能；隨著溫度升高，延度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)；通過表4 可知，工藝參數(shù)對(duì)黏度沒有太大影響，故而膠粉摻量是影響復(fù)合改性瀝青黏度重要因素。

2.1 極差分析

極差分析是正交設(shè)計(jì)常用的分析方法。它簡(jiǎn)單易懂，操作方便，是人們常用的一種分析方法。主要包括計(jì)算和判斷兩個(gè)兩個(gè)步驟。計(jì)算方法如下：

（1）計(jì)算各因素水平之和

（2）計(jì)算各KJM 的平均值以及最大平均值和最小平均值之差

2.2 低溫性能分析

目前，在我國(guó)測(cè)試瀝青性主要是利用延度儀。主要步驟：首先，將完成后的試模放在25℃的環(huán)境下靜置1.5 個(gè)小時(shí)，然后利用熱刮刀片清楚高出試模的部分瀝青；其次，開動(dòng)延度儀，使延度儀處于“制冷”、“水泵”模式，使其水浴達(dá)到5℃。最后。將試模放到延度儀中，冷卻時(shí)間為1.5 小時(shí)，然后進(jìn)行暫停制冷和水泵，按動(dòng)“延度”按鈕，當(dāng)試件拉斷時(shí)，讀取示數(shù)。

通過表5 可知，各個(gè)因素對(duì)復(fù)合改性瀝青的延度指標(biāo)影響較大，其中極大值為5.1，說明剪切時(shí)間對(duì)延度影響最大，發(fā)育時(shí)間和剪切溫度次之，攪拌時(shí)間影響最小。從表5 可以看出隨著剪切溫度升高，延度呈現(xiàn)大幅度提高，但當(dāng)剪切溫度提升到190℃以后，延度進(jìn)一步提高，但增加幅度減小，猜測(cè)原因可能是隨著溫度升高，基質(zhì)瀝青部分老化，導(dǎo)致延度增加緩慢。

表5 軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

2.3 高溫性能分析

表6 軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

目前，我國(guó)常用軟化點(diǎn)儀和美國(guó)的差示掃描熱量（DSC）評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能。鑒于試驗(yàn)條件的限制，本文主要采用無錫市石油儀器設(shè)備有限公司提供的WSY-026 數(shù)顯式瀝青針入度測(cè)定儀。

主要步驟為將澆完模以后的試模置放在25℃的環(huán)境下靜置30 分鐘，然后將其放在5℃的水浴中放置15 分鐘，然后利用軟化點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)試樣受熱融化以后，與下層底板接觸的時(shí)候，立即讀取準(zhǔn)確至0.5。測(cè)得數(shù)據(jù)為表6 所示。

通過表6 可知，發(fā)育時(shí)間極差最大。說明發(fā)育時(shí)間對(duì)于軟化點(diǎn)影響較大，其次是剪切溫度，剪切時(shí)間和攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合改性影響較小。因此，在對(duì)南疆地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)段測(cè)試時(shí)，應(yīng)充分考慮發(fā)育時(shí)間的影響。

2.4 針入度分析

表7 針入度數(shù)據(jù)分析

針入度分級(jí)體系、粘度分級(jí)體系以及PG 分級(jí)體系是世界上常用的測(cè)定瀝青稠度的方法。雖然有越來越多的研究表明，針入度并不能很好的表明瀝青粘度，但由于條件限制，試驗(yàn)仍然采用針入度分級(jí)體系，其方法是取出達(dá)到室溫的盛樣皿，試樣表面以上的水面不低于10mm；將試樣放入水浴之中，調(diào)整螺旋桿并通過反光鏡使針尖剛好接觸到瀝青表面；開始試驗(yàn)，按下釋放鍵，至5s 停止，讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表7 所示。

通過表7 可知，剪切時(shí)間影響最大，剪切溫度和攪拌時(shí)間對(duì)針入度影響程度次之，且影響相同，發(fā)育時(shí)間影響最小

3 結(jié)語

通過正交設(shè)計(jì)研究方案，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用極差分析研究各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)于瀝青性能的影響，可得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際不同情況，對(duì)不同指標(biāo)研究不同工藝對(duì)改性瀝青性能的影響。

（2）考慮到改性瀝青延度較小的特點(diǎn)，因此本文主要研究發(fā)育時(shí)間、剪切時(shí)間對(duì)改性瀝青影響。