基于正交試驗(yàn)的SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能分析

傅 珍, 常曉絨, 代佳勝, 董文豪, 周 躍

(1.長安大學(xué)材料學(xué)院, 西安 710064； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院, 西安710064)

交通荷載的增加及極端氣候的影響,導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)各種病害,尤其是高溫永久變形和溫度疲勞開裂[1-2]。對高質(zhì)量瀝青結(jié)合料的迫切需求促使研究者開發(fā)了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene butadiene styrene,SBS)、丁苯橡膠(styrene butadiene ru-bber,SBR)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene ethy-lene butadiene styrene,SEBS)等各種聚合物改性瀝青,其中兩種及兩種以上聚合物材料組成的復(fù)合改性瀝青因能結(jié)合不同改性劑的優(yōu)勢而引起廣泛關(guān)注[3-4]。

彈性體增加了瀝青的彈性性能,導(dǎo)致瀝青松弛特性擴(kuò)大,延度提升。Wang等[5]研究發(fā)現(xiàn)廢舊膠粉(crumb rubber,CR)改性瀝青低溫性能較優(yōu),對瀝青高溫性能改善有限；Liu等[6]研究表明，膠粉摻量的增加能夠改善瀝青的抗車轍性能和彈性恢復(fù)率，但膠粉與瀝青之間的性能差異,會導(dǎo)致兩者混合后出現(xiàn)離析、質(zhì)量不穩(wěn)定、儲存性不佳等問題[7-8]。因此,有學(xué)者提出橡膠復(fù)合改性瀝青,其中SBS/橡膠粉改性瀝青研究最為廣泛[9-10],但SBS因丁二烯鏈段兩端不飽和雙鍵的存在,會對改性瀝青相容性和穩(wěn)定性造成影響[11]。SEBS是SBS中B段上選擇性加氫的產(chǎn)物,其穩(wěn)定性和抗老化性能較SBS更優(yōu)異[12]。研究表明SEBS改性瀝青的熱穩(wěn)定性、耐光氧老化性和相容性均優(yōu)于SBS改性瀝青[13-15],因此,理論上采用SEBS和橡膠粉進(jìn)行復(fù)合改性能更好提高瀝青的使用性能。馬峰等[16]對SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青低溫性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明其低溫性能優(yōu)越。根據(jù)目前研究可知,膠粉、SEBS作為改性劑對瀝青性能均有所改善,且主要以單一改性劑作為研究對象,而SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的研究較少,同時(shí)兩種改性劑在瀝青中的摻配比例及復(fù)合改性瀝青使用性能方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

為此，采用正交試驗(yàn)確定復(fù)合改性瀝青各因素的最佳摻量,并與膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青作對比分析,研究SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的黏滯性、高低溫性能、感溫性及抗老化性,為推廣SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青在道路工程中應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

研究選用雙龍A-90#基質(zhì)瀝青,相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 90#瀝青相關(guān)性能指標(biāo)Table 1 Performances of90# asphalt

橡膠粉顆粒大小為60目,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表2所示；SEBS采用中石化生產(chǎn)的YH-561型熱塑性橡膠,其各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

表2 橡膠粉相關(guān)性能指標(biāo)Table 2 Rubber powder related performance index

表3 SEBS主要指標(biāo)Table 3 Main technical indicators of SEBS

1.2 復(fù)合改性瀝青制備

SBES/橡膠粉復(fù)合改性瀝青中橡膠粉摻量為14%、15%、16%,SEBS改性劑摻量為瀝青總質(zhì)量的4%、5%、6%；制備過程中兩種改性劑加入順序?qū)Τ善犯男詾r青有一定影響,因此試驗(yàn)采用3種不同的制備方案，具體如下。

1.2.1 方案1

將基質(zhì)瀝青在180 ℃烘箱中放置1.5 h使其呈熔融狀態(tài),采用人工攪拌方式將SEBS、橡膠粉、1.5%相容劑分多次加入,使用5 500 r/min高速剪切機(jī)剪切60 min,加入1.5%穩(wěn)定劑后人工攪拌20 min去除氣泡,放入160 ℃烘箱中溶脹發(fā)育1 h。

1.2.2 方案2

將膠粉分多次加入熔融狀態(tài)的基質(zhì)瀝青中攪拌均勻,180 ℃下采用4 500 r/min高速剪切機(jī)剪切30 min；分批次加入SEBS改性劑、1.5%相容劑,6 000 r/min剪切機(jī)剪切時(shí)間30 min,加入1.5%穩(wěn)定劑后使用玻璃棒攪拌10 min,放入180 ℃烘箱中溶脹發(fā)育60 min。

1.2.3 方案3

改性劑的加入順序與方案2相反,即先加入SEBS和相容劑,后加入橡膠粉和穩(wěn)定劑,制備過程與方案2相同。

1.3 試驗(yàn)方案

基于正交試驗(yàn)結(jié)果分析SEBS和橡膠粉的摻量,并確定SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的最佳制備方案。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011),進(jìn)行三大指標(biāo)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度、短期老化模擬(RTFOT)等試驗(yàn)對復(fù)合改性瀝青、橡膠改性瀝青、SEBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青的黏滯性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、感溫性及抗老化性進(jìn)行對比分析。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)綜合可比性

試驗(yàn)擬定三因素三水平,選用L9(34)正交表: SEBS摻量(4%、5%、6%)、橡膠粉摻量(14%、15%、16%)、制備方法(方案1、方案2、方案3),不考慮因素間交互作用,令SEBS摻量為因素A、橡膠粉摻量為因素B、制備方案為因素C,正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平表如表4所示。

表4 因素水平Table 4 Factor level

通過正交試驗(yàn)確定出使SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)達(dá)到所需要求的最佳試驗(yàn),對其軟化點(diǎn)、延度、針入度測試,采用綜合平衡法進(jìn)行分析,找出最佳因素搭配；正交試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案Table 5 Orthogonal design experiment scheme

按規(guī)定方案進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如表6所示。其中Ki表示任一列上水平號為i時(shí),所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和，i=1,2,3；ki表示任一列上因素水平取i時(shí),所得試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值,i=1,2,3；s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)；R為數(shù)據(jù)結(jié)果的極差。

表6 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Orthogonal design test result

2.2 正交試驗(yàn)水平均值分析

將10 ℃延度、軟化點(diǎn)、25 ℃針入度分別作為描述瀝青低溫性能、高溫性能與黏滯性能3個(gè)指標(biāo)。為分析三因素變化對瀝青高低溫性能及黏滯性能的影響,將三因素的不同指標(biāo)繪制在圖1中。

圖1 各因素對瀝青三大指標(biāo)影響Fig.1 Influence of various factors on the three major indexes of asphalt

對于10 ℃延度而言,其值越大表明瀝青的低溫抗裂性越好。從圖1(a)可以看出,僅從瀝青低溫性能考慮,SEBS和橡膠粉的最佳摻量分別為5%、14%。制備方法為屬性因素,因此不考慮橫坐標(biāo)影響,依據(jù)延度值大小可知采用方案1最為合適。各因素的水平改變對指標(biāo)的影響因素可通過極差來反映,極差越大表明該因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對指標(biāo)的影響最為明顯,根據(jù)表6瀝青延度的極差結(jié)果可知SEBS摻量是影響復(fù)合改性瀝青低溫性能的最主要因素。故復(fù)合改性瀝青低溫性能較好,應(yīng)選方案為A3B1C3。

對于25 ℃針入度而言,其值越小表明瀝青黏滯性越好。由圖1(b)瀝青針入度隨橡膠粉、SEBS摻量變化趨勢可知,SEBS和橡膠粉最佳摻量為5%、16%；采用制備方案2時(shí)瀝青針入度值最小,瀝青黏滯性最優(yōu)。依據(jù)表6針入度極差結(jié)果RB>RA>RC可知,表明膠粉摻量是影響瀝青黏滯性的最主要因素。為得到黏滯性較優(yōu)的復(fù)合改性瀝青,應(yīng)選方案B2A3C1。

軟化點(diǎn)值越大表明瀝青高溫穩(wěn)定性越好。依據(jù)圖1(c)可知,僅從瀝青高溫性能考慮,SEBS和橡膠粉的最佳摻量為5%、16%,依據(jù)軟化點(diǎn)值大小可知方案3最為合適；根據(jù)表6瀝青軟化點(diǎn)結(jié)果可知RA>RB>RC,SEBS摻量對復(fù)合改性瀝青高溫性能影響最為明顯,應(yīng)選方案為A3B2C2。

3 復(fù)合改性瀝青與基質(zhì)、SEBS、橡膠粉改性瀝青路用性能對比

分析可知,3個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的優(yōu)化方案各不相同,對3種方案進(jìn)行綜合平衡分析: SEBS摻量(因素A),3個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的最優(yōu)選擇均為A3。橡膠粉摻量(因素B),軟化點(diǎn)和針入度的最佳水平均為B2；且對于針入度而言,橡膠粉摻量為主要影響因素,故最優(yōu)選擇為B2。制備方法(因素C),對3個(gè)指標(biāo)的影響最小,考慮效率影響,選用制備時(shí)間較少的方案1,故最優(yōu)方案為A3B2C3。

將最優(yōu)方案制備的復(fù)合改性瀝青與基質(zhì)瀝青、5%SEBS改性瀝青、16%橡膠粉改性瀝青的針入度進(jìn)行測試,試驗(yàn)溫度為15、25、30 ℃,對結(jié)果進(jìn)行線性擬合,根據(jù)擬合參數(shù)計(jì)算4種改性瀝青針入度指數(shù)(PI)、當(dāng)量脆點(diǎn)(T1.2)、當(dāng)量軟化點(diǎn)(T800)、塑性溫度范圍(ΔT)等指標(biāo),綜合評估其路用性能。

3.1 溫度敏感性

計(jì)算上述4種改性瀝青的針入度指數(shù)、塑性溫度范圍(ΔT),結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知,3種改性瀝青的針入度指數(shù)較基質(zhì)瀝青均有所提升,其中復(fù)合改性瀝青的針入度指數(shù)雖小于膠粉改性瀝青,但與基質(zhì)瀝青、SEBS改性瀝青相比其針入度指數(shù)較大,表明SEBS/橡膠粉作為改性劑可降低基質(zhì)瀝青感溫性；由圖2(b)知,3種改性瀝青的塑性溫度范圍較基質(zhì)瀝青分別提升18.9、8.3、9.0 ℃,表明膠粉改性瀝青的溫度穩(wěn)定性最優(yōu),復(fù)合改性瀝青次之。

圖2 4種類型改性瀝青PI及ΔTFig.2 Four types of modified asphalt PI and ΔT

3.2 高溫性能

采用當(dāng)量軟化點(diǎn)(T800)和軟化點(diǎn)來表征4種改性瀝青的高溫穩(wěn)定性,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青及復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)(T800)和軟化點(diǎn)相與基質(zhì)瀝青相比有較大的提升,表明三種改性劑加入可以顯著改善瀝青的高溫穩(wěn)定性；且復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)最大,較基質(zhì)瀝青提高約20%和23%,表明復(fù)合改性劑對瀝青高溫性能的改善效果最為明顯。

圖3 4種類型改性瀝青軟化點(diǎn)及當(dāng)量軟化點(diǎn)Fig.3 Four types of modified asphalt softening point and equivalent softening point

3.3 低溫性能

采用當(dāng)量脆點(diǎn)(T1.2)和10 ℃延度來表征4種改性瀝青的低溫抗裂性能,結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知,3種改性瀝青10 ℃拉伸程度較基質(zhì)瀝青分別增長100%、89%、118%,表明3種改性劑的加入可顯著改善瀝青的低溫性能。其中復(fù)合改性瀝青作用效果最為明顯,這是因?yàn)镾EBS在瀝青中的分布狀態(tài)與SBS相似,呈“帶狀”分布；且橡膠粉的加入增大瀝青黏度致使復(fù)合改性瀝青低溫性能上升。

圖4(b)可知,3種改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)較基質(zhì)瀝青均有所提升,但復(fù)合改性瀝青提升幅度較小。雖然10 ℃延度和當(dāng)量脆點(diǎn)均是反映瀝青低溫特性的兩個(gè)指標(biāo),但10 ℃延度反應(yīng)瀝青在外力作用下的發(fā)生拉伸而不破壞的能力,而當(dāng)量脆點(diǎn)反映瀝青針入度為1.2時(shí)的溫度。因此復(fù)合改性瀝青主要是通過改善瀝青的延性來提高其低溫抗裂性能。

圖4 4種類型瀝青延度及當(dāng)量脆點(diǎn)Fig.4 Four types of asphalt ductility, equivalent brittle point

3.4 黏滯性

采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度、針入度分別表征瀝青黏度和稠度；分別測試了15、25、30 ℃下4種瀝青的針入度,結(jié)果如圖5(a)所示；測試4種不同類型改性瀝青在135、150、175 ℃下的布氏旋轉(zhuǎn)黏度如圖5(b)所示。

圖5 不同溫度下4種改性瀝青針入度及布氏黏度Fig.5 Penetration and brinell viscosity of four modified asphalts at different temperatures

由圖5(a)可知,改性劑的加入降低瀝青針入度,其中SEBS改性瀝青的針入度小于膠粉改性瀝青,可能是因?yàn)镾EBS中苯環(huán)的存在導(dǎo)致改性瀝青硬度增加,針入度降低；此外復(fù)合改性瀝青的針入度小于SEBS改性瀝青,這可能是因?yàn)槟z粉加入產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青針入度降低[17]。

由圖5(b)可知,相對SEBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青而言,膠粉改性瀝青在3種溫度下的布氏黏度值最大,表明膠粉改性瀝青抵抗剪切變形的能力較強(qiáng),在拌合過程中抗車轍能力較優(yōu),動穩(wěn)定度值最大,對瀝青的高溫改善效果最佳。在3種類型改性瀝青中,復(fù)合改性瀝青布氏黏度雖最小,但其值均遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青,且瀝青黏度滿足施工要求(135 ℃運(yùn)動黏度≤3 Pa·s),黏度過大會增加瀝青泵送和拌合難度。

3.5 短期老化模擬

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(yàn)(RTFOT)對3種改性瀝青進(jìn)行短期老化模擬,分別測試3大指標(biāo),通過對比老化前后延度差、質(zhì)量變化及殘留針入度比來評價(jià)4種瀝青的抗老化性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 短期老化前后4種瀝青指標(biāo)變化Fig.6 Changes of four asphalt indexes before and after short-term aging

瀝青老化會發(fā)生自然硬化、揮發(fā)物衰減、氧化反應(yīng)等現(xiàn)象,改變?yōu)r青內(nèi)部化學(xué)組分,因此老化試驗(yàn)是評價(jià)改性瀝青穩(wěn)定性的重要方法[18]。由圖6(a)可知，復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量損失與膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青變化相比較小,表明復(fù)合改性瀝青抗老化性能較優(yōu)。

殘留針入度比反映針入度受瀝青老化的影響程度。由圖6(b)可知，3種改性瀝青的殘留針入度比均大于基質(zhì)瀝青,且3種改性瀝青殘留針入度比相差較小,表明3種改性瀝青的針入度受瀝青老化的影響較小。由圖6(c)可以看出，4種類型瀝青在老化后延度均有所降低,其中膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青的殘留延度比增長幅度分別為52.6%、28.8%、41.6%,膠粉改性瀝青的增長幅度最大,對瀝青抗老化性能影響程度最嚴(yán)重。

4 結(jié)論

選用不同摻量的橡膠粉、SEBS及不同的制備方法,通過設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn),以10 ℃延度、25 ℃針入度以及軟化點(diǎn)3個(gè)基本試驗(yàn)作為評價(jià)指標(biāo),采用綜合平衡法得出相對較優(yōu)的因素水平組合；同時(shí)對比分析基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青、SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的高溫性能、低溫性能、溫度敏感性和抗老化性能,得出如下主要結(jié)論。

(1)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可知,SEBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青中SEBS和橡膠粉的最佳摻量為5%和16%,最佳制備方案為SEBS和橡膠粉同時(shí)加入,采用此方法制備的復(fù)合改性瀝青具有更好的使用性能。

(2)通過正交試驗(yàn)極差分析可知,對于瀝青黏滯性而言,橡膠粉的影響最為明顯,而對于改性瀝青的高低溫性能而言,SEBS摻量影響較大；由于制備的改性瀝青不僅考慮其路用性能,還需考慮其在拌合過程中的難易程度,因此在水平因素的選擇上還需考慮目標(biāo)需求。

(3)與基質(zhì)瀝青相比,復(fù)合改性瀝青的溫度敏感性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗老化性能得到顯著改善,其分別提升127%、20%、60%、99%,但與SEBS改性瀝青、膠粉改性瀝青相比,其感溫性較強(qiáng),因此在大溫差地區(qū)需重新考慮各因素?fù)脚浔攘小?/p>