废胎胶粉改性沥青影响因素探讨

发布日期:2015-05-04 15:17:30
废胎胶粉改性沥青影响因素探讨
随着国民经济的发展,交通密度和重型车辆 日益增多,使沥青路面受到严峻的考验。许多道 路建成不久,就发生了高温车澈变形、路表面开 裂、水损害等早期病害。因此,如何改善国产沥 青的技术性能,延长沥青路面的使用寿命,已经 成为广大道路科技工作者所面临的重大课题。
 
从橡胶沥青的生产工艺来探讨胶粉粒径、胶 粉种类、胶粉掺量以及胶粉搅拌工艺对改性沥青 性能的影响。
 
1材料 1.1胶粉废胎胶粉来自于废轮胎,而轮胎由多种成分按不同配方组成,一般大致可分为两大类:一是 斜交胎轮胎,二是子午胎轮胎。
 
图1、图2为这两种轮胎的典型结构图。从 结构上来说,这两种轮胎最主要的区别在于是否 有丝存在(子午胎有,斜交胎没有)。因此, 用于加工废胎胶粉的轮胎按来源可分为乘用车轮 胎(子午胎)、轻型载货汽车轮胎、重型载货汽 车和公共汽车轮胎(斜交胎)等。
 
图2子午轮胎结构图1.2基质沥青研究基质沥青采用中海70号和韩国SK70 号沥青,基本技术指标见表1。
 
表1基质沥育三大常规指标项目基质沥青中海70号SIC70 号针人度/ (10-11nm)67.564.0软化点/丈49.049.8延度/cm5^C8.68.815X>100>1001.3废胎胶粉改性沥青的制备废胎胶粉改性沥青的制备按如下步骤进行:a)容器中加入一定量的基质沥青,加热并 不断撹拌,防止局部过热。
 
b)当温度达到或接近所要求温度时,开动 高速搅拌剪切机,转速由小到大,边剪切边加人 胶粉,胶粉要一点一点的加人,并保证均匀加 人。
 
c)当胶粉加人完毕,将剪切机的转速调至 规定转速,搅拌规定的时间,并注意搅拌过程温 度的保持。
 
d)达到搅拌剪切规定时间后,倒出沥青样 品。
 
2胶粉改性沥青性能影响因素 2.1搅袢温度对改性沥青性能的影响不同搅拌温度下,废胎胶粉改性沥青常规性 能试验结果如表2所示。
 
表2不同搅袢温度胶粉改性沥青常规性能试验结果项目15X针人度/ (10 ―1 mm)
 
25^30X- PI软化点/ X延度(5t) / cm140X20.557.7100.8-0.9052.810.5160^19.752.894.2-0.7654.112.7mx19.349.688.5-0.5755.714.22J00X19.550.991.8-0.6855.013.8中海70号基质沥青22.667.5119.5-1.1949.08.6注:中海AH-70号、斜交胎80目胶粉(掺量20%);搅拌时间1 h、搅拌速度7 000i/min。
 
2.1.1对改性沥青软化点的影响搅拌温度对改性沥青软化点的影响试验结果 见表2。掺入废胎胶粉后,沥青的软化点提高, 说明废胎改性沥青的高温稳定性较基质沥青有所 提高。而废胎胶粉剂量一定时,其软化点的变化 趋势如图3所示,随着温度的升高,改性沥青的 软化点逐渐的升高,直到180T时为最高,后又 开始下降。
 
当搅拌温度较低时,沥青中的高分子链运动 相对较小,分子链运动起来越容易,运动时所需 克服的阻力越小,也就是说,改性沥青由粘弹态 向粘流态转变所需的温度越低,其软化点越低; 当搅拌温度升高时,改性沥青中的胶质分子与橡 胶粒及橡胶粒表面分子的结合机率增大,最终导 致改性沥青的软化点相应升高。当温度再高时, 虽然分子链段运动更容易,但由于废胎胶粉中橡 胶的抗拉强度降低,废胎胶粉颗粒的高弹性能就 会降低,使改性沥青的软化点降低,对沥青的改 性失去意义。所以废胎胶粉改性沥青的搅拌温度 选定在180<€左右较为适宜。
 
1 一中海70号基质沥青的软化点;2—搅拌温度为140弋的改性沥青的软化点3—揽拌温度为leot的改性沥青的软化点4—揽拌温度为lSOt的改性沥青的软化点5—搅拌温度为2001C的改性沥青的软化点。
 
2.1.2对改性沥青延度的影响搅拌温度对改性沥青延度的影响试验结果见 表2。掺人橡胶粉后,沥青的延度提高,说明改 性沥青的低温抗裂性较基质沥青有所改善。
 
从图4中的趋势可以看出,由于温度过低, 沥青的粘性作用不利于搅拌,使胶粉不能充分溶 于沥青中,部分胶粉在沥青中形成积聚小团,在 宏观上表现为沥青表面粗糙;温度过高,虽然降 低沥青的粘度,但使沥青在过高的温度下氧化降 解,降低基质沥青的性能,反而使沥青的延度下 降,达不到改性效果。所以废胎胶粉改性沥青的 搅拌温度选定在180^:左右较为合适。
 
2.1.3对改性沥青针入度的影响搅拌温度对改性沥青针人度的影响试验结果 见表2。不同搅拌温度下基质沥青与改性沥青的 针入度变化趋势如图5所示。
 
1—中海70号基质沥青的针人度;2、3、4、5—分别表示搅拌温度为 140*C、1601C、180T、200^ 的改 性沥青的针入度。
 
a)用当量软化点7^来评价改性沥青的高 温性能:当量软化点^计算公式如下:Tm= (2.9031 -A:) /A(1)
 
根据式(1)求出基质沥青和不同搅拌温度 下改性沥青的7^值。
 
①中海70号基质沥青 Tm =47. 2X②搅拌温度为140^的改性沥青 ^=49.7^③搅拌温度为letrc的改性沥青 Tm =50.9^④搅拌温度为180弋的改性沥青 Tm =52. 2T:⑤搅拌温度为200<€的改性沥青 Tm =51.5<C从当量软化点的数值来看,掺加废胎胶粉以 后,改性沥青的当量软化点提高,这项指标更科 学地表明,改性沥青的高温稳定性提高。在 180T的搅拌温度时当量软化点最高,说明这个 搅拌温度是合适的。
 
b)用当量脆点7.2来评价改性沥青的低温 抗裂性能:当量脆点计算公式如下: ri2 = (0.0792 -[) /A(2)
 
根据式(2)求出基质沥青和搅拌温度不同 时改性沥青的7;2值。
 
①中海70号基质沥青rI2= -11.5^②损拌温度为140T的改性沥青 TX1 = -11.9^③撹拌温度为160X的改性沥青 Tl2= -12AX④揽拌温度为180T的改性沥青 T12 = -12. 8X:⑤搅拌温度为200T的改性沥青 7 2 = - 12. 3T:王振龙等?废胎胶粉改性沥青影响因素探讨第4期从上面当量脆点7.2的计算数值可以看出, 加人废胎胶粉以后,改性沥青的低温抗裂性能有 了很大程度的提高,而且以搅拌温度18(TC时为 最高。
 
452.2废胎胶粉粒径对改性沥青性能的影响采用2种胶粉、3种粒径的废胎胶粉对中海 7〇号基质沥青进行改性,胶粉掺量为20%,测 试结果见表3和表4。
 
表3废胎胶粉改性沥青常规性能指标试验结果项目中海70号斜交胎胶粉子午胎胶粉基质沥青20目40目80目20目40目80 @针人度/ (10-1 mm)
 
15^22.618.018.819.319.620.120.625X.67.546.148.549.650.453.755.630X.119.580.585.288.593.095.8100.2PI-1.19-0.48-0.53-0.57-0.70-0.75-0.82rL2/ic-11.5-12.2-12.4-12.5-12.1-12.3-12.3^800’尤47.253.452.752.251.450.850.2软化点/尤49.058.256.455.754.353.252.8延度(5弋)/cm8.613.513.814.211.411.912.3弹性恢复,%878482807775表4废胎胶粉改性沥青SHRP性能指标试验结果项目温度/斜交胎胶粉子午胎胶粉技术指标丈20目40目80目20目40目80目动态剪切流变仪原样沥青(GWsinS)/kPa705.129 74.637 34.091 62.186 11.924 21.712 6^1.00762. 813 12.497 92,208 51.526 51.307 91.098 9821.693 61.490 21.369 50. 988 40. 867 50. 761 2RTFOT后(C* /8in5)/kPa7010.434 99.985 09.311 44.729 14.529 84.143 5^ 2.20765.603 35.073 74.813 42.671 12.435 52. 212 7822. 895 52.616 72.565 91.648 61.397 51.244 0PAV后(CVsin5) /kPa274 9914 8254 876含 5 000314 1133 9754 208弯曲梁流变仪PAV后S/MPa-22110.2117,5120.1140.7146.6151.9^ 300-28182.4183.2181.7260.8254.2263.3m-220.4120.4200. 4190.4210.4190.426芎 0.30-280.3280.3300. 3270.3310.3350.329PG等级82-2882-2882-2876-2876 -2876-28由表3、表4数据可以看出,中海70号基 质沥青加入废胎胶粉改性以后,针人度减小、软 化点和当量软化点7^升高、抗车辙因子 (CVsin5)增大,其高温性能得到改善;低温延 度增大、当量脆点7;2减小、蠕变劲度(S)减 小、蠕变速率(m)增大,其低温性能得到改 善;针人度指数(P/)增大,沥青的温度敏感 性降低、温度稳定性提高;弹性恢复增大,抗疲5554劳因子(G、in5)减小,沥青的抗疲劳性能得 到改善。
 
同时,由表3也可以看出橡胶粉的粒径不 同,对沥青的改性结果有一定的差异。粒径大的 胶粉对沥青的软化点、弹性恢复的改善效果较 好,而粒径小的胶粉对沥青的延度的提高更为明 显,沥青针人度的降低也较小。
 
表4的数据表明,相同种类、不同粒径胶粉 的橡胶沥青,其低温弯曲蠕变劲度、蠕变速率, 以及动态剪切试验的疲劳因子数据比较接近,性 能相当。
 
2.2.1废胎胶粉种类对改性沥青性能的影响由表3可知,两种胶粉均对沥青表现出优良 的改性效果。软化点、5尤延度、弹性恢复均显 着增加,针人度下降。这表明经胶粉改性后,沥 青的耐高低温性均得到了改善。相比较而言,斜 胶胎胶粉比子午胎胶粉在低温延度(5<C)和弹 性恢复方面的改性效果好。
 
对比两种废胎胶粉改性沥青的软化点(见 图6)及抗车辙因子(见图7)可知,对改性沥 青高温性能的改善效果,斜交胎胶粉的优于子午 胎胶粉。
 
低温蠕变试验表明(见图8),斜交胎胶粉 改性沥青的蠕变劲度较小,显示了较好的低温柔 性。
 
2.3废胎胶粉掺重对改性沥青性能的影响搅拌温度一定时,不同掺量对沥青改性的影 响的试验数据如表5所示。
 
表S不同掺量胶粉改性沥青常规性能试验结果项目中海70号斜交胎80目胶粉掺量,%基质沥青10152025针入度/(l〇-lnun)67.562.056.249.649.8软化点/T49.053.154.655.755.9延度(5X:>/Cm8.610.812.414.216.4a)废胎胶粉掺量对改性沥青软化点的影响改性沥青的软化点与废胎胶粉掺量的关系如 图9所示。
 
图9胶粉掺量和软化点关系从表5和图9可以看出,在一定的搅拌温度 下,随着橡胶粉剂量的增加,改性沥青的软化点 基本上呈递增关系,而且改性沥青的软化点比基5 4 3 2IX lx IX§/sf 域质沥青都有所增加,说明改性沥青的高温性能有 所改善。当橡胶粉掺量为20%时,软化点就不 出现明显的改变。
 
分析原因,当废胎胶粉剂量增加时沥青胶团 (胶质和沥青质)中的胶质与没有溶人沥青中的 胶粉颗粒的空间网状结构由于互相亲和结合在一 块的机率增加,产生较好的改性效应,因此,改 性沥青的软化点也就相应增加。而当废胎胶粉掺 量增加到一定值时,胶粉与沥青的结合达到了相 应的饱和程度,这样,随着废胎胶粉掺量的增 加,改性效应趋势减弱,改性沥青软化点也就不 再明显变化。因此,废胎胶粉掺量在20%左右 较为适宜。
 
b)废胎胶粉掺量对改性沥青延度的影响改性沥青的延度(5<C)与废胎胶粉掺量的 关系如图10所示。
 
10.8c)废胎胶粉掺量对改性沥青针人度的影响改性沥青的针入度与废胎胶粉掺量的关系如 图11所示。
 
图11胶粉掺量与针人度的关系废胎胶粉改性沥青的感温性能指标可采用针 入度温度敏感性系数U)和P/。计算方法如式 (3)和式(4),废胎胶粉掺量为10, 15, 20, 25%时,A和PI计算结果如表6所示。
 
A= (lg800-lgP) / (T^-25)(3)
 
式中:P—25T下改性沥青针人度,1/10 mm; ——改性沥青软化点,弋。
 
W的计算公式如下:510152025胶粉掺量,》.
 
式中:>1一针人度温度敏感性系数。
 
图10胶粉掺量与延度的关系从表5和图10可以看出,随着废胎胶粉掺 量的增加,改性沥青的低温延度基本上也呈递增 关系,说明改性沥青的低温性能有所改善。当废 胎胶粉掺量为20%时,延度就不出现明显的改 变。
 
分析原因,5T延度反映改性沥青的低温柔 初性,其除了与沥青的蜡含量有关外,还与沥青 的组分有关。当废胎胶粉掺量增加时,胶粉吸收 沥青中的轻质组分发生溶胀,使沥青质含量的增 加,沥青粘度增加,延度相应增大;当废胎胶粉 掺量很大时,有部分胶粉就会在沥青中形成胶粉 小团,除了对软化点没有提高作用,反而会对沥 青的延度产生负面影响。因此,橡胶粉掺量为 20%左右较为适宜。
 
表6不同胶粉掺置改性沥青的4及《敛据项目废胎胶粉改性沥青基质10%15%20%25%沥青A0.0470.0450.0370.0430.048PI—0.66-0. 62-0.57-0.59-1.19表6的数据表明,当搅拌温度为180<C时, 随着废胎胶粉掺量的不同改性沥青的4值、W 值也在变化,但橡胶粉掺量为20%时的改性沥 青的4值、P/值最佳。
 
2.4不同基质沥青类型试验结果采用斜交胎80目胶粉分别改性中海70号沥 青和SK70号沥青,测得常规性能指标如表7所 7K 〇
 
表7不同基质沥青类型胶粉改性沥II常规指标试验结果中海70号470号 中海70号sk70号 +斜交胎+斜交胎 ^ B基质沥青基质沥青8〇目胶粉80目胶粉改性沥青改性沥青针人度/(1〇_1 _)
 
5°C22.622.019.318.725X67.564.049.648.230^119.5111.788.585.1PI-1.19-1.04-0. 57-0.55-11.5-11.9-12.5-12.3w弋47.248.352,252.7软化点/弋49.049.855.756.4延度(5^)/〇118.68.814.414.2弹性恢复,%7476从表7可以看出,两种沥青经过废胎胶粉改 性后,性能均得到较好改善。
 
3结论a)在胶粉掺量、种类、粒径一定的情况下,搅 拌温度为180^0对基质沥青的性能影响最佳。
 
b)试验结果表明:粒径大的胶粉对沥青软化 点、弹性恢复的改善效果最好,而粒径小的胶粉对 沥青的延度提高更为明显,沥青针人度的降低也 较小。
 
<0斜交胎比子午胎在低温延度(5^)、弹性恢复、蠕变进度等方面有更佳的改性效果。
 
d)在搅拌温度、胶粉种类、基质沥青一定情 况下,胶粉掺量为20%时对沥青改性效果最佳。
 
e)从高温性能、感温性能及弹性性能指标来 看,中海70号改性效果不如SK70号沥青,但其 低温指标略好。总体上,两种改性沥青性能差别 较小。