脱硫橡胶沥青改性机理及改性效果分析

刘 洋 1，李乐颖 2,3

摘要：为了探究脱硫橡胶改性沥青的机理及改性效果，本文通过相关试验，对脱硫橡胶沥青的机理及技术性能进行了分析，研究结果表明：脱硫橡胶颗粒与沥青以两相共混的形式保持胶体体系；采用40目的脱硫橡胶沥青，掺量不超过9.1%，在175℃±5℃的温度下剪切30-40min，然后置于165℃的环境箱中发育120min，期间并不断的搅拌得到的改性沥青技术性能最佳。

关键词：脱硫橡胶；改性沥青；机理；改性效果

1 引言

与我国汽车保有量的持续增长相伴随的现象之一是废旧橡胶轮胎的大量堆积，据不完全统计，我国现废旧轮胎的存量以每年1500万吨左右的速度递增，这不仅造成了大量的土地浪费，并且形成了较大的消防隐患^[1]。为此，国家相继出台了多项措施，加速废旧轮胎的资源化消耗力度，其中将废旧轮胎粉碎为细小的微颗粒应用到沥青的改性中去已经成为了资源化处置中的一项重要途径^[2]。橡胶改性沥青具有许多优良的性质，例如良好的高温性能，出色的抗老化性能，以及其他改性沥青所不能比拟的耐久性与弹性。但不可否认的是，橡胶改性沥青也存在许多缺点，例如较大黏滞性造成了施工拌和不便性，较大的离析软化点使得橡胶改性沥青难以存储及运输，此外，橡胶颗粒在加工过程中难免会混入一些相对较大的橡胶颗粒，这些颗粒在与沥青的混溶过程中难以消解为足够小的颗粒，这对橡胶改性沥青的高低温性能均造成了一定的影响^[3]。

为了道路工作者们通过多种途径探索橡胶改性沥青的工艺，试图破解其生产与应用过程中的瓶颈，提升橡胶改性沥青的技术性能及市场占有率。其中脱硫橡胶工艺的处理工艺引起了业界的的广泛关注，当对橡胶进行脱硫活化处理之后，橡胶颗粒与沥青的反应激烈程度显著增加，反应彻底程度从根本上得到了提升，这为橡胶沥青的发展方向开辟了一条新的途径^[4-5]。

本文正是在上述研究背景，对脱硫橡胶改性沥青的改性机理展开了研究工作，并对脱硫橡胶沥青的改性效果进行了试验研究，研究成果为脱硫橡胶沥青的应用于推广具有一定的理论指导意义。

2改性机理分析与试验设计

脱硫橡胶粉与沥青在高温状态下混合后，胶粉不断的吸附沥青中的饱和分和芳香分等轻质组分，在达到一定的吸持量后，胶粉颗粒便胀裂为更小的颗粒，同时溶胀作用不断继续。在外界剪切作用的帮助下，这种吸附溶胀现象将更加迅速与激烈。在溶胀过程结束后，细小的胶粉颗粒将与沥青中的其他成分继续作用，进而形成了不同相（沥青相-脱硫胶粉相）的共混胶体体系。由于脱硫橡胶粉相的存在，沥青的性能将因此改变，特别是弹性的增加及黏度的增大。此外，由于脱硫胶粉的掺入，沥青中的四组分平衡因此打破，造成了饱和分与芳香分比例减小，而沥青质以及胶质的占比增大，这在一定程度上也造成了沥青性能的改变。由于脱硫橡胶颗粒与普通橡胶颗粒相比，其与沥青的吸附溶胀过程更加激烈、更加彻底，溶胀后的胶粉颗粒更小，越容易保持沥青相与脱硫胶粉相的物相平衡状态，因此其贮存稳定性将大大的提升。脱硫橡胶工艺使得其与沥青的共混合后得到体系的黏度不至于过大，很好地克服了常规橡胶改性沥青黏度过大施工拌和不易的难题。

本文选择脱硫橡胶颗粒为原材料，其粒径大小分别为40目、80目和200目，掺量均为8%，沥青材料90#基质沥青。本文选择了剪切温度150℃、160℃、170℃、180℃、190℃等五种温度为试验温度，剪切时间分别为20min、30min、40min、50min，然后发育时间统一为120min。根据上述条件设计了三因素三水平的正交试验，以此来减小试验工作量。

根据上述试验的结果选择合理的生产工艺，通过调整脱硫橡胶的掺量，分析掺量对脱硫橡胶改性沥青的影响。本文采用的橡胶沥青的掺量有4%、8%、12%及16%。研究了脱硫橡胶改性沥青的旋转粘度、离析软化点等技术指标。

3试验结果分析

通过本文设计的正交试验发现，随着脱硫橡胶颗粒的不断减小，脱硫橡胶改性沥青的针入度有所降低，同时黏滞性和软化点不断增大、延度显著增大。说明脱硫橡胶颗粒越小，沥青的黏滞性越大、低温性能越好。试验中还发现，无论脱硫橡胶颗粒粒径大小，脱硫橡胶沥青的最大旋转粘度仅为2.451Pas，小于规范规定的不大于3Pas的规定，这表明其施工和易性良好。试验结果还显示，剪切时间温度并未越高越好，当剪切温度超过180℃以后，沥青的各项技术指标不再出现明显的变化，但温度过高在试验过程中出现了大量沥青烟，表明沥青的老化相对严重，所以本文建议脱硫橡胶沥青在制备过程中其剪切温度不易超过180℃，保持在175℃±5℃为宜。关于剪切时间，试验结果提示，当剪切时间在30-40min时，脱硫橡胶沥青的各项技术性能均达到较大值，剪切时间的继续提升并不能使得技术性能进一步的提高，从制备过程中的低碳角度考虑，本文推荐脱硫橡胶沥青的剪切时间为35±5min。由此，本文推荐脱硫橡胶沥青的最佳生产工艺为，采用40目的脱硫橡胶沥青，在175℃±5℃的温度下剪切30-40min，然后置于165℃的环境箱中发育120min，期间并不断的搅拌。

根据上述脱硫橡胶沥青的制备工艺，分别制备了脱硫橡颗粒掺量为4%、8%、12%及16%的改性沥青，并测试其旋转粘度、离析软化点等技术指标。试验结果显示，随着脱硫橡胶颗粒掺量的不断增大，改性沥青的黏滞性不断增加，特别是当掺量达到12%时，脱硫橡胶颗粒的135℃旋转粘度迫近3Pas，当掺量达到16%时，135℃旋转粘度更是达到了3.4Pas，这已经远远超过了规范规定的极限值，对于施工和易性不利，所以基于上述实验数据，本文推荐脱硫橡胶颗粒的最大掺量不宜超过12%。当橡胶颗粒不断增大时，脱硫橡胶改性沥青的软化点不断增加，且均满足相关规范的最小值，针入度也均在规范规定的范围内，但延度指标缺有所降低，当脱硫橡胶颗粒的掺量达到12%时，其延度已经小于30cm，已经低于规范的最小值，所以鉴于低温指标的限制及本文试验结果表现出的规律，建议橡胶颗粒的掺量不大于10%。

在48h离析软化点试验中，随着掺量的不断增大，脱硫橡胶颗粒48h离析软化点差不断增大，当掺量为12时，软化点差为3.5℃，这已经大于了规范规定的最大值2.5℃。根据试验规律拟合的脱硫橡胶颗粒的最大掺量为9.1%，这表明离析问题仍然是摆在脱硫橡胶应用面前的一项障碍，建议施工单位在使用过程中，尽可能的采用生产受立即使用、且运输过程中不断搅拌等方式降低离析造成的影响。

3 结语

本文通过相关试验，对脱硫橡胶沥青的机理及技术性能进行了分析，得到的主要结论如下：脱硫橡胶颗粒与沥青以两相共混的形式保持胶体体系；采用40目的脱硫橡胶沥青，掺量不超过9.1%，在175℃±5℃的温度下剪切30-40min，然后置于165℃的环境箱中发育120min，期间并不断的搅拌得到的改性沥青技术性能最佳。

参考文献：

[1]谭继宗, 刘靖, 徐升,等. 级配对橡胶沥青混合料高温性能影响研究[J]. 中外公路, 2021, 41(2):301-306.

[2]张洪刚, 谭华, 刘文昌,等. 基质沥青化学组分对橡胶沥青性能影响的灰关联分析[J]. 公路, 2021, 66(04):274-281.

[3]武金博. 橡胶沥青混合料拌和温度优化研究[J]. 公路工程, 2021, 46(3):295-300.

[4]栗培龙, 王霄, 孙胜飞,等. 不同制备方法的橡胶沥青黏度特性对比分析[J]. 硅酸盐通报, 2021, 40(9):3159-3167.

[5]姚爱玲, 曹昊楠, 焦山锁,等. 高性能橡胶沥青CAPE封层设计及路用性能[J]. 中国科技论文, 2021, 16(4):430-436.