废橡胶粉改性乳化沥青乳化效果和性能的试验研究

匡民明， 王　枫， 袁绪路， 周晓龙， 李承烈， 宋月芹

(华东理工大学 石油加工所， 上海　200237)



废橡胶粉改性乳化沥青乳化效果和性能的试验研究

匡民明， 王枫， 袁绪路， 周晓龙， 李承烈， 宋月芹

(华东理工大学 石油加工所， 上海200237)

[摘要]利用废轮胎胶粉作为沥青改性剂，采用降粘预处理工艺制备了废胶粉改性乳化沥青。实验对比了4种乳化剂对基质沥青乳化效果，考察了乳化时间、乳化剂用量、增稠剂用量、稳定剂用量和FCC油浆添加量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响，并利用光学显微镜分析了其微观结构。实验结果表明，乳化剂B与基质沥青的配伍性最好，在乳化时间为15 min，乳化剂用量为1.5%，增稠剂用量为0.5%，稳定剂用量为0.5%，FCC油浆用量为3%，SBR胶乳添加量1%时，制备得到废胶粉改性乳化沥青基本能满足我国乳化沥青大部分用途的标准要求。

[关键词]废胶粉； 改性沥青； 乳化； 制备

0前言

随着我国公路事业的发展，对道路施工环保节能提出了新的要求，使得乳化沥青对路面的养护和维修得到了广泛的运用。由于改性乳化沥青不仅具有改性沥青性能优越性的特点，而且能够实现冷施工，增加沥青与石料的黏附性、节约大量热量和环境污染较少的特点[1]。因此，国内外学者对改性乳化沥青进行大量的研究[2，3]，常见的改性乳化沥青有SBS乳化改性沥青，但是SBS价格昂贵，这在一定程度上制约了其推广和运用。另外，我国每年废轮胎数量都在以6%以上的速度增长，预计2020年废轮胎产生量将超过2 000万t[4]。研究表明[5，6]：利用废轮胎胶粉改性沥青能够很好改善沥青的高低温性能、抗开裂性能和耐疲劳性能。如果能利用废胶粉改性乳化沥青来替代SBS乳化改性沥青，这不仅能解决生产成本问题，而且还能增加对废轮胎橡胶合理利用，减少环境污染。

由于废胶粉改性沥青粘度大，并且胶粉在改性沥青中大多以颗粒形式存，这样会比SBS改性沥青更难乳化，而且还会严重影响废胶粉改性沥青的乳化效果，目前国内还很少有关于废胶粉改性乳化沥青研究方面的报道。鉴于这种情况，实验室开发了一种废胶粉改性乳化沥青的方法[7]，通过选定合适的乳化剂、乳化助剂和降粘助剂，可以实现对废胶粉改性沥青的乳化。在此基础上，本文还考察了制备工艺条件对乳化胶粉改性沥青性能的影响，并对废胶粉改性乳化沥青的发展提出一些方法。

1实验部分

1.1原料及设备

基质沥青为镇海AH-90，其性质见表1，FCC油浆由高桥石化提供；实验所用废轮胎胶粉(0.2～0.3 mm)由上海浩瑜有限公司提供；所述的废胶粉改性沥青为实验室制备，废胶粉质量分数为6%(占改性沥青总质量)；乳化剂A、B、C和D为市售专用沥青乳化剂(慢裂快凝型阳离子)；pH调节剂、阳离子SBR胶乳、稳定剂和增稠剂均为市售常用助剂。

FA-25高剪切乳化机；激光粒度仪；SY-2B恒温双速沥青延伸仪；SYD-2806E全自动沥青软化点仪；SYD-2801E针入度仪；光学显微镜。

表1 基质沥青的性质Table1 Asphaltbinderbasicperformance针入度(25℃)/0.01mm针入度比/%软化点/℃延度(15℃)/cm旋转薄膜烘箱实验质量损失/%针入度比(25℃)/%延度(10℃)/cm79-0.90845>150+0.046012

1.2废胶粉改性乳化沥青的制备

废胶粉改性乳化沥青的制备采用先制备废胶粉改性沥青再乳化的方式。先将胶粉在微波功率为480 W下进行微波活化2 min，每次处理胶粉量为40 g；然后将微波活化胶粉与交联剂混合后加入到基质沥青中，维持温度，发育15 min，再用转速为10 000 r/min剪切机进行改性，废轮胎胶粉经过脱硫和降解以细小的颗粒均匀分散在沥青中，制备得到改性沥青，并利用FCC油浆按照一定比例(占改性沥青总量)对改性沥青进行降粘预处理。在此基础上，在水中添加乳化剂、增稠剂和稳定剂制备乳化皂液，控制皂液pH=2，皂液温度50 ℃、沥青或改性沥青温度在145 ℃的条件下，按照沥青与皂液的比例为6∶4下，在高速剪切机均匀分散，改性沥青以细小的微滴分散在水溶液中，形成水包油(O/W)乳液。文中除特殊说明外，所加助剂的量均为占乳化沥青整体质量的百分数。

1.3废胶粉改性乳化沥青的分析

分别按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)[8]中“改性乳化沥青技术要求”进行测定；采用珠海欧美克仪器有限公司激光粒度仪进行试样粒度分析；采用光学显微镜观察乳化沥青的微观状态。

2实验结果与讨论

2.1乳化剂的选择

废胶粉改性沥青具有较高的粘度和难乳化的特点，所以实验首先考察乳化剂对基质沥青的乳化情况来评价乳化剂的乳化效果，利用4种慢裂快凝型阳离子乳化剂来考察乳化剂与基质沥青之间的配伍性。在乳化剂加量2%，稳定剂加量为1%，增稠剂加量为0.5%，乳化时间10 min下制备乳化沥青，将制备好的试样在室温下静置1 d，所得结果见表2。从表2中可知：A、B两种乳化剂的乳化效果较好；而C、D两种乳化剂的乳化效果较差，二者底部出现块状沉淀。利用乳化剂B制备得到的乳化沥青的1 d存储稳定性要优于乳化剂A，两种乳化剂都提高了沥青的软化点，但是延度出现降低，另外乳化剂A还严重影响了蒸发残留物的针入度。在以下实验中，均选用乳化剂B来制备改性乳化沥青。

表2 乳化剂对基质沥青的乳化效果Table2 Emulsifyingeffectofdifferentemulsifiersforas-phaltbinder乳化剂筛上剩余量/%贮存稳定性1d/%软化点1)/℃针入度(25℃)1)/0.1mm延度(15℃)1)/cmA00.65145.412.5B0.030.149.779.313C2)—————D2)————— 注:1)蒸发残留物;2)表示无法乳化。

2.2乳化时间的影响

当乳化剂加量为2%、增稠剂加量为0.5%、稳定剂加量为1%和FCC油浆添加量为6%时，乳化时间对废胶粉改性乳化沥青性能的影响见表3。可知，随着乳化时间的增加，废胶粉改性沥青的1 d存储稳定性逐渐提高，当乳化时间为15 min时，1 d存储稳定性达到0.2%，达到规定要求。而乳化时间对废胶粉改性沥青乳液蒸发残留物的软化点、延度、针入度影响不显著。因此，选择最佳乳化时间为15 min。

2.3乳化剂用量的影响

当稳定剂加量为1%，增稠剂加量为0.5%、

表3 乳化时间对废胶粉改性乳化沥青性能的影响Table3 EffectofemulsifyingtimecontentonperformanceofCRMAemulsion乳化时间/min存储稳定性1d/%蒸发残留物软化点/℃延度(15℃)/cm针入度(25℃)/0.1mm52.74625.4587.7101.0745.525.1594.3150.24725.790.4200.14526.0795.8

FCC油浆添加量6%和乳化时间为15 min时，乳化剂的用量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响见表4。由表可知：随着乳化剂用量的增加，废胶粉改性乳化沥青的存储稳定性先大幅度提高，最后趋于平缓。这主要是因为当乳化剂用量较低时，由于胶粉改性沥青与水之间界面张力较大，此时胶粉改性沥青较难乳化，在水中的分散效果较差；随着乳化剂用量的增加，胶粉改性沥青与水之间的界面张力逐渐降低，乳液微粒的平均粒径也逐渐小[9]，当乳化剂添加量达到一定值后，油水界面张力趋于稳定，从而废胶粉改性乳化沥青的稳定性也趋于稳定[10]。在乳化剂用量为1.5%时，废胶粉改性乳化沥青的1 d储存稳定性为0.5%，达到规定要求。乳化剂用量对废胶粉改性乳化沥青的蒸发残留物的软化点和针入度影响没有明显规律；而随着乳化剂用量的增加，废胶粉改性乳化沥青蒸发残留物的延度逐渐增加，当乳化剂用量超过1.5%时，延度开始降低。因此，选择最适乳化剂用量为1.5%。

表4 乳化剂用量对废胶粉改性乳化沥青的性能的影响Table4 EffectofemulsifiercontentonperformanceofCRMAemulsion乳化剂用量/%存储稳定性1d/%蒸发残留物软化点/℃延度(15℃)/cm针入度(25℃)/0.1mm0.53.54820.888.411.24625.385.81.50.547.527.492.620.24725.790.4

2.4增稠剂用量的影响

当乳化剂加量为1.5%、稳定剂加量为1%、FCC油浆添加量为6%和乳化时间为15 min时，增稠剂用量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响见表5。由表5可知：随着增稠剂用量的增加，废胶粉改性乳化沥青的1 d存储稳定性逐渐提高，这是因为增稠剂提高了皂液的粘度，使胶粉改性沥青微粒的沉降速度减小，另外增稠剂还会在改性沥青微粒上形成界面膜，这样可以避免因胶粉改性沥青微粒相互碰撞，而发生聚结现象[11]。当增稠剂用量增加至0.5%时，1 d存储稳定性达到0.5%，达到规定要求。增稠剂用量的增加对废胶粉改性乳化沥青蒸发残留物软化点和针入度并没有显著影响；而由于增稠剂的极性部分与胶粉改性沥青的相容性不好，破乳后因胶粉改性沥青微粒之间不能很好地融合[12]，导致废胶粉改性乳化沥青的蒸发残留物的延度随着增稠剂用量的增加而降低。因此，选择最佳增稠剂的用量为0.5%。

表5 增稠剂用量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响Table5 EffectofstabilizercontentonperformanceofCRMAemulsion增稠剂用量/%存储稳定性1d/%蒸发残留物软化点/℃延度(15℃)/cm针入度(25℃)/0.1mm0.1257.347.838.293.30.256.6473291.70.3752.54828.194.40.50.547.527.492.6

2.5稳定剂用量的影响

当乳化剂加量为1.5%、增稠剂加量为0.5%、FCC油浆添加量为6%和乳化时间为15 min时，稳定剂用量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响见表6。可以看出：随着稳定剂用量的增加，废胶粉改性沥青乳液的1 d存储稳定性也得到提高，这是因为稳定剂在一定的用量范围内，稳定剂的加入能够增加双电层厚度，使得ζ电势增加，胶粉改性沥青微粒能更好地分散于体系中，平均粒径逐渐减小，从而存储稳定性提高[9]。另外，随着稳定剂用量的增加，废胶粉改性乳化沥青乳液蒸发残留物软化点、延度、针入度都表现出不同程度的降低，其中延度损失最为严重。因此，选择最佳的稳定剂用量为0.5%。

表6 稳定剂用量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响Table6 EffectofthickenercontentonperformanceofCRMAemulsion稳定剂/%存储稳定性1d/%蒸发残留物软化点/℃延度(15℃)/cm针入度(25℃)/0.1mm0.252.34932.4103.40.50.747.53097.50.750.64728.795.31.00.547.527.492.6

2.6FCC油浆加量的影响

当乳化剂加量为1.5%、稳定剂加量为0.5%，增稠剂加量为0.5%和乳化时间为15 min时，FCC油浆添加量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响见表7。实验加入FCC油浆目的是为了降低胶粉改性沥青的粘度，这样胶粉改性沥青才能更好乳化。由表可知：在不添加FCC油浆时，废胶粉改性乳化沥青的1 d存储稳定性为5.8%，而随着FCC油浆添加量的增加，废胶粉改性乳化沥青的1 d存储稳定性逐渐提高，当FCC油浆添加量为3%时，1 d存储稳定性为0.9%，达到规定要求。另外，随着FCC油浆添加量的增加，废胶粉改性乳化沥青的蒸发残留物软化点逐渐降低、延度和针入度逐渐增大。图1为FCC油浆添加量对废胶粉改性乳化沥青平均粒径的影响，从图中可以看出，随着FCC油浆添加量的增加，乳液中改性沥青微粒的粒径逐渐减小，即说明乳液中胶粉改性沥青颗粒的粒径减小，废胶粉改性乳化沥青的存储稳定相对提高[13]。因此，确定FCC油浆最佳添加量为3%。

表7 FCC油浆加量对废胶粉改性乳化沥青性能的影响Table7 EffectofFCCslurrycontentonperformanceofCRMAemulsionFCC油浆添加量/%存储稳定性1d/%蒸发残留物软化点/℃延度(15℃)/cm针入度(25℃)/0.1mm05.84916.88122.34818.258930.947.721.39460.747.53097.5

2.7废胶粉改性乳化沥青的最佳工艺条件及性能完善

废胶粉改性乳化沥青的最佳工艺条件为：乳化剂B的用量1.5%，乳化时间15 min，增稠剂用量0.5%，稳定剂用量0.5%，FCC油浆用量3%。所制备的废胶粉改性乳化沥青具有较好的存储稳定性，和相同工艺下(未添加FCC油浆)普通乳化沥青相比，实验制备的废胶粉改性乳化沥青的蒸发残留物的软化点基本一致，而15 ℃延度远大于普通乳化沥青，性能上要优于普通乳化沥青。

图1　FCC油浆添加量对废胶粉改性乳化沥青的　平均粒径的影响Figure 1　Effect of FCC slurry content on average diameter 　of CRMA emulsion

为了保证废胶粉改性乳化沥青具有更广泛的应用，在上述最佳工艺条件下制得废胶粉改性乳化沥青中添加1%SBR胶乳来完善其性能，结果如表8所示。由表8可知：所制得的废胶粉改性乳化沥青蒸发残留物的软化点略低于改性乳化沥青的标准，其他指标均能满足，这可以用于除微表处以外的其他乳化沥青用途。因此在后续研究工作中，还需要通过提高胶粉浓度等方法来提高其性能。

表8 胶粉改性乳化沥青的性能评价Table8 PerformanceofCRMAemulsionandasphaltemulsion试验项目乳化沥青改性乳化沥青标准胶粉改性乳化沥青未改性破乳速度慢裂慢裂粒子电荷阳离子(+)阳离子(+)阳离子(+)筛上剩余量(1.18mm筛)/%≤0.10.10粘度恩格拉粘度E253～30256道路标准粘度C25.3/S12-60——蒸发残留物含量/%606462针入度(100g,25℃,5s)/0.1mm40～12097.680.4延度(5℃)/cm≥20250延度(15℃)/cm——13.8溶解度(三氯乙烯)/%≥97.59898软化点/℃≥534947.6贮存稳定性1d/%≤10.90.25d/%≤5——与矿料的粘附性,裹附面积≥2/3≥2/3—

2.8废胶粉改性乳化沥青的微观结构

图2为最佳工艺条件下制得的胶粉改性乳化沥青(稀释5倍)的光学显微镜图。从图2可以看出：胶粉改性沥青微粒(黑色圆点)粒径比较均匀，没有聚集状态，但是还是存在粒径较大的胶粉改性沥青微粒。因为胶粉在改性沥青中会以颗粒形式存在，这是导致废胶粉乳化改性沥青不能较好乳化的直接原因。虽然采用了降粘预处理，这一定程度上能改善了废胶粉改性乳化沥青颗粒分布不均的问题，但是还需要通过改进乳化设备，从而提高颗粒粒径的均一性[9]。

图2　废胶粉改性乳化沥青的光学显微镜图(400×)Figure 2　The optical microscope diagram of CRMA emulsion

3结论

① 乳化剂A和乳化剂B对基质沥青的乳化效果比较好，但乳化剂B制备出的乳化沥青的1 d存储稳定性要好于乳化剂A，对15 ℃延度的影响程度也要小于乳化剂A。

② 废胶粉改性乳化沥青的最佳工艺条件：乳化时间15 min，乳化剂用量1.5%，增稠剂用量0.5%，稳定剂用量0.5%，FCC油浆用量3%，在此工艺条件下制备的废胶粉改性乳化沥青1 d存储稳定性为0.9%，并且蒸发残留物的性能要优于普通乳化沥青。

③ 在制备好的废胶粉改性乳化沥青中添加1%SBR胶乳后，蒸发残留物的软化点略低于改性乳化沥青的标准，其他指标均能满足我国改性乳化沥青的标准。

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Experimental Study on the Emulsifying Effect and Performance of Crumb Rubber Modified Asphalt Emulsion

KUANG Minming， WANG Feng， YUAN Xulu， ZHOU Xiaolong，LI Chenglie， SONG Yueqin

(Department of Petroleum Processing， East China University of Science & Technology， Shanghai 200237， China)

[Abstract]Crumb rubber was used as asphalt modifier and Crumb Rubber Modified Asphalt(CRMA)emulsion was prepared by using reducing viscosity pretreatment process.The emulsifying effect was compared by four kinds of emulsifiers for asphalt，and the factors affecting the treatment were studied.The results show that the emulsifier B is much more compatibility with asphalt than others.Under the best condition of emulsifying time 15min，emulsifier mass fraction 1.5%，thickener mass fraction 0.5%，stabilizer mass fraction 0.5%，FCC slurry oil mass fraction of CRMA 3%，SBR latex mass fraction 1%，CRMA emulsion can basically meet the standard requirements of asphalt emulsion most purposes.

[Key words]crumb rubber； modified asphalt； emulsifying； preparation

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0225-05

[作者简介]匡民明(1989-)，男，湖北孝感人，研究生，研究方向为废橡胶改性沥青。

[收稿日期]2014-10-15