改性工艺参数对CRP改性沥青性能的影响

杨锡武，付春杰

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

近年来，随着交通量的不断增大，对沥青路面的高温、低温、耐久等性能要求不断提高.路面性能的好坏主要取决于原材料的性能，目前国内主要通过使用改性沥青来提高混合料性能，其中使用最多的是SBS改性沥青.由于SBS改性沥青成本较高，因而主要应用于高速公路和高等级公路工程中.目前，低等级公路，尤其是破坏严重的城市道路，对改性沥青的需求急剧加大，故而需要找出一种性能优良、成本较低的改性沥青来替代SBS改性沥青.已有研究表明，CRP(裂化生活废旧塑料)改性沥青相比于SBS改性沥青具有成本较低、性能相当等优点[1]，且干法施工对CRP改性沥青混合料的性能影响较小[2]，因此可以应用于各等级公路中.在CRP改性沥青性能的研究中，除原材料的选择影响CRP改性沥青性能外[3]，改性工艺对改性沥青性能也有较大影响，即不同的改性工艺将直接影响CRP改性沥青的高温、低温等各方面性能，所以有必要对CRP改性沥青的改性工艺进行研究.

借鉴SBS改性沥青改性工艺对SBS改性沥青性能影响的研究[4-7]，本文通过选取不同的溶胀时间、剪切时间、剪切温度、剪切速率以及发育时间，用CRP改性剂对基质沥青进行改性，并分析不同改性工艺参数对CRP改性沥青性能的影响，以期提出更加合理的溶胀时间、剪切时间、剪切温度、剪切速率以及发育时间，为CRP改性沥青生产工艺参数的选择和优化提供参考.

1 原材料性能及实验方法

选用中海油70#基质沥青，其技术性能指标见表1(表中的规范是JGT E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》与JTJ 040—2004《公路沥青路面施工技术规范》).CRP改性剂，选取CRP Ⅲ型改性剂，掺量为6%；选用高速剪切混合乳化机作为试验加工设备.改性沥青的制备工艺流程如图1所示：

图1 改性沥青的制备工艺流程

根据经验，选取静态溶胀法，将溶胀温度控制在150～160 ℃，以研究溶胀时间、剪切时间、剪切温度、剪切速率及发育时间对CRP改性沥青性能的影响.

表1 基质沥青技术指标检测结果

2 改性工艺参数对CRP改性沥青性能的影响

2.1 溶胀时间对CRP改性沥青性能的影响

在150～160 ℃的基质沥青中，加入CRP改性剂，并保持温度不变，适当搅拌后分别静置溶胀10，20，30，40，50 min，然后在180 ℃的条件下，以3 500 r/min的剪切速率剪切35 min，剪切后发育2 h，再分别对其进行试验.其结果见表2.

表2 不同溶胀时间的CRP改性沥青性能指标

从表2数据可以看出，适当增加溶胀时间对改性沥青的延度和低温弯曲蠕变有较大的改善，尤其在溶胀20 min时，增加幅度最为明显，从而表明此时改性沥青的低温性能得到较大提升.这是由于适当的溶胀时间会使得CRP改性剂吸收足够的沥青组分，而达到饱和状态，高速剪切过程中使改性剂颗粒能够更均匀地分散到基质沥青中.同时，在溶胀20 min时，软化点也达到了最大，则说明改性沥青的高温性能也得到一定的提升.当溶胀时间超过30 min时，改性沥青的各项性能指标都呈下降趋势，则表明过长的溶胀时间会影响改性沥青的高温及低温性能.虽然针入度会随着时间的增加有一定的波动，但整体性能还是不及溶胀20 min时的改性沥青，因此将沥青的溶胀时间选择为20 min较适宜.

2.2 剪切时间对CRP改性沥青性能的影响

在150～160 ℃的基质沥青中，加入CRP改性剂，保持温度不变，适当搅拌后静置溶胀20 min，然后在180 ℃的条件下，以3 500 r/min的剪切速率分别剪切15，25，35，45，55 min，剪切后发育2 h，再分别对其进行试验.结果见表3.

由表3数据可以看出，对提高改性沥青的稳定性而言，增加剪切时间和增加溶胀时间，一定条件下有相互促进的作用，即剪切时间越长，改性剂颗粒越小，而与沥青的接触面积越大，剪切时间增加的同时也增加了溶胀时间.并且，与SBS改性沥青相比，CRP改性沥青的剪切时间更短，其原因是CRP改性剂颗粒较小，比表面积较大，因此不需要较长的剪切时间.当剪切时间从15 min增加到35 min时，除延度外，改性沥青的各项性能指标均得到明显提升，虽然剪切时间从25 min增加到35 min时的延度呈现下降趋势，但下降趋势并不明显，基本保持稳定，因此对改性沥青的性能影响较小.当剪切时间继续增加时，改性沥青的延度、软化点以及小梁弯曲指标都呈现出明显的下降趋势，则表明剪切过程中的平衡状态受到破坏，过长的剪切时间使得原本分散均匀的CRP改性剂颗粒出现不同程度的聚集，使得稳定的网络结构遭到破坏，从而降低了改性沥青的性能，因此将沥青的剪切时间选择为35 min较适宜.

表3 不同剪切时间的CRP改性沥青性能指标

2.3 剪切温度对CRP改性沥青性能的影响

在150～160 ℃的基质沥青中，加入CRP改性剂，保持温度不变，适当搅拌后静置溶胀20 min，然后分别在160，170，180， 190，200 ℃的条件下，以3 500 r/min的剪切速率剪切35 min，剪切后发育2 h，再分别对其进行试验.其结果见表4.

表4 不同剪切温度的CRP改性沥青性能指标

从表4的数据可以看出，随着剪切温度从160 ℃提高到180 ℃时，改性沥青的各项性能指标都有所提升，尤其是延度和低温弯曲蠕变指标改善明显，从而说明提高剪切温度有利于改善改性沥青的低温性能.当温度上升到190 ℃之后，改性沥青的各项性能指标开始呈现下降趋势，尤其是当温度上升到200 ℃时，下降趋势更加明显，而针入度减小，软化点增大，则说明过高的剪切温度使得剪切过程中沥青的轻质组分挥发，一部分沥青呈现出老化现象.同时，剪切温度过高也会破坏改性剂的分子结构，使得已经稳定的网络结构遭到破坏，从而影响改性效果，因此将沥青的剪切温度选择为180 ℃较适宜.

2.4 剪切速率对CRP改性沥青性能的影响

在150～160 ℃的基质沥青中，加入CRP改性剂，保持温度不变，适当搅拌后静置溶胀20 min，然后在180 ℃条件下，分别以2 500 ，3 500，4 500，5 500，6 500 r/min的剪切速率剪切35 min，剪切后发育2 h，再分别对其进行试验.其结果见表5.

表5 不同剪切速率的CRP改性沥青性能指标

从表5的数据可以看出，当剪切速率从2 500 r/min增加到6 500 r/min时，改性沥青的各项性能得到增强，尤其是当剪切速率增加到3 500 r/min时，改性效果最为明显，从而说明随着剪切速率的增加，改性剂分散的越均匀.而改性剂粒径越小，则比表面积越大，粒子吸附的沥青组分就越多，使得粒子胶体与沥青胶体之间相互作用力越大，表面能降低，形成更稳定的网络结构.但当剪切速率从3 500 r/min增加到6 500 r/min时，改性沥青的各项性能指标只在1个比较稳定的区域波动，则说明当剪切速率达到一定数值后，增大剪切速率对改性效果的影响并不明显.因此，为了降低生产成本，提高生产效率，将剪切速率选择为3 500 r/min较合适.

2.5 发育时间对CRP改性沥青性能的影响

在150～160 ℃的基质沥青中，加入CRP改性剂，保持温度不变，适当搅拌后静置溶胀20 min，然后在180 ℃条件下，以3 500 r/min的剪切速率剪切35 min，剪切后分别发育1，2，3，4，5 h，再分别对其进行试验.其结果见表6.

表6 不同发育时间的CRP改性沥青性能指标

从表6的数据可以看出，当发育时间从1 h增加到2 h时，发育时间对改性沥青的性能就有一定影响，但之后随着发育时间的不断增加，改性沥青的各项性能指标变化并不明显，则说明发育2 h后继续增加发育时间对改性效果的影响较小.剪切后的发育会使部分CRP分子链段重新连接，在较小区域内形成新的网络结构，使得改性沥青的低温性能得到提升.但过长的发育时间会使大分子CRP改性剂颗粒过度聚集，可能会出现离析现象，因此将发育时间选择为2 h较合适.

3 改性工艺参数的确定

溶胀时间、剪切时间、剪切温度、剪切速率以及发育时间等改性工艺参数的改变都会对改性效果产生一定的影响.改性后的沥青针入度减小，软化点升高，5 ℃延度变大，m值增长.一般情况下，提高溶胀时间、剪切时间、剪切温度、剪切速率都有利于促进CRP改性剂颗粒之间网络结构的形成，而延长发育时间则有利于CRP链段的接枝，使其达到一个较为稳定的状态.但过长的剪切时间和过快的剪切速率会使已经稳定的网络结构破坏，使CRP改性剂颗粒聚集，使得改性沥青的延度和软化点降低,而过高的剪切温度会使基质沥青老化，影响改性沥青的低温性能.因此，选择合适的改性工艺参数，才能制备性能优良的改性沥青.CRP改性沥青最佳改性工艺参数为溶胀时间20 min、剪切时间35 min、剪切温度180 ℃、剪切速率3 500 r/min、发育时间2 h.制备的CRP改性沥青性能指标见表7.

表7 最佳改性工艺条件下制备的CRP改性沥青性能指标

4 结论

1) 不同的改性工艺对CRP改性沥青的改性效果影响较大，选择合适的溶胀时间、剪切时间、剪切温度、剪切速率以及发育时间，能够保证CRP改性剂以一定的细度均匀地分散到基质沥青中，形成较为稳定的网络结构，从而使得CRP改性沥青的高温、低温等性能得到明显提升.

2) 过长的溶胀时间和剪切时间会降低沥青的低温性能；剪切温度过高会使沥青老化；剪切速率过快会使改性沥青的延度下降；发育时间虽然对改性沥青的性能影响较小，但过长的发育时间可能会使改性沥青产生离析，因此需要添加稳定剂防止改性沥青出现离析.

3) 以中海油70#基质沥青、CRP改性剂为原材料，综合改性沥青的各项性能指标以及生产成本的控制，选择最佳的CRP改性沥青改性工艺条件为溶胀时间20 min、剪切时间35 min、剪切温度180 ℃、剪切速率3 500 r/min、发育时间2 h.在该条件下，制备的CRP改性沥青满足I-D类改性沥青的技术要求.