基于正交试验的复合改性沥青制备工艺研究

谢红飞，宋 亮，高阳江，李永刚

1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000

0 引言

新疆地处我国西部，幅员辽阔，但人烟稀少，如何尽可能的减少修建成本，一直国内众多学者的研究重点。目前，新疆常用的沥青有国外进口沥青和克炼沥青，由于成本问题国外沥青一直未能够大范围应用，而常用克炼沥青因其特殊组分导致高温性能较差，在南疆地区或者北疆部分高温地区应用较少。

同时，随着改性沥青研究不断深入，改性剂种类不断增加，最常用的改性剂有SBS、SBR、废旧橡胶粉等。通过研究表明［1］SBS 具有良好的高低温性能，但昂贵的价格阻碍其进一步发展［2］。另一方面，将废旧胶粉作为改性剂可以有效地提高沥青的高温性能、弹性恢复能力等，但也有着黏度大、延度小的缺点。

对于复合改性，国外研究较少，国内已有初步研究，高占华［3］通过对胶粉预处理发现通过对胶粉预处理可以有效地提高复合改性的性能；杨光［4］借鉴国外的评价方法，利用美国的评价方法，系统研究了改性沥青的高低温性能，同时从微观方面研究复合改性沥青的改性机理。

本文因地制宜，以克炼90#和塔化60#为基质沥青，SBS废旧橡胶粉为改性剂，通过正交设计研究不同工艺对复合改性沥青性能的影响。为进一步研究提供参考。

1 试验

1.1 原料

基质沥青：克拉玛依沥青90#和塔化沥青60#，新疆路安特沥青材料有限公司生产，依照JTG E20-2011（公路工程沥青及沥青混合料试验规程）主要指标如表1 所示

表1 基质沥青性能指标

废橡胶粉：60 目，德朔化工有限公司生产主要指标如下。SBS：新疆独山子石化公司生产SBS7302；糠醛油、硫磺等助剂。

表2 橡胶粉成分表

1.2 试验方案

SBS/胶粉复合改性沥青，是指将基质沥青加热到一定温度，然后将糠醛油、SBS、橡胶粉以及硫磺等材料掺加到基质沥青，通过剪切、搅拌、发育使其形成符合规范的改性沥青。通过为了探索复合改性沥青最佳制备工艺，以剪切温度、剪切时间、搅拌时间为变量因子，通过正交设计得出表3 试验方案.

2 结果分析

采用针入度、延度、软化点、黏度作为评价指标，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011 测定评价指标，测试结果如表4 所示

表3 正交试验表

表4 SBS/胶粉复合改性沥青正交试验结果

由表4 可知，工艺参数对复合改性沥青的性能有很大的影响。与基质沥青相比，复合改性沥青的软化点得到大幅度提高，说明复合改性具有较好的高温性能；随着温度升高，延度呈现先升高后下降的趋势；通过表4 可知，工艺参数对黏度没有太大影响，故而胶粉掺量是影响复合改性沥青黏度重要因素。

2.1 极差分析

极差分析是正交设计常用的分析方法。它简单易懂，操作方便，是人们常用的一种分析方法。主要包括计算和判断两个两个步骤。计算方法如下：

（1）计算各因素水平之和

（2）计算各KJM 的平均值以及最大平均值和最小平均值之差

2.2 低温性能分析

目前，在我国测试沥青性主要是利用延度仪。主要步骤：首先，将完成后的试模放在25℃的环境下静置1.5 个小时，然后利用热刮刀片清楚高出试模的部分沥青；其次，开动延度仪，使延度仪处于“制冷”、“水泵”模式，使其水浴达到5℃。最后。将试模放到延度仪中，冷却时间为1.5 小时，然后进行暂停制冷和水泵，按动“延度”按钮，当试件拉断时，读取示数。

通过表5 可知，各个因素对复合改性沥青的延度指标影响较大，其中极大值为5.1，说明剪切时间对延度影响最大，发育时间和剪切温度次之，搅拌时间影响最小。从表5 可以看出随着剪切温度升高，延度呈现大幅度提高，但当剪切温度提升到190℃以后，延度进一步提高，但增加幅度减小，猜测原因可能是随着温度升高，基质沥青部分老化，导致延度增加缓慢。

表5 软化点数据分析

2.3 高温性能分析

表6 软化点数据分析

目前，我国常用软化点仪和美国的差示扫描热量（DSC）评价沥青的高温性能。鉴于试验条件的限制，本文主要采用无锡市石油仪器设备有限公司提供的WSY-026 数显式沥青针入度测定仪。

主要步骤为将浇完模以后的试模置放在25℃的环境下静置30 分钟，然后将其放在5℃的水浴中放置15 分钟，然后利用软化点仪进行测试，当试样受热融化以后，与下层底板接触的时候，立即读取准确至0.5。测得数据为表6 所示。

通过表6 可知，发育时间极差最大。说明发育时间对于软化点影响较大，其次是剪切温度，剪切时间和搅拌时间对复合改性影响较小。因此，在对南疆地区进行试验段测试时，应充分考虑发育时间的影响。

2.4 针入度分析

表7 针入度数据分析

针入度分级体系、粘度分级体系以及PG 分级体系是世界上常用的测定沥青稠度的方法。虽然有越来越多的研究表明，针入度并不能很好的表明沥青粘度，但由于条件限制，试验仍然采用针入度分级体系，其方法是取出达到室温的盛样皿，试样表面以上的水面不低于10mm；将试样放入水浴之中，调整螺旋杆并通过反光镜使针尖刚好接触到沥青表面；开始试验，按下释放键，至5s 停止，读取数据。数据如表7 所示。

通过表7 可知，剪切时间影响最大，剪切温度和搅拌时间对针入度影响程度次之，且影响相同，发育时间影响最小

3 结语

通过正交设计研究方案，收集试验数据，利用极差分析研究各个工艺参数对于沥青性能的影响，可得出如下结论：

（1）当进行研究时，应根据实际不同情况，对不同指标研究不同工艺对改性沥青性能的影响。

（2）考虑到改性沥青延度较小的特点，因此本文主要研究发育时间、剪切时间对改性沥青影响。