有机蒙脱土对废胶粉改性沥青性能的影响

王 旺

(广东交科检测有限公司，广州 510550)

0 引言

截至2017年底，我国轮胎产量达到6.35亿条[1-3]，同比增长4.1%，与此同时废弃轮胎也随之增加，对环境、生态造成很大的“黑色污染”。将废弃轮胎经过特殊处理用于沥青混合料中，不但解决了生态环境问题，而且对沥青的路用性能具有一定的提高，节约了沥青路面的修筑成本。但同时也存在一些问题，如废胶粉作为分散相分散在基质沥青中呈现为悬浮状态，不能溶解在沥青中，不能达到真正意义上的改性状态，不能进行很好地储存，容易出现离析状态等[4-6]。

针对这些问题，研究人员[7-11]对废胶粉进行了复合改性，目的是在基质沥青与废胶粉之间建立起一座“桥梁”，使废胶粉改性沥青具有更好的路用性能。本文采用有机蒙脱土(OMMT)作为偶联剂，对废胶粉改性沥青进行复合改性，测试复合改性沥青的三大指标、高温性能和低温性能，通过有机蒙脱土复合改性改善废胶粉改性沥青的高温性能和低温性能，在环保的基础上，使废胶粉改性沥青的性能更加优异。

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

本次研究用于配制橡胶沥青的基质沥青采用东莞泰和沥青产品有限公司埃索70号基质沥青，具体性能试验结果见表1。由表1可知，本文所选用基质沥青符合规范要求。

表1 70号沥青性能指标

1.1.2 废胶粉

废橡胶粉的来源、生产方式和化学成份等因素，会对所生产的温拌橡胶沥青的质量产生较大影响。有研究表明，汽车轮胎制成的橡胶粉中含有炭黑、丁苯橡胶和天然橡胶等化学物质，对于改善沥青性能效果显著。本文采用的废橡胶粉(100目)基本参数见表2。

表2 废橡胶粉(100目)基本参数

1.1.3 有机蒙脱土

此次研究所选用的聚合物级纳米蒙脱土是由白色、电荷密度适中的蒙脱石矿物，经多级提纯、剥片，制得高纯度大径厚比蒙脱石与多种扩层剂充分有机化改性聚合而成。有机蒙脱土最大粒径为120nm，显微镜观测的平均粒径为70～80nm，经过激光离子分布仪测试的超大的比表面积为750m2/g和200以上的径厚比。将有机蒙脱土与聚合物复合后较原来的无机物复合可以减小用量20%～30%。

1.2 复合改性沥青制备

为了分析不同掺量的OMMT对废胶粉改性沥青基本性能、高温性能和低温性能的影响，拟采用废胶粉(100目)掺量为20%，有机蒙脱土掺量为1%、2%、3%、4%、5%。复合改性沥青的制备过程如图1所示。

图1 改性沥青制备流程

2 试验结果

2.1 三大指标

三大指标即针入度、软化点、延度是评价沥青常规性能最常用的指标，本文对有机蒙脱土与20%的100目废胶粉复合改性沥青进行了常规性能试验，试验结果见表3。将三大指标值对掺量进行拟合，拟合结果如图2所示。

表3 不同掺量有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青三大指标试验结果

图2 复合改性沥青三大指标与有机蒙脱土掺量的关系

结合表3与图2可见：

(1)随着有机蒙脱土掺量的增加，复合改性沥青的针入度减小，表明复合改性沥青表观黏度变大、沥青变硬。有机蒙脱土纳米级颗粒土，引入废胶粉改性沥青后，可增加复合改性沥青内部摩擦系数，表观密度也因此变大。

(2)随着有机蒙脱土掺量的增加，软化点开始升高，当掺量超过4%时，软化点开始降低。

(3)随着有机蒙脱土-废胶粉改性沥青中有机蒙脱土掺量的增加，5℃延度降低，沥青塑性减小。

2.2 高温性能

动态剪切流变仪DSR可用来测量沥青的中、高温流变性质，从而评价沥青的高温稳定性。在粘弹性范围内，用来检测沥青的复数剪切模量G*、相位角δ、抗车辙因子G*/Sinδ，评价其流变特性。本文DSR试验从58℃开始测试，如果抗车辙因子G*/Sinδ合格则提高一级进行64℃的测试，再合格继续提高到70℃进行测试。不同掺量有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青DSR试验的结果见表4。

表4 不同掺量有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青的DSR试验结果

分析表4可见：

(1)复数模量G*在相同温度下随着有机蒙脱土掺量的增加而增大，相同的有机蒙脱土掺量下，复数模量G*随着温度的升高而降低。有机蒙脱土属于颗粒状物质，有机蒙脱土引入改性沥青后会增加转子转动时所受到的摩擦力，所受到的阻力也变大，因此复数模量会随着有机蒙脱土的增加而变大。而温度升高时，沥青逐渐由半固态变为流体形态，黏度降低，阻力变小，所以复数剪切模量变小。

(2)相位角δ在相同温度下随着有机蒙脱土掺量的增加先减小后增加，在有机蒙脱土掺量为3%时达到最小。相同有机蒙脱土掺量时，随着温度上升，相位角δ增大。

(3)抗车辙因子G*/sinδ在相同温度下随着有机蒙脱土掺量的增加而显著增大。相同的有机蒙脱土掺量下，抗车辙因子G*/sinδ随着温度的升高而降低。有机蒙脱土的加入提高了沥青的粘稠度，提高了沥青的抗车辙因子，改善了沥青的高温性能。

2.3 低温性能

低温弯曲流变仪(BBR)试验常用来研究沥青的低温性能。本文进行了三个温度的试验，分别为-12℃、-18℃、-24℃。通过BBR试验得到不同掺量有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青的劲度模量及m值，分析不同掺量有机蒙脱土对复合改性沥青低温性能的影响。BBR试验结果见表5。

表5 不同掺量有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青的BBR试验结果

分析表5可见：

(1)在-12℃温度下，有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青中有机蒙脱土掺量增加，蠕变劲度变大，胶浆变脆。而m值则出现不规律的变化，m值随着有机蒙脱土的增加，先增加后降低再增加。

(2)在-18℃温度下，有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青中有机蒙脱土掺量增加蠕变劲度呈波浪形变化，蠕变劲度先小幅度增加后降低再增加然后再降低。而m值则出现与蠕变劲度相反规律的变化规律，m值随着有机蒙脱土的增加，先小幅度减小后增加再减小最后大幅度增加。

(3)在-24℃温度下，有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青中有机蒙脱土掺量增加蠕变劲度呈波浪形变化，蠕变劲度先小幅度增加后降低再增加然后再降低。而m值随着有机蒙脱土的增加，先小幅度减小后增加再减小。

(4)三种温度下，蠕变劲度与m值随有机蒙脱土的掺量变化规律并不一致。但在有机蒙脱土掺量为3%时会出现一个峰值，此峰值是除部分数值外m值达到最大、而蠕变劲度最小的点，此点在3个温度下的低温性能综合最佳。

2.4 储存稳定性能

沥青的存储稳定性通常采用163℃恒温环境下储存48h和7d后上层沥青与下层沥青的软化点变化幅度来评价。本文采用此方法，开展了不同掺量有机蒙脱土-废胶粉复合改性沥青的存储稳定性试验，试验结果如图3所示。

图3 不同OMMT掺量改性沥青静置前后软化点差

由图3可知，在163℃恒温环境下静置48h的沥青，其上层沥青的软化点随着OMMT掺量的增加而单调增加，而下层沥青的软化点基本保持稳定。显而易见，随着OMMT掺量的增加，上下层沥青的软化点差逐渐减小，即OMMT的加入提高了橡胶改性沥青的储存稳定性。

在163℃恒温环境下静置7d的沥青，其上层沥青的软化点随着OMMT掺量的增加呈先增大后轻微减小的变化趋势，而下层沥青的软化点呈先增大后趋于稳定。当OMMT掺量由0%增加到3%时，上下层的沥青软化点差逐渐减小；当掺量超过3%时，软化点差值逐渐增大，究其原因，可能是OMMT掺量过大，分散不均，出现团聚，降低了复合改性沥青的储存稳定性，故OMMT的掺量约3%为宜。

3 结论

本文采用有机蒙脱土作为复合改性剂，改善废胶粉改性沥青的性能。通过进行不同掺量的有机蒙脱土对复合改性沥青性能的影响分析，得到如下主要结论：

(1)随着有机蒙脱土掺量的增加，复合改性沥青的高温性能与存储稳定性能逐渐改善，且有机蒙脱土掺量在0%～3%之间时，改善最为明显。

(2)随着有机蒙脱土掺量的增加，复合改性沥青的低温性能变差，在有机蒙脱土掺量为3%时，低温性能受到的影响最缓和。

(3)综合考虑各方面的因素，建议有机蒙脱土的最佳掺量范围为3%～4%。