天然橡胶_丁苯橡胶胶粉对改性沥青性能的影响.pdf
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1、橡胶工业CHINA RUBBER INDUSTRY789第70卷第10期Vol.70 No.102023年10月O c t.2023天然橡胶/丁苯橡胶胶粉对改性沥青性能的影响宋莉芳,薛亚楠,薛哲,夏慧芸,牛艳辉*(长安大学 材料科学与工程学院 长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心,陕西 西安 710061)摘要:将自制的不同用量比的天然橡胶(NR)/丁苯橡胶(SBR)硫化胶淬冷粉碎而制得胶粉,将其用于改性沥青,研究胶粉含量对改性沥青软化点、5 延度、粘度和25 弹性恢复率的影响,并借助灰熵分析探讨胶粉组成对改性沥青软化点的影响。结果表明:随着胶粉含量的增大,改性沥青的软化点呈升高趋势,5 延
2、度和25 弹性恢复率呈增大趋势,粘度呈减小趋势;当胶料的NR/SBR用量比为0/100、胶粉含量为22%时,改性沥青的软化点为99.5,5 延度为62.5 cm,160 粘度为4.1 Pas,25 弹性恢复率为0.85;胶粉的橡胶烃含量对胶粉改性沥青软化点的影响最大,其次是胶粉的炭黑含量。关键词:胶粉;天然橡胶;丁苯橡胶;改性沥青;软化点中图分类号:TQ330.9 文章编号:1000-890X(2023)10-0789-07文献标志码:ADOI:10.12136/j.issn.1000-890X.2023.10.0789橡胶改性沥青是由废旧胶粉改性的沥青,因具有优异的高低温稳定性和耐疲劳性能,
3、以及对于路面具有进一步提高安全性和舒适性、降低噪声、防止结冰、延长使用寿命等优点1-2,橡胶改性沥青成为研究热点。近年来,废旧轮胎日益增多,将其制成胶粉后用于沥青中3-6,不仅可以综合利用废旧轮胎,还可以减少路面的铺装成本以及改善其性能7-9。研究10-14表明,废旧胶粉的来源、种类、组成、用量、粒径以及在沥青中的溶胀性都是影响沥青路面性能的因素。王笑风等15研究表明,卡车轮胎胶粉改性沥青路面的性能优于轿车轮胎胶粉改性沥青路面,这是因为卡车轮胎胶粉中的天然橡胶(NR)含量更大。孙增智等16将老化前后的胶粉分别用于沥青改性的研究表明,胶粉的种类和用量对胶粉改性沥青的性能影响较大。张晓亮等17将不
4、同来源的胶粉用于改性沥青,发现胶粉的橡胶烃组成和含量以及胶粉在沥青中的解聚和溶胀程度直接影响胶粉改性沥青的性能。陈昊18用不同来源的轮胎胶粉改性沥青,结果表明,自行车轮胎胶粉的主要组分为丁基橡胶(IR),轿车轮胎胶粉的主要组分为丁苯橡胶(SBR),卡车轮胎胶粉的主要组分为NR,轿车轮胎胶粉和卡车轮胎胶粉可以显著提高胶粉改性沥青的粘度,这是因为NR和SBR含量大的胶粉对沥青的改性效果较好,且SBR含量大的胶粉改性沥青的耐低温性能佳。G.LIU等19用3种轮胎胶粉改性沥青的研究表明:3种胶粉中主要组分为带有苯环的SBR胶粉与沥青的相容性更好,对其粘度和流变性能的影响更大;主要组分为化学结构简单的N
5、R胶粉具有较好的柔韧性和低温蠕变性能。陆晶晶 等20-22研究表明,粒径为425 m的胶粉改性沥青效果良好。综上所述,胶粉中NR和SBR含量对沥青性能基金项目:国家自然科学基金资助项目(51502021);浙江省交通厅科技项目(2021012)作者简介:宋莉芳(1980),女,山西大同人,长安大学副教授,博士,主要从事高分子功能材料与新型路面材料研发工作。*通信联系人()引用本文:宋莉芳,薛亚楠,薛哲,等.天然橡胶/丁苯橡胶胶粉对改性沥青性能的影响J.橡胶工业,2023,70(10):789-795.Citation:SONG Lifang,XUE Ya nan,XUE Zhe,et al.E
6、ffects of NR/SBR rubber powder on properties of modified asphaltJ.China Rubber Industry,2023,70(10):789-795.OSID开放科学标识码(扫码与作者交流)原材料配方790 橡胶工业 2023年第70卷的影响显著。本工作将自制的不同用量比的NR/SBR硫化胶淬冷粉碎而制得胶粉,将其用于改性沥青,研究胶粉对改性沥青软化点、5 延度、粘度和25 弹性恢复率的影响,并借助灰熵分析考察胶粉组成对改性沥青软化点的影响,为胶粉改性沥青制备过程中的胶粉选择提供参考。1实验1.1原材料沥青,SK-90#道路石油
7、沥青25 针入度(0.1 mm)89.0;软 化 点46.8;5 延 度9.2 cm;旋转薄膜老化(163 5 h)后质量变化率0.06%,25 残留针入度比71%;NR,SVR3L,越南产品;SBR,牌号1502,东莞市鑫合成橡胶有限公司产品;硫黄,济南鑫诺化工有限公司产品;促进剂MBTS,河北邦钛化工有限公司产品;其余助剂,市售工业品。1.2配方胶料配方如表1所示。表1胶料配方份Tab.1Formulas of compoundsphr组分配方编号1#2#3#4#5#6#NR10012014060300SBR0004070100炭黑N330505050505050硬脂酸222222氧化锌5
8、55555防老剂TMQ2.52.52.52.52.52.5硫黄222222促进剂MBTS1111.21.31.51.3主要设备和仪器XL-KLYP型开炼机,东莞市禧隆电工机械设备有限公司产品;FW135型粉碎机,南京伊若达仪器设备有限公司产品;XH-85A沥青旋转薄膜烘箱,无锡市石油仪器设备有限公司产品;FM300型高速剪切机,上海弗鲁克科技发展有限公司产品;101型电热鼓风干燥箱,北京科伟永兴仪器有限公司产品;WSY-025E型软化点测定仪和LYY-10A型调温调速沥青延伸度测定仪,无锡市石油仪器设备有限公司产品;WSY-026型针入度测定仪,无锡市石油仪器设备有限公司产品;NDJ-1C型粘
9、度计,上海昌吉地质仪器有限公司产品。1.4试样制备1.4.1混炼胶和胶粉的制备混炼胶的制备:将NR和SBR在开炼机上分别塑炼后共混,然后加入硬脂酸、氧化锌、防老剂TMQ和炭黑N330进行混炼,混炼均匀后下片;将开炼机辊温设为4060、辊距设为3 mm,加入一段混炼胶和硫黄、促进剂MBTS进行混炼,打三角包、薄通35次,混炼均匀后下片。混炼胶在平板硫化机上进行硫化,硫化条件为150 10 min。胶粉的制备:采用液氮淬冷的方式对硫化胶冷冻,借助小型粉碎机将硫化胶粉磨成425 m 胶粉22。1.4.2胶粉改性沥青的制备首先将基质沥青放入烘箱,在(1355)下加热60 min,取出加热的沥青置于高速
10、剪切机中以4 000 rmin-1的转速进行搅拌并加热,随后加入胶粉,将转速调整为5 000 rmin-1,在180185 下保温发育4 h,最终制得胶粉改性沥青。1.5测试分析按 照DB 22/T 29802019橡 胶 粉 改 性 沥青及其混合料应用技术规范 对胶粉改性沥青的软化点、5 延度、粘度和25 弹性恢复率进行 测试。其他性能均按相应国家标准进行测试。2结果与讨论2.1胶粉改性沥青的性能2.1.1软化点不同配方胶料的胶粉改性沥青的软化点如图1所示。从图1可以看出,随着胶粉含量的增大,胶粉改性沥青的软化点呈升高趋势。其中,胶粉含量为22%时,6#配方胶料的胶粉改性沥青的软化点最高,为
11、99.5,比基质沥青的软化点提高约52.7,而其他配方胶料的胶粉改性沥青软化点比基质沥青软化点提高515,这主要是因为6#配方胶料为SBR胶料,而SBR的相对分子质量较大,从而增大了改性沥青的平均相对分子质量,同时SBR大分子与沥青分子相互缠绕,降低了沥青分子的流动性,使改性沥青的软化点升高。第 10 期 宋莉芳等 天然橡胶/丁苯橡胶胶粉对改性沥青性能的影响 7916050100708090222018?%?5641231921配方编号:11#;22#;33#;44#;55#;66#。图1不同配方胶料的胶粉改性沥青的软化点Fig.1Softening points of modified as
12、phalt by rubber powder with different formula compounds从图1还可以看出,当胶粉含量大于20%时,胶粉改性沥青的软化点增幅变缓,主要是因为胶粉含量较大时,胶粉在沥青中溶胀程度降低,胶粉之间的交联作用变弱,并且胶粉会出现聚集现象,从而阻碍了胶粉与沥青的充分作用,因此胶粉改性沥青的软化点增幅变缓。此外,SBR含量大的胶粉易引起沥青软化点升高,推荐胶粉含量为20%。2.1.25 C延度不同配方胶料的胶粉改性沥青的5 延度如图2所示。从图2可以看出,随着胶粉含量的增大,1#3#配方胶料的胶粉改性沥青的5 延度增大,主要是因为胶粉中NR含量增大可明显
13、改善沥青的低温延性,胶粉在沥青中更易溶胀和脱硫降解,使得胶粉具有较大的变形能力,同时胶料中加入的硫化助706050201003040222018?%?cm6312541921注同图1。图2不同配方胶料的胶粉改性沥青的5 C延度Fig.25 C ductilities of modified asphalt by rubber powder with different formula compounds剂有助于胶粉较好地分散在沥青基质中且消散应力点增多,阻碍了银纹和剪切带的生成和扩张。4#和5#配方胶料的胶粉改性沥青的5 延度较小,这是因为胶粉在沥青中的溶胀程度降低,同时胶粉不能较好地分散在沥
14、青基质中,出现结团现象,增加了出现应力集中的可能性,改性沥青的低温延度减小。从图2还可以看出,当胶粉含量为22%时,6#配方胶料的胶粉改性沥青的5 延度最大,为62.5 cm,主要是因为6#配方胶料为SBR胶料,其胶粉中的SBR分子镶嵌在沥青分子结构上,在低温状态下沥青变硬而SBR相对较软,在外力拉伸作用下,SBR胶粉增强了沥青的韧性和塑性,提高了改性沥青的低温延度。2.1.3粘度不同胶粉含量的胶粉改性沥青的粘度如图3所示。从图3可以看出:随着温度的升高,1#3#配方胶料的胶粉改性沥青的粘度均逐渐减小;随着胶粉中NR含量的增大,改性沥青的粘度减小,这是因为在温度和机械力的作用下,NR含量越大的
15、胶粉脱硫降解程度越高,胶粉在沥青中的有效粒径变小,胶粉之间的交联作用减弱,故随着胶粉中NR含量的增大,改性沥青的粘度减小。从图3还可以看出,NR/SBR并用的5#配方胶料的胶粉改性沥青的粘度总体小于4#配方胶料的胶粉改性沥青,这是由于4#和5#配方胶料的胶粉中SSBR与沥青相互作用不够充分,SBR分子镶嵌在沥青分子结构中,胶粉之间的交联作用弱,表现为NR/SSBR并用比小的胶料的胶粉改性沥青的粘度减小。当胶粉含量为22%和温度为160 时,6#配方胶料的胶粉改性沥青的粘度最大,为4.1 Pas,这是因为6#配方胶料为SBR胶料,SBR分子为线性高分子,SBR分子间的作用力为范德华力,SBR分子
16、镶嵌在沥青分子结构中,故在相同的温度和机械力的作用下,6#配方胶料的胶粉改性沥青的粘度最大。2.1.425 C弹性恢复率不同配方胶料的胶粉改性沥青的25 弹性恢复率如图4所示。从图4可以看出:随着胶粉含量的增大,改性沥青的25 弹性恢复率增大;随着胶粉中NR含量792 橡胶工业 2023年第70卷2.62.21.80.60.21.01.4160170180190?(Pa?s)461532(a)胶粉含量为18%3.53.02.02.50.501.01.5160170180190?(Pa?s)623415(b)胶粉含量为20%4.54.03.53.02.02.50.501.01.516017018
17、0190?(Pa?s)614532(c)胶粉含量为22%注同图1。图3不同胶粉含量的胶粉改性沥青的粘度Fig.3Viscosities of modified asphalt by rubber powder with different rubber powder contents的增大,改性沥青的25 弹性恢复率减小;随着胶粉中SBR含量的增大,改性沥青的25 弹性恢复率增大,6#配方胶料的胶粉改性沥青的25 弹性恢复率最大。2.2 胶料组成对胶粉改性沥青性能影响的分析灰色系统理论是在“贫信息”情况下解决系统问题的一种新的方法,为了改进灰关联分析法引0.90.80.70.40.30.20.
18、50.6222018?%25?6152341921注同图1。图4不同配方胶料的胶粉改性沥青的25 C弹性恢复率Fig.425 C elastic recovery rates of modified asphalt by rubber powder with different formula compounds起局部关联倾向的问题,提出灰熵分析,即在关联分析度分析的基础上,运用信息熵理论对系统中的各影响因素之间的相似程度作出定量的描 述23-26。灰熵分析的计算步骤如下。(1)灰关联因数。X为灰关联因子集,x0 x为参考列,xix(i1,2,m)为比较列:x0 x0(1),x0(2),x0(
19、n)x1x1(1),x1(2),x1(n)x2x2(1),x2(2),x2(n)xmxm(1),xm(2),xm(n)比较列与参考列间的灰关联因数表示为:,max maxmin minmax maxxk k kkkkk,.,iiiimkniimkniimkni0111111TTTTptt=+=hhhhhh6式中:min mink,.imkni11T=h和max maxk,imkni11T=h分别为两极最小差和最大差;为分辨系数,通常取0.5。(2)灰熵。设灰内涵数列xx1,x2,xm,i6,xi0,且x1i=/,称函数lnHxxxii_-7 h/为X的灰熵,xi为属性信息。(3)灰关联熵与灰熵
20、关联度。X为离散数列,x0 x为参考列,xix,i1,2,m为比较列,则比较列与参考列的关联度值表示为:,Rxk x kkn1 2ii0gp=hh6,Px h h hx h h hhikni010_pp=hhhh66/第 10 期 宋莉芳等 天然橡胶/丁苯橡胶胶粉对改性沥青性能的影响 793式中PhPi(h1,2,n),称为分布的密度值。Xi的灰关联熵表示为:lnH RPPihknh1_-=h/Xi的灰熵关联度表示为:/E xH RHmaxii=hh式中Hmaxlnn,代表由n个元素构成。将表1中胶料配方进行百分化处理得到表2。表2胶料配方的百分化处理结果Tab.2Percent proces
21、sing results of compound formulations%项目配方编号123456橡胶烃含量626669616161炭黑含量302725313131灰分含量1)876888注:1)灰分含量主要为硬脂酸、氧化锌、防老剂、硫黄和促进剂的含量。以胶粉改性沥青的软化点为参考指标,计算胶粉的橡胶烃含量、炭黑含量和灰分含量3个因素的关联度,结果见表3。表3灰熵关联度计算结果Tab.3Calculation results of grey entropy correlation degrees胶粉含量/%因素橡胶烃含量炭黑含量灰分含量180.91690.91680.9167200.9145
22、0.91430.9142220.91410.91390.9135从表3可以看出,胶粉的橡胶烃含量对胶粉改性沥青软化点影响最大,其次是胶粉的炭黑含量。为了更好地控制胶粉改性沥青的路用质量,可通过控制主要影响因素即胶粉的橡胶烃含量,实现更好地控制胶粉改性沥青的品质;其次,根据条件,还可选择控制炭黑含量,实现进一步控制胶粉改性沥青的品质。3结论(1)随着胶粉含量的增大,改性沥青的软化点呈升高趋势,5 延度和25 弹性恢复率呈增大趋势,粘度呈减小趋势。其中胶料的NR/SBR用量比为0/100的胶粉改性沥青的软化点最高,5 延度和25 弹性恢复率最大,同时在不同温度下的粘度最大。(2)胶料的NR/SBR
23、用量比为0/100、胶粉含量为22%时,改性沥青的软化点为99.5,5 延度为62.5 cm,160 粘度为4.1 Pas,25 弹性恢复率为0.85。(3)基于灰熵分析法得出,胶粉的橡胶烃含量对胶粉改性沥青软化点的影响最大,其次是炭黑含量,可通过控制橡胶烃含量和炭黑含量等影响因素,实现更好地控制胶粉改性沥青的性能。参考文献:1 徐安花,王小雯,熊锐,等.橡胶粉改性沥青制备及性能试验研 究J.硅酸盐通报,2017,36(4):1326-1332,1344.XU A H,WANG X W,XIONG R,et al.Experimental investigation on preparatio
24、n technology and performance of rubber powder modified asphaltJ.Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2017,36(4):1326-1332,1344.2 李波,李鹏,张新雨,等.废旧胶粉的反应与交联作用对橡胶沥青黏度的影响J.长安大学学报(自然科学版),2017,37(2):26-34.LI B,LI P,ZHANG X Y,et al.Interaction and particle effect of crumb rubber characteristics on brookfie
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