CN113429802A - 一种高掺量胶粉-sbs复合改性沥青及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高掺量胶粉‑SBS复合改性沥青及其制备方法，属于道路改性沥青材料技术领域。本发明复合改性沥青按重量份计包括100份的基质沥青、30～50份的废旧轮胎橡胶粉、1～4份的SBS、1～3份的橡胶粉裂解剂、1～6份的芳烃油，其中橡胶粉裂解剂为三氧化二铁，制备方法主要包括原料脱水、改性剂预活化、预剪切、正式剪切、保温发育的步骤。本发明提供的高掺量胶粉‑SBS复合改性沥青提高了复合改性沥青中胶粉的掺入量，最大限度的发挥胶粉和SBS的改性效果，进一步提高了沥青的性能，使复合改性沥青具有良好的高低温性能、弹性恢复和储存稳定性。

Description

一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明属于道路改性沥青材料技术领域，具体涉及一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青及其制备方法。
背景技术
近些年道路网不断加密升级，运载车辆趋向于大型化，交通荷载等级不断提高，且极寒、炎暑、暴雨等极端天气出现频率也有所提高，这都给沥青路面带来了日益严峻的挑战。在荷载和环境的作用下，很多沥青路面都过早的出现了裂缝、车辙及大面积水损坏。为此通过向沥青中加入聚合物制得改性沥青及其混合料来应对这些情况，其中应用较为广泛的聚合物是SBS。它的出现与应用增加了沥青及其混合料的高、低温性能，在一定程度上延缓了沥青路面病害的发生。但是SBS改性沥青成本较高，且抗老化能力不够理想是其不能忽视的缺陷。
另外作为汽车消耗品的橡胶轮胎报废后大量堆积难以处理，给环境带来巨大压力，并且我国经济要向高质量绿色发展转型，故对废旧轮胎的处理利用是当前研究热点。将废旧轮胎加工成橡胶粉作为改性剂加入沥青中可以取得较好效果：橡胶粉可以显著增加沥青黏度，且由于其具有较大的弹性，掺入沥青中可以提高沥青的弹性成分比例，使得沥青受到荷载变形更好地恢复，改善沥青的高温性和抗疲劳性，并且由于它具有高阻尼减振的特质，也能减小路面行车噪音。通常，胶粉掺量必须达到一定程度才具有明显改善效果，但伴随着掺量的增加，黏度也会不可避免的增加，使得胶粉在沥青中难以分散，造成沥青热稳定性差且混合料施工困难。
综上，胶粉和SBS单独改性沥青在应用时各有优劣，并且对废旧轮胎高效循环利用的需求日益迫切。但受限于胶粉与沥青的相容性，胶粉掺量难以提高导致其改性效果不能充分发挥，因此需要找寻一种可以有效提高胶粉-SBS复合改性沥青中胶粉掺量的方法。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在的问题，提供了一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，包括以下原料组分：基质沥青、橡胶粉、SBS、橡胶粉裂解剂、芳烃油，其中橡胶粉裂解剂为三氧化二铁。
具体的，上述高掺量胶粉-SBS复合改性沥青按重量份计包括以下原料组分：100份的基质沥青、30～50份的橡胶粉、1～4份的SBS、1～3份的橡胶粉裂解剂、1～6份的芳烃油。
优选的，上述高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，按重量份计包括以下原料组分：100份的基质沥青、35～45份的橡胶粉、2～4份的SBS、1～2份的橡胶粉裂解剂、2～5份的芳烃油。
其中，基质沥青为A级重交通道路石油沥青，标号为70～90。
其中，橡胶粉为废旧轮胎橡胶粉，粒径控制在40-60目。
其中，芳烃油中的芳烃含量应不低于80％。
其中，SBS为线型SBS或星型SBS。
优选的，上述橡胶粉采用斜交胎粉或者天然胶粉含量较高的胶粉。
本发明进一步公开了高掺量胶粉-SBS复合改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对基质沥青、胶粉和SBS进行脱水；
(2)称取橡胶粉、芳烃油和裂解剂，混合搅拌8～15min，在100～120℃的条件下预活化50～70min；
(3)将SBS颗粒打碎成粉末状；
(4)将基质沥青升温至150～170℃并保持恒定，使其达到充分流动的状态；
(5)将SBS粉末和活化橡胶粉加入到步骤(4)基质沥青中进行剪切，先在3000～4000r/min条件下剪切，然后在6000～7000r/min的条件下剪切，剪切温度控制在180～200℃；
(6)剪切完在150～170℃条件下发育1～3h。
其中，步骤1基质沥青的烘干温度控制在130～150℃，胶粉和SBS的烘干温度控制在40～60℃。
步骤5剪切过程分为预剪切和正式剪切，具体为先将SBS粉末加入到基质沥青中搅拌均匀，加入后进行10～20min的预剪切，然后将活化橡胶粉加入混合料后也预剪切10～20min，预剪切速率为3000～4000r/min，然后在6000～7000r/min的剪切速率条件下对整个体系正式剪切70～90min。
作为优选的，上述SBS粉末和活化橡胶粉均采用分批加入的方式。
本发明的有益效果：
本发明提供的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青提高了复合改性沥青中胶粉的掺入量，最大限度的发挥胶粉和SBS的改性效果，进一步提高了沥青的性能，使复合改性沥青具有良好的高低温性能、弹性恢复和储存稳定性；
本发明采用主要成分为三氧化二铁的裂解剂对胶粉裂解脱硫，通过断裂S-C键和S-S键，令胶粉原本的交联结构变成以C-C链为主的分子链，减小橡胶粉分子量，使其变得更细小可以更好的在沥青中溶胀，制备时整个体系流动性好，并提升了其与沥青的相容性；
本发明裂解剂的加入使得胶粉脱硫的反应温度和时间等条件与制备改性沥青的条件较为相近，而现有的胶粉裂解通常需要在几百度和高压条件下才能对胶粉有效裂解，而在沥青正式制备时又需要把温度降下来，胶粉裂解不能和沥青制备同时进行操作。
具体实施方式
一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青的制备方法，具体可按以下步骤进行：
步骤1，分别对基质沥青和改性剂进行脱水和烘干，基质沥青脱水温度控制在130～150℃，改性剂烘干温度控制在40～60℃；
步骤2，对胶粉和SBS两种改性剂分别进行预处理
对胶粉预处理：称取橡胶粉、芳烃油和裂解剂放入盛样缸中，用电动搅拌器搅拌8～15min，之后将其放入100～120℃的烘箱中预活化50～70min；
裂解剂的主要成分为氧化铁，其作用是对胶粉裂解脱硫，通过断裂S-C键和S-S键，令胶粉原本的交联结构变成以C-C链为主的分子链，减小橡胶粉分子量，使其变得更细小可以更好的在沥青中溶胀发育。
芳烃油中的芳烃含量应不低于80％，其作用是利用其中的大量轻质组分促使橡胶粉溶胀，使团聚在一起的胶粉分散开，便于裂解剂与之混溶反应，并提高与沥青的相容性。
对SBS预处理：将SBS颗粒加入高速粉碎机中，启动机器运行10～20min，将SBS颗粒打碎成粉末状；
步骤3，将基质沥青升温至150～170℃并保持恒定，使其达到充分流动的状态；
步骤4，将SBS粉末分批加入到基质沥青中搅拌均匀，全部加入后进行10～20min的预剪切，剪切温度控制在180～200℃，然后将橡胶粉按同样方式加入后也预剪切10～20min，剪切温度为180～200℃，此步骤的剪切速率为3000～4000r/min。
步骤5，在剪切温度控制在180～200℃，剪切速率为6000～7000r/min的条件下对整个体系正式剪切70～90min；
步骤6，将改性沥青放置于150～170℃的烘箱中发育1～3h后，即得一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青。
实施例1
本实施例设计一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其组分按重量份计包含基质沥青100份，废旧轮胎橡胶粉34份，SBS为3份，裂解剂1.5份，芳烃油为3份。本实施例中采用的橡胶粉为常温研磨粉碎的天然胶粉含量较高的路用废胎硫化胶粉，胶粉规格采用40目。本实施例高掺量胶粉-SBS复合改性沥青制备工艺如下：
(1)分别对基质沥青和改性剂进行脱水和烘干，基质沥青脱水温度控制在140℃，改性剂烘干温度控制在50℃；
(2)对胶粉预处理：称取橡胶粉、芳烃油和裂解剂放入盛样缸中，用电动搅拌器搅拌10min，之后将其放入110℃的烘箱中预活化60min；
(3)对SBS预处理：将SBS颗粒加入高速粉碎机中，启动机器运行15min，将SBS颗粒打碎成粉末状；
(4)将基质沥青升温至160℃并保持恒定，使其达到充分流动的状态，将SBS粉末分批加入到基质沥青中搅拌均匀，全部加入后进行15min的预剪切，剪切温度控制在190℃，然后将橡胶粉按同样方式加入后也预剪切15min，剪切温度为190℃，此步骤的剪切速率为3500r/min；
(5)在剪切温度控制在190℃，剪切速率为6500r/min的条件下对整个体系正式剪切80min；
(6)将改性沥青放置于160℃的烘箱中发育1.5h后，即得一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青。
实施例2
本实施例设计一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其组分按重量份计包含基质沥青100份，废旧轮胎橡胶粉38份，SBS为3份，裂解剂1.5份，芳烃油为3份。本实施例中采用的橡胶粉为常温研磨粉碎的天然胶粉含量较高的路用废胎硫化胶粉，胶粉规格采用40目。制备工艺步骤同实施例1。
实施例3
本实施例设计一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其组分按重量份计包含基质沥青100份，废旧轮胎橡胶粉42份，SBS为3份，裂解剂1.5份，芳烃油为3份。本实施例中采用的橡胶粉为常温研磨粉碎的天然胶粉含量较高的路用废胎硫化胶粉，胶粉规格采用40目。制备工艺步骤同实施例1。
实施例4
本实施例是设计一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其组分按重量份计包含基质沥青100份，废旧轮胎橡胶粉42份，SBS为2份，裂解剂1.5份，芳烃油为3份。本实施例中采用的橡胶粉为常温研磨粉碎的天然胶粉含量较高的路用废胎硫化胶粉，胶粉规格采用40目。制备工艺步骤同实施例1。
对比例1
本对比例给出的普通掺量胶粉-SBS复合改性沥青以重量份计，由以下原材料组成：基质沥青100份，40目废旧轮胎橡胶粉21份，SBS为3份。其制备工艺包含如下步骤：
(1)分别对基质沥青和改性剂进行脱水和烘干，基质沥青脱水温度控制在140℃，改性剂烘干温度控制在50℃；
(2)将基质沥青升温至160℃并保持恒定，使其达到充分流动的状态；
(3)将SBS粉末分批加入到基质沥青中搅拌均匀，全部加入后进行15min的预剪切，剪切温度控制在190℃，然后将橡胶粉按同样方式加入后也预剪切15min，剪切温度为190℃，此步骤的剪切速率为3500r/min，之后在剪切温度控制在190℃，剪切速率为6500r/min的条件下对整个体系正式剪切80min；
(4)将改性沥青放置于160℃的烘箱中发育1.5h后，即得一种普通掺量胶粉-SBS复合改性沥青。
对比例2
本对比例给出的高掺量胶粉改性沥青以重量份计，由以下原材料组成：基质沥青100份，40目废旧轮胎橡胶粉42份，裂解剂1.5份，芳烃油为3份。其制备工艺包含如下步骤：
(1)分别对基质沥青和改性剂进行脱水和烘干，基质沥青脱水温度控制在140℃，改性剂烘干温度控制在50℃；
(2)对胶粉预处理：称取橡胶粉、芳烃油和裂解剂放入盛样缸中，用电动搅拌器搅拌10min，之后将其放入110℃的烘箱中预活化60min；
(3)将基质沥青升温至160℃并保持恒定，使其达到充分流动的状态；
(4)将胶粉分批加入到基质沥青中搅拌均匀，全部加入后进行30min的预剪切，剪切温度控制在190℃，剪切速率为3500r/min，之后在剪切温度控制在190℃，剪切速率为6500r/min的条件下对整个体系正式剪切80min；
(5)将改性沥青放置于160℃的烘箱中发育1.5h后，即得一种高掺量胶粉改性沥青。
性能测试例
各实施例和对比例的改性沥青性能测试结果如表1所示。从表1可以看出，本发明所得的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，与普通掺量胶粉-SBS复合改性沥青和高掺量胶粉改性沥青相比，软化点增加，高温性能有所提高，且旋转黏度数值变大，但依旧在适宜范围内，表明在改善高温性能的同时也不会使沥青黏度过大造成沥青及混合料施工困难。从延度指标考虑，低温性能也相应提升。此外弹性恢复能力得到增加，沥青受到变形后更恢复幅度更大，有很好的抵抗外力的能力。并且储存稳定性也有所提高。
表1
Figure BDA0003173951390000051
Figure BDA0003173951390000061
从机理上看，对胶粉裂解脱硫，通过断裂S-C键和S-S键，令胶粉原本的交联结构变成以C-C链为主的分子链，减小橡胶粉分子量，使其变得更细小可以更好的在沥青中溶胀，制备时整个体系流动性好，提升了其与沥青的相容性。将橡胶粉和SBS添加到基质沥青中，在高速剪切作用下胶粉和SBS溶胀扩散到沥青中，这些高分子链吸收沥青中的轻质组分形成饱和状态，连接了橡胶粉、SBS与沥青，构成作用力较强的界面，胶粉、SBS与沥青能够形成三维空间网格结构，三者体系共存，形成均匀共混状态，有效改善沥青的性能。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于所述复合改性沥青包括以下原料组分：基质沥青、橡胶粉、SBS、橡胶粉裂解剂和芳烃油，其中橡胶粉裂解剂为三氧化二铁。
2.根据权利要求1所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于：按重量份计包括以下原料组分，100份的基质沥青、30～50份的橡胶粉、1～4份的SBS、1～3份的橡胶粉裂解剂和1～6份的芳烃油。
3.根据权利要求1所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于：按重量份计包括以下原料组分，100份的基质沥青、35～45份的橡胶粉、2～4份的SBS、1～2份的橡胶粉裂解剂和2～5份的芳烃油。
4.根据权利要求1～3任一项所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于：所述基质沥青为A级重交通道路石油沥青，标号为70～90。
5.根据权利要求1～4任一项所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于：所述橡胶粉为废旧轮胎橡胶粉，粒径在40-60目。
6.根据权利要求1～5任一项所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于：所述芳烃油中的芳烃含量应不低于80％。
7.根据权利要求1～6任一项所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青，其特征在于：所述SBS为线型SBS或星型SBS。
8.根据权利要求1～7任一项所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)分别对基质沥青、胶粉和SBS进行脱水；
(2)称取橡胶粉、芳烃油和橡胶粉裂解剂，混合搅拌8～15min，在100～120℃的条件下预活化50～70min；
(3)将SBS颗粒打碎成粉末状；
(4)将基质沥青升温至150～170℃并保持恒定，使其达到充分流动的状态；
(5)将SBS粉末和活化橡胶粉加入到步骤(4)基质沥青中进行剪切，先在3000～4000r/min条件下剪切，然后在6000～7000r/min的条件下剪切，剪切温度控制在180～200℃；
(6)步骤(5)剪切完在150～170℃条件下发育1～3h。
9.根据权利要求8所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青的制备方法，其特征在于：步骤(1)基质沥青的烘干温度控制在130～150℃，胶粉和SBS的烘干温度控制在40～60℃。
10.根据权利要求8或9所述的高掺量胶粉-SBS复合改性沥青的制备方法，其特征在于：步骤(5)剪切过程分为预剪切和正式剪切，具体为先将SBS粉末加入到步骤(4)基质沥青中搅拌均匀，加入后进行10～20min的预剪切，然后将活化橡胶粉加入混合料后也预剪切10～20min，预剪切速率为3000～4000r/min，然后在6000～7000r/min的剪切速率条件下对整个体系正式剪切70～90min。
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