硅烷偶联剂改性蒙脱土/SBS/HVA高黏改性沥青最佳掺量确定及其性能评价

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.004

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 18-25.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.004

硅烷偶联剂改性蒙脱土/SBS/HVA高黏改性沥青最佳掺量确定及其性能评价

孙吉书¹(), 濮夏天¹(), 杨凯², 靳灿章²

^1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401
^2.天津市政工程设计研究总院，天津 300051

收稿日期:2023-08-29 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
通讯作者: 濮夏天，627204303@qq.com
E-mail:sunjishu76@qq.com;627204303@qq.com
作者简介:孙吉书（1976—），男，河北广宗人，博士，副教授，主要从事道路工程材料研究，sunjishu76@qq.com
基金资助:
天津市交通运输科技计划项目(2022?18);天津市自然科学基金资助项目(18JCTPJC54200)

Determination of optimum dosage of high⁃viscosity⁃modified asphalt based on silane⁃coupling⁃agent⁃modified montmorillonite/SBS/HVA blends and its performance

SUN Jishu¹(), PU Xiatian¹(), YANG Kai², JIN Canzhang²

^1.School of Civil Engineering and Transportation，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China
^2.Tianjin Municipal Engineering Design Institute，Tianjin 300051，China

Received:2023-08-29 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28
Contact: PU Xiatian E-mail:sunjishu76@qq.com;627204303@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

通过（Box⁃Behnken）响应面法，以硅烷偶联剂改性过的蒙脱土、苯乙烯⁃丁二烯⁃苯乙烯（SBS）和高黏剂（HVA）各自的掺量作为影响因素，以沥青3大指标、170 ℃布氏黏度为评价标准建立模型，确定3种材料在沥青中的最佳掺量。结果表明，5 %SBS、9 %HVA和8 %的改性蒙脱土复配高黏改性沥青性能最好，其针入度、延度、软化点、170 ℃布氏黏度分别为4.52 mm、42.9 cm、86.1 ℃、2.371 Pa·s；相比于基质沥青和TPS高黏改性沥青，改性蒙脱土的加入大幅提高了沥青的高温性能与抗车辙能力，沥青黏度有着显著提升；振动峰的消失表明硅烷偶联剂对蒙脱土改性有化学反应。

关键词: 改性沥青, 响应面法, 硅烷偶联剂, 改性蒙脱土

Abstract:

Using the Box⁃Behnken’s response surface method and taking the dosages of silane⁃coupling⁃agent⁃modified montmorillonite， SBS， and high viscosity agent （HVA） as influence factors for asphalt， a model was established to determine the optimal dosages of three types of raw materials in the asphalt based on the Brinell viscosity at 170 ℃ as an evaluation criterion. The results indicated that the high⁃viscosity⁃modified asphalt containing 5 wt% SBS， 9 wt% HVA， and 8 wt% modified montmorillonite exhibited the best performance， and its penetration， ductility， softening point， and Brinell's viscosity at 170 ℃ were determined to be 4.52 mm， 42.9 cm， 86.1 ℃， and 2.371 Pa·s， respectively. Dynamic shear and Brinell's viscosity tests show that， compared to the pristine asphalt and the high⁃viscosity⁃modified asphalt TPS， the addition of modified montmorillonite greatly improved the high⁃temperature performance and rutting resistance of asphalt， resulting in a significant improvement in the viscosity. The functional groups were analyzed by Fourier⁃transmission infrared spectroscopy. The disappearance of the vibration peaks indicated that the silane coupling agent involved a chemical reaction with montmorillonite in the modification process.

Key words: modified bitumen, box?behnken, silane coupling agent, modified montmorillonite

中图分类号:

TQ325.2

孙吉书, 濮夏天, 杨凯, 靳灿章. 硅烷偶联剂改性蒙脱土/SBS/HVA高黏改性沥青最佳掺量确定及其性能评价[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 18-25.

SUN Jishu, PU Xiatian, YANG Kai, JIN Canzhang. Determination of optimum dosage of high⁃viscosity⁃modified asphalt based on silane⁃coupling⁃agent⁃modified montmorillonite/SBS/HVA blends and its performance[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 18-25.

图/表 14

因素	水平
因素	-1	0	1
SBS掺量（A）/%	4	5	6
HVA掺量（B）/%	6	8	10
G⁃OMMT掺量（C）/%	4	8	12

表1 试验因素与水平

Tab.1 Test factors and levels

序号	SBS/%	HVA/%	G⁃OMMT/%	针入度/0.1 mm	延度/cm	软化点/℃	170 °C布氏黏度/Pa·s
规范要求				$≥ 4$ 0	$≥$ 30	$≥$ 80	$≤$ 3
1	6	10	8	42.8	45.3	88.9	2.613
2	5	8	8	46.1	41.5	84.5	2.111
3	6	8	4	43.7	38.7	82.9	2.044
4	5	8	8	45.6	40.8	83.9	2.184
5	6	8	12	39.4	34.8	87.6	2.467
6	5	8	8	45.8	38.6	83.3	2.152
7	5	10	12	41.4	43.1	89.1	2.621
8	5	10	4	45.2	47.4	85.2	2.459
9	4	10	8	45.6	44.1	86.1	2.371
10	4	8	12	43.3	36.5	83.5	2.226
11	4	6	8	48.1	35.3	75.6	1.875
12	4	8	4	50.2	41.6	77.7	1.921
13	6	6	8	43.0	35.3	81.3	1.995
14	5	8	8	46.3	42.2	83.8	2.183
15	5	6	4	48.4	38.1	74.6	1.839
16	5	8	8	45.9	41.7	83.2	2.251
17	5	6	12	41.1	34.9	82.6	2.209

序号	SBS/%	HVA/%	G⁃OMMT/%	针入度/0.1 mm	延度/cm	软化点/℃	170 °C布氏黏度/Pa·s
规范要求				$≥ 4$ 0	$≥$ 30	$≥$ 80	$≤$ 3
1	6	10	8	42.8	45.3	88.9	2.613
2	5	8	8	46.1	41.5	84.5	2.111
3	6	8	4	43.7	38.7	82.9	2.044
4	5	8	8	45.6	40.8	83.9	2.184
5	6	8	12	39.4	34.8	87.6	2.467
6	5	8	8	45.8	38.6	83.3	2.152
7	5	10	12	41.4	43.1	89.1	2.621
8	5	10	4	45.2	47.4	85.2	2.459
9	4	10	8	45.6	44.1	86.1	2.371
10	4	8	12	43.3	36.5	83.5	2.226
11	4	6	8	48.1	35.3	75.6	1.875
12	4	8	4	50.2	41.6	77.7	1.921
13	6	6	8	43.0	35.3	81.3	1.995
14	5	8	8	46.3	42.2	83.8	2.183
15	5	6	4	48.4	38.1	74.6	1.839
16	5	8	8	45.9	41.7	83.2	2.251
17	5	6	12	41.1	34.9	82.6	2.209

表2 Box⁃Behnken法试验结果表

Tab.2 Table of results of Box⁃Behnken method tests

表2 Box⁃Behnken法试验结果表

Tab.2 Table of results of Box⁃Behnken method tests

模型	F	P	（P）	$R 2$	C.V./%
针入度	89.79	<0.000 1	0.124 1	0.991 4	0.88
延度	13.91	0.001 1	0.561 1	0.947 0	3.36
软化点	112.56	<0.000 1	0.312 4	0.985 4	0.75
170 °C布氏黏度	42.94	<0.000 1	0.592 9	0.982 2	2.18

模型	F	P	（P）	$R 2$	C.V./%
针入度	89.79	<0.000 1	0.124 1	0.991 4	0.88
延度	13.91	0.001 1	0.561 1	0.947 0	3.36
软化点	112.56	<0.000 1	0.312 4	0.985 4	0.75
170 °C布氏黏度	42.94	<0.000 1	0.592 9	0.982 2	2.18

表3 回归模型方差分析表

Tab.3 Regression model analysis of variance table

表3 回归模型方差分析表

Tab.3 Regression model analysis of variance table

图1 各性能的实际值与预测值比较

Fig.1 Comparison of actual and predicted values of each property

图2 针入度各因素之间的交互作用

Fig.2 Interaction between factors of needle penetration

图3 软化点各因素之间的交互作用

Fig.3 Interaction between factors at the softening point

图4 延度各因素之间的交互作用

Fig.4 Interaction between the factors of ductility

图5 170 ℃布氏黏度各因素之间的交互作用

Fig.5 Interaction between factors of Brinell viscosity at 170 °C

项目	目标	低限	高限
A：SBS	5 %	4	6
B：HVA	望小	6	10
C∶G⁃OMMT	在一定范围内	4	12
针入度	望大	39.4	50.2
延度	望大	34.8	47.4
软化点	望大	74.6	89.1
170 °C布氏黏度	望大	0	3

表4 多响应面优化处理表

Tab.4 Multi⁃response surface optimisation treatment table

项目	预测值	GM⁃HVA	M⁃HVA	TPS
针入度/0.1mm	45.9	45.2	46.8	47.4
延度/cm	43.2	42.9	34.3	37.5
软化点/℃	84.5	85.2	83.5	82.8
170 °C布氏黏度/Pa·s	2.276	2.371	2.111	1.677

表5 最佳掺量下的高黏改性沥青的实验结果

Tab.5 Experimental results of high viscosity modified asphalt with the optimal content

图6 复数剪切模量和相位角曲线图

Fig.6 Plots of complex shear modulus and phase angle curves

图7 车辙因子曲线图

Fig.7 Rutting factor graph

图8 不同温度下的布氏黏度曲线

Fig.8 Brinell viscosity curves at different temperature

图9 FTIR试验结果

Fig.9 Infrared spectroscopy of the three materials

参考文献 21

1	张金良，罗秋实，王冰洁，等.城市极端暴雨洪涝灾害成因及对策研究进展与展望［J/OL］.水资源保护，1⁃13［2023⁃09⁃11］.
	ZHANG J L， LUO Q S， WANG B Jet al. Progress and prospect of research on causes and countermeasures of urban extreme storm flooding［J/OL］. Water Resources Conservation，1⁃13［2023⁃09⁃11］.
2	马洪波.SBS改性沥青的相容性和稳定性机理探究［J］.化工管理，2015，383（24）：95.
	MA H B. Investigation of compatibility and stability mechanism of SBS modified asphalt［J］. Chemical Management，2015，No.383（24）：95.
3	李川，袁飞云，姜涛，等.不同类型SBS改性剂复合改性沥青性能影响研究［J］.化工新型材料，2023，51（S1）：184⁃190.
	LI C， YUAN F Y， JIANG T，et al. Study on the effect of different types of SBS modifiers on the performance of composite modified asphalt［J］. New Chemical Materials，2023，51（S1）：184⁃190.
4	赖淏，翟健梁，毛楠，等.干湿循环作用下SBS改性沥青及其混合料老化行为分析［J］.公路，2023，68（05）：307⁃313.
	LAI H， ZHAI J L， MAO N，et al. Analysis of aging behaviour of SBS⁃modified asphalt and its mixtures under dry and wet cycling［J］. Highway，2023，68（05）：307⁃313.
5	刘星亮.SBS改性沥青在公路工程中的应用［J］.交通世界，2022，602（08）：46⁃47.
	LIU X L. Application of SBS modified asphalt in highway engineering［J］. Traffic World，2022，602（08）：46⁃47.
6	闵祥波，倪永良，张健.SBS改性沥青现场储存稳定性分析［J］.石油沥青，2020，34（06）：34⁃40.
	MIN X B， NI Y L， ZHANG J. Field storage stability analysis of SBS modified asphalt［J］. Petroleum Asphalt，2020，34（06）：34⁃40.
7	冯效迁，赵艺霖，赵永华，等.改性蒙脱土基催化剂研究进展［J］.无机盐工业，2023，55（05）：24⁃30.
	FENG H Q， ZHAO Y L， ZHAO Y H， et al. Research progress of modified montmorillonite⁃based catalysts［J］. Inorganic Salt Industry，2023，55（05）：24⁃30.
8	程帅，曾尚恒，邵子奇，等.硅藻土与蒙脱土协同改善SBS改性沥青性能的研究［J］.材料科学与工艺，2023，31（02）：37⁃43.
	CHENG S， ZENG S H， SHAO Z Q，et al. Study on the synergistic improvement of SBS modified asphalt properties by diatomite and montmorillonite［J］. Materials Science and Technology，2023，31（02）：37⁃43.
9	邢利霞.蒙脱土/SBS复合改性沥青的制备及性能研究［J］.新型建筑材料，2019，46（10）：113⁃116.
	XING L X. Preparation and performance study of montmorillonite/SBS composite modified asphalt［J］. New Building Materials，2019，46（10）：113⁃116.
10	毛三鹏，何炎衡，刘梦迪，等.有机蒙脱土对高掺量SBS改性沥青性能的影响研究［J］.武汉理工大学学报，2022，44（04）：6⁃11.
	MAO S P， HE Y H， LIU M D，et al. Research on the effect of organic montmorillonite on the performance of high dosage SBS modified asphalt［J］. Journal of Wuhan University of Technology，2022，44（04）：6⁃11.
11	梁波，张宽宽，张海涛.氨基硅烷⁃蒙脱土/SBS改性沥青与改性集料的黏附性能［J］.湖南大学学报（自然科学版），2023，50（03）：195⁃205.
	LIANG B， ZHANG K K， ZHANG H T. Adhesion properties of aminosilane⁃montmorillonite/SBS modified asphalt with modified aggregates［J］. Journal of Hunan University （Natural Science Edition），2023，50（03）：195⁃205.
12	范剑伟，徐光霁，马涛，等.SBS改性高黏改性沥青机理的多尺度表征［J］.东南大学学报（自然科学版），2023，53（03）：377⁃385.
	Fan J W， Xu G J， MA Tet al.Multiscale characterisation of the mechanism of SBS⁃modified high viscosity modified asphalt［J］. Journal of Southeast University （Natural Science Edition），2023，53（03）：377⁃385.
13	Bouraima M B， Zhang X， Zhou S， et al. Impact of viscosity modifier on asphalt properties used for bus rapid transit lane in Chengdu［J］. Journal of Modern Transportation， 2017， 25： 185⁃193.
14	黄卫东，高杰，郝庚任，等.高黏SBS改性沥青的流变性能与化学特性［J］.建筑材料学报，2021，24（05）：1 024⁃1 031+1 038.
	HUANG W D， GAO J， HAO G R，et al. Rheological and chemical properties of high⁃viscosity SBS⁃modified asphalt［J］. Journal of Construction Materials，2021，24（05）：1 024⁃1 031+1 038.
15	苏江，田荣燕，孙威宇.蒙脱土对SBS改性沥青老化性能的改善研究［J］.科技创新与应用，2021，333（05）：28⁃31.
	SU J， TIAN R Y， SUN W Y. Study on the improvement of aging performance of SBS modified asphalt by montmorillonite［J］. Science and Technology Innovation and Application，2021，333（05）：28⁃31.
16	何东坡，潘志强，王宏光，等.响应面法⁃灰关联分析优化活化胶粉/SBR复合改性沥青掺量研究［J］.化工新型材料，2022，50（01）：187⁃191.
	HE D P， PAN Z Q， WANG H G，et al. Response surface methodology⁃ash correlation analysis to optimize the dosage of activated rubber powder/SBR composite modified asphalt［J］. New Chemical Materials，2022，50（01）：187⁃191.
17	许丽. 蒙脱土复合改性高黏沥青的制备与性能研究［D］.扬州：扬州大学，2018.
18	：排水沥青路面设计与施工技术规范［S］. 北京：交通部公路科学研究所，2020.
19	Qin X， Zhu S， He X， et al. High temperature properties of high viscosity asphalt based on rheological methods［J］. Construction and Building Materials， 2018， 186： 476⁃483.
20	Hu M， Sun G， Sun D， et al. Accelerated weathering simulation on rheological properties and chemical structure of high viscosity modified asphalt： A temperature acceleration effect analysis［J］. Construction and Building Materials， 2021， 268： 121120.
21	孙吉书，冯德瑜，肖田，等.SBS/SBR/HVA高黏度复合改性沥青的制备及性能研究［J］.化工新型材料，2023，51（04）：318⁃323.
	SUN J S， FENG D Y， XIAO Tet al.Preparation and performance study of SBS/SBR/HVA high viscosity composite modified asphalt［J］. New Chemical Materials，2023，51（04）：318⁃323.

[1]	孙吉书濮夏天杨凯靳灿章. 硅烷偶联剂改性蒙脱土/SBS/HVA高黏改性沥青最佳掺量确定及其性能评价[J]. , 2024, 38(3): 18-25.
[2]	杨喜英, 陈梦, 张文才, 裴强. SBS/纳米碳酸钙复合改性沥青热稳定性研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 45-54.
[3]	李宁利, 王猛, 王瑞, 朱壮壮. 橡塑合金改性沥青制备工艺关键参数研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(12): 78-85.
[4]	帖锐, 吴悠, 韩小龙, 宋佳洁, 王雨辰, 阚春怡, 袁孟举, 靳玉娟. OMMT对PHBV/EVA共混物的改性研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 60-67.
[5]	王翔宇, 张玉霞. PLA/PBAT/OMMT纳米复合材料微观结构调控[J]. 中国塑料, 2020, 34(4): 35-41.
[6]	罗通通, 孙玲. 偶联剂对PLA/PBAT/WF复合材料3D打印性能的影响[J]. 中国塑料, 2020, 34(11): 66-72.
[7]	王翔宇, 张玉霞. 制备工艺对PLA/PBAT/OMMT三元复合材料微观结构与性能的影响[J]. 中国塑料, 2019, 33(9): 27-32.
[8]	刘月云. 基于响应面法与Pareto遗传算法的注塑模冷却水道参数优化[J]. 中国塑料, 2019, 33(9): 67-71,115.
[9]	严光宇徐鸽. 造纸黑液木质素作为EPDM橡胶偶联剂的研究[J]. 中国塑料, 2019, 33(11): 78-82.
[10]	谷亚新, 刘根华, 王洪梅, 王晴, 桂建锋. 氧化铝对耐热聚乙烯复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2017, 31(07): 48-52 .
[11]	蔡厚道. 正交设计与响应面法在空气滤清器盖注塑工艺优化中的应用和比较[J]. 中国塑料, 2017, 31(02): 88-93 .
[12]	匡唐清, 王刚义, 周凯, 吴丽旋. 基于响应面法的水辅助共注塑管件的工艺参数优化[J]. 中国塑料, 2016, 30(07): 69-76 .
[13]	刘永涛, 廖辉伟, 邓秋林, 张亚莉, 郭文杰, 王少波, 曾卓. 聚苯胺/改性胶粉导电材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2016, 30(02): 32-38 .
[14]	杨学莉, 于磊, 刘文广, 张秀成. 偶联剂对PBS/碳酸钙晶须复合材料力学性能与热稳定性的影响[J]. 中国塑料, 2015, 29(06): 28-33.
[15]	刘继云杨学莉刘莹莹魏哲梅张秀成. 表面改性核桃壳对聚乳酸/核桃壳粉体复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2014, 28(03): 40-45 .

硅烷偶联剂改性蒙脱土/SBS/HVA高黏改性沥青最佳掺量确定及其性能评价

Determination of optimum dosage of high⁃viscosity⁃modified asphalt based on silane⁃coupling⁃agent⁃modified montmorillonite/SBS/HVA blends and its performance

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价