基于高溫性能的橡膠瀝青材料復(fù)合改性試驗研究

肖 川

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系，四川 德陽 618000）

基于高溫性能的橡膠瀝青材料復(fù)合改性試驗研究

肖 川

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系，四川 德陽 618000）

為提高橡膠瀝青及其混合料的高溫穩(wěn)定性，通過外加劑對橡膠瀝青進行復(fù)合改性研究，開展不同類型瀝青及其混合料的對比試驗。研究結(jié)果表明：采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SBS或溫拌添加劑SAK對橡膠瀝青進行復(fù)合改性能夠提高膠結(jié)料的高溫性能；尤其是SBS復(fù)合改性橡膠瀝青，其180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、針入度、軟化點、彈性恢復(fù)指標(biāo)與純橡膠瀝青相比均得到顯著改善；瀝青混合料的動穩(wěn)定度表現(xiàn)為：SBS復(fù)合改性橡膠瀝青混合料＞SBS改性瀝青混合料＞SAK復(fù)合改性橡膠瀝青混合料＞純橡膠瀝青混合料；經(jīng)驗證SBS復(fù)合改性橡膠瀝青混合料具備穩(wěn)定的綜合路用性能。

道路工程；橡膠瀝青；高溫性能；復(fù)合改性

廢舊橡膠粉在公路建設(shè)項目中的應(yīng)用，是實現(xiàn)廢舊輪胎回收處理的重要途徑之一［1］。從國內(nèi)外各項工程的應(yīng)用情況來看，橡膠瀝青材料具備優(yōu)異的抗疲勞性能，有助于緩解半剛性路面常見的反射裂縫，并在減薄路面總體厚度、降低工程造價及減少路面噪音等方面體現(xiàn)出較為顯著的優(yōu)勢［2］。但不可否認(rèn)的是，作為液-固兩相材料，橡膠瀝青路用性能在使用過程中的變異性較大，橡膠瀝青路面在高溫穩(wěn)定性方面的缺陷也逐步顯現(xiàn)。目前，在我國尚未形成橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)的統(tǒng)一體系，不同地區(qū)應(yīng)用過程中在橡膠瀝青的膠粉類型、摻量和生產(chǎn)工藝，混合料的礦料級配以及瀝青用量等方面均存在較大差異，這也導(dǎo)致橡膠瀝青混合料難以具備較為穩(wěn)定的高溫性能［3-4］。同時，一味地照搬或套用國外的橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗［5］，難以與我國特有的路面使用條件相適應(yīng)，使得橡膠瀝青路面在我國高溫、重載地區(qū)的應(yīng)用過程中無法滿足高溫穩(wěn)定性要求。為有效彌補橡膠瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性能方面的不足，本文結(jié)合工程實際，在常規(guī)膠粉改性瀝青的基礎(chǔ)上，分別選用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SBS和溫拌添加劑SAK對橡膠瀝青材料實施進一步復(fù)合改性，即利用橡膠粉與外加改性劑的不同改性效果，對母體瀝青進行復(fù)合作用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使各改性劑之間相互促進和補充，同時改善母體瀝青的各方面性能。

本文研究過程中，以復(fù)合改性前后不同類型的瀝青結(jié)合料及其混合料為研究對象，通過室內(nèi)對比試驗評價橡膠瀝青材料的復(fù)合改性效果，分析通過摻加外加劑進行橡膠瀝青復(fù)合改性的可行性，以期為橡膠瀝青高溫性能的進一步提高提供技術(shù)參考。

1 試驗原材料性質(zhì)

1.1 橡膠瀝青材料

考慮依托工程的道路等級、原材料性質(zhì)、施工難易程度等因素，結(jié)合橡膠瀝青室內(nèi)對比試驗［6-7］，擬定橡膠瀝青的制備方案為：母體瀝青采用SK70#基質(zhì)瀝青，通過摻量為20%的橡膠粉（細度為30目）實施改性。橡膠瀝青材料的主要檢測指標(biāo)如表1所示。

表1 橡膠瀝青主要檢測指標(biāo)

1.2 集料與填料

本研究依托工程采用的粗集料為玄武巖碎石，分為10～15 mm和5～10 mm兩檔；細集料采用0～5 mm石灰?guī)r石屑；填料采用水泥和石灰?guī)r礦粉兩類材料。粗、細集料及填料的主要檢測指標(biāo)分別如表2～表4所示。

表2 集料主要檢測指標(biāo)

表3 填料主要檢測指標(biāo)

表4 32.5R普通硅酸鹽水泥檢測指標(biāo)

2 復(fù)合改性瀝青的制備

本文采用牌號道改2號的星型SBS改性劑，系白色多孔粒狀結(jié)構(gòu)，由中國石化巴陵石油化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)。采用由上海誠鴻道路新材料有限公司提供的國產(chǎn)賽克系列溫拌添加劑SAK改性劑。綜合考慮SBS與SAK兩種改性劑的材料特性以及生產(chǎn)成本等因素，并保證較好的相容性及改性效果，通過前期試驗確定兩種復(fù)合改性橡膠瀝青的制備分別選擇不同的方法來進行［8-9］。

SBS復(fù)合改性橡膠瀝青（簡稱S型改性瀝青）的制備方法如下：(1)將母體基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃，加入摻量為2%（內(nèi)摻）的SBS并人工均勻攪拌；(2)將乳化剪切儀的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 500 rpm，在180 ℃恒溫條件下對加入SBS的改性瀝青均勻剪切30 min，而后采用人工攪拌的方式使其在150 ℃狀態(tài)下持續(xù)溶脹、發(fā)育30 min；(3)將已完成溶脹發(fā)育的SBS改性瀝青進一步加熱至190～200 ℃以上5～10 ℃，隨后將經(jīng)過干燥的膠粉加入到SBS改性瀝青中并予以均勻攪拌，最后將乳化剪切儀的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 rpm，對復(fù)合改性橡膠瀝青剪切、發(fā)育45～60 min。

SAK復(fù)合改性橡膠瀝青（簡稱K型改性瀝青）的制備方法如下：(1)將母體基質(zhì)瀝青加熱至150 ℃，加入摻量為2.5%（內(nèi)摻）的SAK并進行人工均勻攪拌，使其充分溶解并均勻分布于瀝青中；(2)將瀝青加熱至190～200 ℃以上5～10 ℃，將經(jīng)過干燥的橡膠粉加入到SAK改性瀝青中并予以均勻攪拌，最后將乳化剪切儀的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 rpm實施剪切、發(fā)育45～60 min。

3 試驗過程與結(jié)果分析

3.1 橡膠瀝青材料復(fù)合改性試驗

本研究以純橡膠瀝青、SBS改性瀝青、SBS復(fù)合改性瀝青（S型改性瀝青）與SAK復(fù)合改性瀝青（K型改性瀝青）作為研究對象，并選取180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、25 ℃針入度、軟化點、彈性恢復(fù)作為評價指標(biāo)，開展對比試驗研究，分析復(fù)合改性劑加入后橡膠瀝青膠結(jié)料的性能變化，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同瀝青試驗結(jié)果對比關(guān)系

通過各瀝青對比試驗結(jié)果可以看出：

（1）根據(jù)本次研究所選取試驗評價指標(biāo)的大小關(guān)系可以看出，純橡膠瀝青、SBS復(fù)合改性橡膠瀝青以及SAK復(fù)合改性橡膠瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、軟化點和彈性恢復(fù)指標(biāo)更高，針入度指標(biāo)更低，即三種不同橡膠瀝青高溫性能指標(biāo)均優(yōu)于SBS改性瀝青。就瀝青結(jié)合料的性能指標(biāo)而言，在分別添加了SBS和SAK后，兩種經(jīng)外加劑復(fù)合改性的橡膠瀝青各檢測指標(biāo)，除SAK復(fù)合改性橡膠瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度指標(biāo)低于熱區(qū)橡膠瀝青材料要求的2.5～5.0 Pa的范圍［3］，SBS復(fù)合改性瀝青與SAK復(fù)合改性瀝青在其它評價指標(biāo)方面均體現(xiàn)出良好的性能。說明通過外加劑對橡膠瀝青進行復(fù)合改性，有助于提高瀝青膠結(jié)料的高溫性能。

（2）經(jīng)過SBS改性劑的復(fù)合改性以后，S型改性瀝青的各項高溫性能評價指標(biāo)與純橡膠瀝青相比均得到顯著改善，其中180 ℃黏度提高10.7%，針入度降低4.6%，軟化點提高17.6%，彈性恢復(fù)指標(biāo)提高3.8%，在瀝青結(jié)合料高溫性能方面體現(xiàn)出優(yōu)異的性能。而SAK復(fù)合改性瀝青高溫黏度指標(biāo)的明顯降低，有助于提高橡膠瀝青混合料的施工和易性與壓實性能，為混合料壓實成型效果的改善以及高溫穩(wěn)定性的提高創(chuàng)造了條件。

3.2 橡膠瀝青混合料復(fù)合改性試驗

3.2.1 評價指標(biāo)

鑒于車轍試驗具有方法簡單，結(jié)果直觀和可操作性強等特點，本文在開展基于高溫性能的橡膠瀝青混合料復(fù)合改性效果對比試驗時選擇采用室內(nèi)車轍試驗為研究方法，同時將動穩(wěn)定度和相對變形作為雙重的控制指標(biāo)［3］，以強化對混合料高溫性能的控制。

動穩(wěn)定度是基于車轍試驗定量評價瀝青混合料抗車轍能力的路用性能指標(biāo)。在我國現(xiàn)行規(guī)范中，動穩(wěn)定度是通過45～60 min這個時間段內(nèi)瀝青混合料變形曲線的斜率計算得到的，即從車轍試驗記錄儀自動記錄的變形曲線上讀取45 min（t1）及60 min（t2）的車轍變形d1及d2，準(zhǔn)確至0.001 mm，通過公式（1）進行計算。

式中：DS為瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度指標(biāo)；t1、t2為試驗時間，我國規(guī)范中分別為45 min和60 min；d1、d2為與試驗時間t1和t2相對應(yīng)的試件表面變形量；42為車轍試驗過程中每分鐘的車輪行走次數(shù)；c1、c2為試驗設(shè)備或試樣的修正系數(shù)。

相對變形指標(biāo)的計算方法為：車轍試驗結(jié)束后，試件的最終變形深度與試件高度的比值。試件的最終變形深度為試驗60 min時的變形深度與1 min變形深度的差［3］。

3.2.2 高溫性能評價

車轍試驗選取無纖維的SBS-SMA-13混合料、純橡膠瀝青混合料AR-SMA-13、S型復(fù)合改性瀝青混合料SBS-AR-SMA-13以及K型復(fù)合改性瀝青混合料SAK-AR-SMA-13 4種不同類型的瀝青混合料，并采用不同填料種類進行研究。不同瀝青混合料的高溫性能指標(biāo)對比關(guān)系如圖2所示。

通過對比試驗可以看出：

（1）與純橡膠瀝青混合料AR-SMA-13相比，S型復(fù)合改性瀝青混合料SBS-AR-SMA-13的動穩(wěn)定度得到明顯改善，當(dāng)混合料采用不同填料時，其動穩(wěn)定度指標(biāo)分別提高了66.3%（以水泥為填料）和79.2%（以石灰?guī)r礦粉為填料）；K型復(fù)合改性瀝青混合料SAK-AR-SMA-13的動穩(wěn)定度分別提高了15.5%（水泥）和23.9%（石灰?guī)r礦粉）。相應(yīng)地，經(jīng)過復(fù)合改性的S型與K型改性混合料的相對變形指標(biāo)也得到不同程度的提升，實現(xiàn)了高溫性能的提高。

圖2 不同瀝青混合料的高溫性能對比

（2）由前文試驗結(jié)果可知，K型復(fù)合改性瀝青的高溫性能指標(biāo)相比純橡膠瀝青有所降低，但其混合料的動穩(wěn)定度卻明顯提高。其原因在于SAK改性劑利用化學(xué)方法降低了橡膠瀝青的黏度，有助于提高瀝青混合料的施工和易性，通過相同溫度和碾壓次數(shù)的碾壓成型，混合料的壓實更加充分，有利于形成更好的結(jié)構(gòu)強度，因而增強了高溫穩(wěn)定性。

（3）SBS改性瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度比純橡膠瀝青低很多，但SBS改性瀝青混合料SBS-SMA-13在動穩(wěn)定度及相對變形指標(biāo)上均呈現(xiàn)出很好的抗車轍能力。這表明，在針對不同種類及不同作用機理的瀝青混合料進行高溫性能評價時，不宜片面地以瀝青膠結(jié)料自身的高溫黏度指標(biāo)來衡量混合料的高溫穩(wěn)定性，而應(yīng)當(dāng)綜合多方面因素來對多種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性水平進行評價。

（4）水泥填料作為一種高活性材料，具備更強的吸附力和穩(wěn)定性，因此對橡膠瀝青混合料高溫性能的改善作用強于石灰?guī)r礦粉。選擇水泥作為橡膠瀝青混合料的填料能夠有效提高其高溫穩(wěn)定性。

對比結(jié)果表明，基于橡膠瀝青材料開展復(fù)合改性，能夠明顯改善混合料的高溫性能。通過SBS復(fù)合改性的橡膠瀝青混合料具備最優(yōu)的高溫穩(wěn)定性。

3.2.3 SBS復(fù)合改性混合料路用性能驗證

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40—2004中關(guān)于瀝青混合料低溫抗裂性能的評價，統(tǒng)一采用-10 ℃、加載速率50 mm/min的條件下對長250 mm、寬30 mm、高35 mm的小梁試件進行彎曲試驗，測定破壞強度、破壞應(yīng)變、破壞勁度模量，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 低溫彎曲試驗結(jié)果

通過低溫彎曲試驗檢測，SBS復(fù)合改性瀝青混合料低溫彎曲試驗的破壞應(yīng)變大于2 500 με，具備良好的低溫抗裂性能。

結(jié)合凍融劈裂試驗對SBS復(fù)合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性進行評價，其結(jié)果如表6所示。

表6 凍融劈裂試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：SBS復(fù)合改性橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性滿足規(guī)范規(guī)定關(guān)于改性瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比應(yīng)大于80%的要求，具備優(yōu)異的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過試驗研究與分析，可得出以下結(jié)論：

（1）從本文選取的評價指標(biāo)來看，3種不同橡膠瀝青的高溫性能均高于SBS改性瀝青。S型復(fù)合改性瀝青與純橡膠瀝青相比，其180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度提高10.7%，針入度降低4.6%，軟化點提高17.6%，彈性恢復(fù)指標(biāo)提高3.8%，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫性能指標(biāo)。而降黏劑SAK的復(fù)合改性作用降低了橡膠瀝青的高溫黏度指標(biāo)，并保證橡膠瀝青的25 ℃針入度、軟化點、彈性恢復(fù)指標(biāo)均得到改善，有助于減少能源消耗，并為混合料壓實成型效果的改善及結(jié)構(gòu)強度的提高創(chuàng)造條件。

（2）4種混合料高溫性能的對比關(guān)系是：SBSAR-SMA-13＞SBS-SMA-13＞SAK-AR-SMA-13＞AR-SMA-13。經(jīng)過SBS復(fù)合改性后的橡膠瀝青混合料SBS-AR-SMA-13在高溫性能的評價過程中，體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，并具備穩(wěn)定的綜合路用性能。而K型復(fù)合改性橡膠瀝青的高溫黏度顯著降低，其混合料的動穩(wěn)定度與相對變形指標(biāo)均優(yōu)于純橡膠瀝青混合料。

（3）高溫黏度指標(biāo)是橡膠瀝青應(yīng)用過程中性能評價的核心指標(biāo)，通常以高黏度的橡膠瀝青來保證橡膠瀝青路面的路用性能。但在橡膠瀝青混合料的拌和、攤鋪、碾壓過程中，引入外加劑SAK降低橡膠瀝青的高溫黏度，與橡膠瀝青的高黏度指標(biāo)要求相悖。但SAK的復(fù)合改性可以提高混合料的施工和易性及壓實效果，并提高高溫穩(wěn)定性指標(biāo)。因此，如何優(yōu)化橡膠瀝青指標(biāo)評價體系，提高橡膠瀝青性能評價的合理性，是后續(xù)研究的重要方向。

［1］呂偉民.橡膠瀝青路面技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］孫祖望，陳飆.橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計施工技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社. 2008.

［4］王旭東，李美江，路凱冀，等.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］Arizona Department of Transportation. Standard Specifications for Road & Bridge Construction［S］. Phoenix：［s. n.］，2000.

［6］肖川.橡膠瀝青及混合料高溫性能與施工工藝研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

［7］JTG E20—2011公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程 ［S］.［8］ 王濤，才洪美，張玉貞. SBS改性瀝青機理研究［J］.石油瀝青，2008，6（22）：10-14.

［9］高曉飛，劉黎萍，劉海峰，等. SAK溫拌瀝青混合料性能評價［J］.公路工程，2009，34（6）：51-54.

Experimental Study on Compound Modified Technology of Asphalt Rubber Based on High-temperature Performance

Xiao Chuan
（Department of Transportation and Municipal Engineering, Sichuan College of Architecture Technology, Deyang 618000, China）

In order to improve the high-temperature performance of the asphalt rubber and its mixture, this paper studied compound modified technology with the modifiers added to asphalt rubber was made, and made comparison test among different types of asphalt and its mixture. The results showed that asphalt rubber could get better high-temperature performance with compound modification of styrene-butadiene-styrene polymer (SBS) or viscosity-reducing additive SAK. Especially, compared with pure asphalt rubber, 180 ℃ rotation viscosity, penetration, softening point, elastic recovery index of SBS compound modified asphalt rubber were improved obviously. In addition, the dynamic stabilities of different mixtures showed that SBS compound modified asphalt rubber mixture＞SBS modified asphalt mixture＞SAK compound modified asphalt rubber mixture＞pure asphalt rubber mixture. It was verified that SBS compound modified asphalt rubber mixture had stable comprehensive road performance.

road engineering; asphalt rubber; high-temperature performance; compound modification

U414

A

1672-9889（2016）06-0005-05

2016-02-26）

四川省教育廳科研項目（項目編號：16ZB0513）

肖川（1984-），男，湖南湘潭人，講師、博士，研究方向為瀝青路面材料設(shè)計。