CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青性能研究

杜西西，牛振方

(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 鄭州市 450006)

季凍地區(qū)特殊的氣候條件和不斷增加的汽車荷載對(duì)瀝青路面使用性能提出更高的要求，尤其是對(duì)低溫抗裂和高溫抗車轍要求更高。目前橡膠粉單一改性瀝青存在易離析、高溫黏度大以及施工質(zhì)量難以控制等問(wèn)題，與之相比廢橡膠粉與 SBS 復(fù)合改性瀝青(CR/SBSCMA)改善了上述問(wèn)題而且混合料具有良好的路用性能，是一項(xiàng)兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的改性技術(shù)，但現(xiàn)場(chǎng)加工面臨著性能變異、成本投入高及儲(chǔ)存穩(wěn)定性差等問(wèn)題。在這種背景下，圍繞季凍地區(qū)工廠化 CR/SBSCMA 生產(chǎn)、CR/SBSCMA 常規(guī)性能以及流變特性等方面開(kāi)展系統(tǒng)的研究。

1 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青原材料的優(yōu)選

CR/SBSCMA的性能是瀝青性能與橡膠粉和SBS兩種改性劑性能的綜合體現(xiàn)，當(dāng)橡膠粉、SBS改性劑與基質(zhì)瀝青之間摻配比例合理時(shí)，CR/SBSCMA將會(huì)具有良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。試驗(yàn)中選擇低溫性能較好的遼河90#基質(zhì)瀝青，SBS改性劑采用中國(guó)石化集團(tuán)生產(chǎn)的YH-791型SBS改性劑，橡膠粉采用山東某廠商生產(chǎn)的廢舊輪胎膠粉。在已有研究的基礎(chǔ)上采用40目的橡膠粉，反應(yīng)溫度確定為180℃，發(fā)育時(shí)間確定為70min，并根據(jù)實(shí)際情況在復(fù)合改性瀝青中加入穩(wěn)定劑和助劑，研究CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的相關(guān)特性。

2 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青基本性能研究

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)加入橡膠粉的復(fù)合改性瀝青的研究現(xiàn)狀，選擇軟化點(diǎn)、25℃針入度、5℃延度、175℃黏度、25℃彈性恢復(fù)、48h離析等6大常規(guī)指標(biāo)以及美國(guó)SHRP路用性能PG分級(jí)指標(biāo)兩種評(píng)價(jià)方法來(lái)確定CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的性能。

采用40目的橡膠粉，橡膠粉的摻量分別為11%、14%、17%、20%、23%、26%，SBS的摻量分別為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，配置CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青，研究其6大常規(guī)指標(biāo)性能，其結(jié)果如下圖所示。

圖1 SBS改性瀝青常規(guī)指標(biāo)

圖2 SBS改性瀝青黏度

由圖1中的變化趨勢(shì)可以看出：SBS改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度、延度、彈性恢復(fù)等指標(biāo)隨著SBS改性劑摻量的增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中5℃延度、彈性恢復(fù)、軟化點(diǎn)等指標(biāo)增長(zhǎng)明顯，這說(shuō)明在CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青中SBS改性劑對(duì)瀝青的延度、彈性恢復(fù)、軟化點(diǎn)等指標(biāo)改善明顯。

由圖2可以看出：隨著SBS改性劑摻量的增加，改性瀝青的黏度明顯增大，這一方面由于SBS的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在瀝青中起到加筋作用增強(qiáng)了瀝青抗剪切變形的能力，另一方面由于SBS改性劑在瀝青中吸收基質(zhì)瀝青的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹反應(yīng)，從而使瀝青變得更加黏稠。

圖3 橡膠粉改性瀝青常規(guī)指標(biāo)

圖4 橡膠粉改性瀝青粘度、穩(wěn)定性指標(biāo)

由圖3中各指標(biāo)的變化趨勢(shì)可以知道，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的彈性恢復(fù)能力逐漸增強(qiáng)，但隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青延度的變化沒(méi)有規(guī)律性，這是由于橡膠粉顆粒的加入，使瀝青試樣在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而表現(xiàn)出延展性無(wú)規(guī)律性，但并不能說(shuō)明瀝青的低溫延展性就變差。

由圖4中橡膠粉改性瀝青的黏度以及48h穩(wěn)定性指標(biāo)的變化規(guī)律可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的黏度迅速增加，其改善效果遠(yuǎn)大于SBS改性劑的作用效果。隨著橡膠粉摻量的增加，其48h穩(wěn)定性逐漸變好，這是由于橡膠粉摻量增大后瀝青變得更加黏稠，橡膠粉顆粒在基質(zhì)瀝青中的分散狀況趨于穩(wěn)定。

圖5 CR/SBSCMA軟化點(diǎn)指標(biāo)

圖6 CR/SBSCMA 針入度指標(biāo)

由圖5可以看出在CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青中隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)在不斷升高，說(shuō)明橡膠粉和SBS的加入明顯改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性，且橡膠粉和SBS改性劑的效果是疊加的。從曲線的變化趨勢(shì)可以看出，SBS對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性的改善效果要優(yōu)于橡膠粉。

在圖6中CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的針入度隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加，呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化趨勢(shì)，這可能是由于橡膠粉和SBS的加入使瀝青的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，故采用傳統(tǒng)的針入度方法測(cè)試復(fù)合改性瀝青的針入度已經(jīng)不適用，由此對(duì)于摻加橡膠粉的改性瀝青推薦采用錐入度的方法測(cè)試瀝青的針入度。

圖7 CR/SBSCMA 5℃延度指標(biāo)

圖8 CR/SBSCMA 175℃黏度指標(biāo)

在圖7中CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的5℃延度，整體上隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在局部地區(qū)出現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢(shì)，這可能是由于橡膠粉的加入使得瀝青在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況導(dǎo)致對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

由圖8CR/SBSCMA的175℃黏度可以看出，橡膠粉和SBS改性劑的加入，大大增加了瀝青的黏度，從其變化規(guī)律可以看出，橡膠粉對(duì)黏度的改善效果要優(yōu)于SBS改性劑。由此可以根據(jù)工程的需要適當(dāng)調(diào)節(jié)橡膠粉的摻量，配制出復(fù)合工程實(shí)際的CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青。

圖9 CR/SBSCMA 25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)

圖10 CR/SBSCMA 48h離析指標(biāo)

由圖9中CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)可以看出，隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的彈性恢復(fù)性能不斷得到改善，在局部點(diǎn)出現(xiàn)變化規(guī)律異常的情況，但其整體變化規(guī)律比延度指標(biāo)的變化規(guī)律明顯，由此可知彈性恢復(fù)指標(biāo)比延度更適合評(píng)價(jià)CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青延展性。

由圖10可知CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的48h離析性能指標(biāo)變化較大，沒(méi)有明顯的規(guī)律性，采用保溫48h后分段測(cè)復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)的方法來(lái)評(píng)價(jià)還需要改進(jìn)。

3 PG分級(jí)方法及結(jié)果

本節(jié)采用美國(guó)SHPR瀝青路用性能規(guī)范中PG分級(jí)方法對(duì)上述6種膠粉摻配比例和4種SBS摻配比例的膠粉SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行性能等級(jí)劃分。

PG分級(jí)采用的主要儀器有動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR、低溫彎曲梁流變儀 BBR、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)、壓力老化箱(PAV)。

(1)DSR試驗(yàn)研究

采用DSR動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的原樣瀝青、RTFOT老化后的瀝青試樣、RTFOT和PAV老化后瀝青試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，從而計(jì)算出復(fù)合改性瀝青的高溫車轍因子，根據(jù)PG 分級(jí)的條件要求：原樣瀝青G*/sinδ≥1.0kPa；RTFOT 之后的瀝青殘留物G*/sinδ≥2.2kPa。當(dāng)瀝青能夠同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件的最高溫度，確定為瀝青的高溫等級(jí)。

(2)BBR試驗(yàn)研究

BBR試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的低溫流變特性。通過(guò)低溫彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)試RTFOT老化和PAV老化后的復(fù)合改性瀝青試樣的勁度模量和蠕變速率，根據(jù)PG分級(jí)的要求當(dāng)勁度模量S<300MPa、蠕變速率m>0.3時(shí)瀝青所能達(dá)到的最低溫度，確定瀝青的低溫等級(jí)。根據(jù)上述要求和試驗(yàn)方法確定CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的PG分級(jí)結(jié)果如表1所示。

表1 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青PG分級(jí)結(jié)果

根據(jù)表1的PG分級(jí)數(shù)據(jù)可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，結(jié)合料的高溫等級(jí)逐漸提高，低溫等級(jí)有所下降。當(dāng)SBS摻量為 2.0%、膠粉摻量為20%時(shí)，PG等級(jí)可達(dá)PG82-28，比SBS改性瀝青PG70-28高溫高出2個(gè)等級(jí)，比基質(zhì)瀝青PG58-22高溫高出4個(gè)等級(jí)，低溫低1個(gè)等級(jí)?？梢?jiàn)，CR/SBSCMA高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

根據(jù)以上對(duì)CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的分析研究和PG分級(jí)的研究結(jié)果，可以知道，當(dāng)橡膠粉摻量為20%、SBS改性劑摻量為2.0%時(shí)復(fù)合改性瀝青的綜合性能表現(xiàn)較好。同時(shí)根據(jù)季凍地區(qū)的氣候特點(diǎn)以及上述對(duì)CRSBSCMA復(fù)合改性瀝青性能的研究，在現(xiàn)有規(guī)范要求的基礎(chǔ)上提出了CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青在實(shí)際應(yīng)用中的控制參數(shù)，如表2所示。

表2 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青控制標(biāo)準(zhǔn)

4 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青微觀性能研究

4.1 掃描電子顯微鏡細(xì)觀形態(tài)分析

根據(jù)上文中確定的摻配參數(shù)，采用40目的橡膠粉，20%的橡膠粉摻量和2%的SBS改性劑摻量制備CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青，分別在掃描電子顯微鏡下對(duì)基質(zhì)瀝青、橡膠粉顆粒、橡膠粉改性瀝青以及CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青細(xì)觀形態(tài)進(jìn)行分析。如圖11～圖14所示。

圖11 橡膠粉顆粒放大500倍照片

圖12 基質(zhì)瀝青放大100倍照片

圖13 橡膠瀝青放大2000倍照片

由圖11中橡膠粉顆粒在掃描電子顯微鏡放大500倍的照片可以看出橡膠粉表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的粗糙斷面，斷面上出現(xiàn)較多的細(xì)小空隙，由此可以推斷橡膠粉顆粒在基質(zhì)瀝青中可以吸收輕質(zhì)組分，且其表面較大，有利于橡膠粉和基質(zhì)瀝青之間的溶脹反應(yīng)。對(duì)比圖12和圖13可以看出，橡膠粉在基質(zhì)瀝青中被基質(zhì)瀝青裹覆，并吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分，發(fā)生溶脹反應(yīng)，使基質(zhì)瀝青的表面出現(xiàn)突起等小顆粒，與基質(zhì)瀝青形成作用力較強(qiáng)的結(jié)合界面，使基質(zhì)瀝青的性能得到改善。

由圖14中的掃描圖像可知：橡膠粉吸收瀝青中的輕質(zhì)組分后溶脹更為充分，表現(xiàn)出表面凸起更為均勻致密。而由于CR/SBSCMA 加工過(guò)程中穩(wěn)定劑的加入，引發(fā)了SBS 自身間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和SBS、橡膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青間的接枝反應(yīng)，C-S-C 鍵起到搭橋作用，使橡膠分子間產(chǎn)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硫化大分子網(wǎng)絡(luò)與硫化膠粉的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)同時(shí)對(duì)瀝青的流動(dòng)、滑動(dòng)變形等起約束作用，從而使CR/SBSCMA 改性瀝青的性能和熱穩(wěn)定性均有所提高，改性效果更好。

4.2 DSC差熱分析研究復(fù)合改性瀝青的溫度穩(wěn)定性

(DSC)可以通過(guò)測(cè)定瀝青在溫度發(fā)生變化過(guò)程中的熱效應(yīng)分析瀝青的溫度穩(wěn)定性。在DSC譜圖中，吸收峰的位置和吸熱量的多少可以表征瀝青中組分發(fā)生聚集態(tài)的微觀變化程度。吸熱峰的面積越大，說(shuō)明瀝青在該溫度區(qū)間發(fā)生變化的組分比較多，對(duì)瀝青的特性產(chǎn)生的影響越大，即熱穩(wěn)定性越差。反之，吸熱峰面積很小或很少出現(xiàn)，反映為 DSC 曲線較為平坦，說(shuō)明瀝青體系較為穩(wěn)定。

采用DSC差熱分析試驗(yàn)對(duì)已經(jīng)制備好的CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青、橡膠粉改性瀝青、基質(zhì)瀝青等的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其試驗(yàn)結(jié)果如圖15和表3所示。

圖15 DSC差熱掃描曲線

瀝青種類峰值溫度(℃)峰寬度(℃)峰高度(Mw/mg)遼河90#基質(zhì)瀝青55.222.80.02968橡膠粉改性瀝青54.032.50.05807CR/SBSCMA48.714.40.02620

對(duì)比三種瀝青的DSC掃描曲線可以看出，橡膠瀝青和CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的溫度穩(wěn)定性明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，通過(guò)對(duì)三種瀝青的DSC曲線和參數(shù)的綜合分析可以知道，CR/SBSCMA的吸收峰最小，且其吸收峰所圍成的面積最小，說(shuō)明在掃描過(guò)程中其吸收的熱量最少，在這個(gè)過(guò)程中其溫度穩(wěn)定性最好。

5 結(jié)論

(1)采用常規(guī)指標(biāo)和PG分級(jí)的方法對(duì)CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的性能進(jìn)行研究，確定了復(fù)合改性瀝青中各種改性劑的摻量，并且根據(jù)實(shí)際施工的需要，推薦了工程應(yīng)用中CR/SBSCMA的控制指標(biāo)。

(2)采用掃瞄電子顯微鏡，對(duì)橡膠粉、基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青以及CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的細(xì)觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青具有良好的穩(wěn)定性和更加優(yōu)異的性能。

(3)采用DSC差熱分析的方法，研究基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青以及CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的溫度穩(wěn)定性，從而確定了CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青具有更好的溫度穩(wěn)定性，在加熱過(guò)程中并沒(méi)有太多的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。