SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青研究進(jìn)展

謝紅飛，宋 亮，高陽(yáng)江，李永剛

1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)道路建設(shè)得到了快速的發(fā)展，截止2019年，我國(guó)各種公路里程超過(guò)了477.35萬(wàn)km，其中高速公路里程達(dá)到了13.65萬(wàn)km。隨著我國(guó)“一帶一路”的實(shí)施以及對(duì)公路的使用要求不斷多元化，一般的道路石油瀝青已經(jīng)不能滿足交通的發(fā)展，聚合物改性劑如SBS、SBR等越來(lái)受到人們的重視。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐表明，SBS具有良好的高低溫性能，但由于SBS價(jià)格昂貴，進(jìn)一步限制SBS的發(fā)展。

同時(shí)，隨著我國(guó)私有車輛的不斷增多，帶來(lái)的一系列污染問(wèn)題，其中經(jīng)使用后的廢舊汽車輪胎處置問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的重視。隨著社會(huì)發(fā)展，磨碎后的廢舊膠粉應(yīng)用到道路建設(shè)逐漸成為處理膠粉的重要方式。但黏度大、相容性差、低溫性能等問(wèn)題制約了膠粉的應(yīng)用。

針對(duì)兩種改性劑的不足，本文從SBS/膠粉復(fù)合改性角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)制備工藝、評(píng)價(jià)指標(biāo)、新疆瀝青的應(yīng)用等研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，為下一步的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 復(fù)合改性瀝青的制備工藝

常用的SBS改性瀝青制備方法有直接投入法、高速剪切法等，橡膠瀝青有干法和濕法兩種。但對(duì)于復(fù)合改性還沒(méi)有固定的制備工藝，目前常用的制備SBS/膠粉主要為高速剪切法。其中制備流程大致可分為：剪切、攪拌、發(fā)育。

制備工藝一直是學(xué)者重要的研究?jī)?nèi)容，一個(gè)良好的制備工藝對(duì)瀝青改性有著重要作用。目前，對(duì)于制備工藝已經(jīng)有了初步研究，大部分學(xué)者主要集中于溫度和時(shí)間控制。研究表明，改性劑對(duì)瀝青性能有著重要影響。侯鐵軍［1］為了對(duì)納米蒙脫土（OMMTD）與SBS復(fù)合瀝青的參數(shù)進(jìn)行分析，以正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)組，通過(guò)對(duì)延度、針入度、軟化點(diǎn)等指標(biāo)分析，結(jié)果可知剪切溫度對(duì)復(fù)合瀝青的性能有著顯著影響。

李寧利［2］以廢輪胎膠粉改-廢塑料作為瀝青改性劑，剪切溫度、剪切時(shí)間、剪切速率、反應(yīng)溫度作為變量，通過(guò)對(duì)常規(guī)指標(biāo)在灰色關(guān)聯(lián)度中評(píng)價(jià)中的權(quán)重，得出了發(fā)育時(shí)間和攪拌溫度對(duì)改性瀝青的的影響大于剪切速率和剪切時(shí)間。所以在對(duì)復(fù)合瀝青改性時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)外摻劑和基質(zhì)瀝青的不同選擇合適的工藝參數(shù)。

2 新疆瀝青的應(yīng)用

目前，在新疆自治區(qū)范圍內(nèi)修筑高等級(jí)公路大多會(huì)采用山東或者國(guó)外進(jìn)口的70#或者90#瀝青作為改性瀝青的基質(zhì)瀝青，因?yàn)榧夹g(shù)原因很少采用本區(qū)域內(nèi)的克拉瑪依瀝青、塔化瀝青等。這在無(wú)形中增加了改性瀝青的成本，也造成許多的浪費(fèi)。如何因地制宜利用新疆瀝青是未來(lái)一大趨勢(shì)。

2.1 克拉瑪依瀝青

克拉瑪依瀝青是新疆比較常用的一種瀝青。由于克煉瀝青，其密度小、膠質(zhì)含量高、蠟含量低等問(wèn)題，使克拉瑪依瀝青具有較好的低溫性能、抗老化性能，但也存在難以改性的問(wèn)題。彭煜［3］為了研究克拉瑪依改性問(wèn)題，以化學(xué)改性劑和物理改性劑兩種方法改性，通過(guò)對(duì)改性前后的相對(duì)分子質(zhì)量、元素組成等差異。結(jié)果表明化學(xué)穩(wěn)定劑改性效果要優(yōu)于物理改性劑。韓森［4］為了研究不同改性劑對(duì)克拉瑪依瀝青的影響，以不同的改性劑，如燕山4303、岳陽(yáng)791、燕山國(guó)創(chuàng)1號(hào)等，通過(guò)對(duì)感溫性能分析，發(fā)現(xiàn)燕山4301的改性效果最好。云慶慶［5］等為了提高對(duì)克拉瑪依瀝青的性能，從膠粉目數(shù)出發(fā)，通過(guò)對(duì)針入度、延度、軟化點(diǎn)等指標(biāo)的分析，當(dāng)60目和80目的質(zhì)量1：1，抽出油1%，克拉瑪依改性瀝青最佳。但對(duì)改性瀝青的老化以后性能以及應(yīng)用于混合料后的路用性能以后并沒(méi)有進(jìn)一步介紹。雖然云慶慶等人通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)克拉瑪依瀝青改性后能夠在一定地步提高瀝青高低溫性能，但隨著研究深入，傳統(tǒng)的針入度、延度、軟化點(diǎn)等指標(biāo)并不能真實(shí)反映瀝青性能。為了更好表征瀝青的性能，1987年，美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)一項(xiàng)針對(duì)公路的SHRP計(jì)劃。為此研發(fā)了一套全新的設(shè)備，其中包括旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）、動(dòng)力剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）等。布海玲［6］為了研究克拉瑪依瀝青的老化性能，通過(guò)SHRP的BBR試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)原理認(rèn)為瀝青材料的開(kāi)裂與勁度模量S有關(guān)，而勁度隨時(shí)間發(fā)生變化。通過(guò)試驗(yàn)可知，短期老化可明顯降低克拉瑪依瀝青的性能。

在做瀝青試驗(yàn)時(shí)，往往評(píng)價(jià)改性瀝青的優(yōu)劣，最終是看瀝青混合料的路用性能。仝佳［7］為了驗(yàn)證聚合磷酸改性瀝青的路用性能，以克拉瑪依70基質(zhì)瀝青，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)等研究結(jié)果表明，當(dāng)聚合磷酸為1.25%時(shí)，性能最佳。

2.2 塔化瀝青

塔化瀝青又稱塔河瀝青、庫(kù)車瀝青。主要產(chǎn)于新疆南部塔里木盆地塔河油田的重質(zhì)稠油瀝青。與國(guó)產(chǎn)或者進(jìn)口瀝青相比，塔化瀝青單位密度大、蠟含量高、瀝青質(zhì)大等特點(diǎn)。由于蠟含量較高，故一直應(yīng)用于低等級(jí)公路。

與克拉瑪依瀝青相比，塔河瀝青研究相對(duì)較少，但也取得了一定的成果。柴智［8］對(duì)克拉瑪依瀝青、科氏瀝青、技改瀝青的老化性能分析，研究表明塔化瀝青老化后針入度性能變化明顯，受老化性能影響較大。然而，在實(shí)際生活之中，瀝青的性能并不能直接真實(shí)的反映材料的好壞，為了進(jìn)一步驗(yàn)證塔化瀝青的路用性能，李敏［9］從瀝青性能、配合比設(shè)計(jì)、路用性能角度出發(fā)，將塔化瀝青與新疆常用的克拉瑪依瀝青進(jìn)行對(duì)比通過(guò)四組分分析可知，塔化瀝青中的瀝青質(zhì)和芳香烴都含量都高于克拉瑪依瀝青，但飽和烴和膠質(zhì)略低，因此具有良好的高溫性能。研究表明，瀝青質(zhì)中存在羧酸類和亞礬類，由于羧酸類和亞礬類具有很強(qiáng)吸附能力但又不穩(wěn)定的極性，故導(dǎo)致塔湖瀝青粘附性較差；克拉瑪依瀝青混合料在疆內(nèi)應(yīng)用廣泛，塔化瀝青混合料在抵抗高溫方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，低溫性能略差。因此塔化瀝青適用于高溫低溫或者重載交通路段等。

3 改性瀝青的常用助劑

隨著改性瀝青應(yīng)用的不斷推廣以及應(yīng)用，極大的推動(dòng)了我國(guó)本土瀝青的應(yīng)用，但也逐漸暴露除了許多不足，如隨著時(shí)間的推移，改性劑與改性瀝青發(fā)生瀝青、聚團(tuán)等問(wèn)題，這時(shí)就不得不摻加一定助劑改善瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)。國(guó)外更多的是開(kāi)發(fā)新材料或者新技術(shù)［10］。硅藻土、硫磺粉、糠醛油、礦渣粉等材料因其可以與改性瀝青形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而受到人們的關(guān)注。

助劑不同，作用也不同，穩(wěn)定劑常常用于提高瀝青和改性劑的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；交聯(lián)劑可以有效地提高改性劑與瀝青交互程度；增溶劑可以有效地提高瀝青與改性劑的相容性等。已有研究表明，合適的助劑摻量對(duì)發(fā)揮瀝青膠結(jié)料和瀝青混合料的性能具有重要的作用。陳凱［11］為了研究膠粉、湖瀝青、超細(xì)碳酸鈣等助劑影響，以SK-90號(hào)為基質(zhì)瀝青，通過(guò)對(duì)常規(guī)指標(biāo)的影響分析，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了不同的SBS助劑對(duì)SBS改性效果有很大影響，且影響指標(biāo)也不一樣。

為了探索合適的助劑，肖敏敏［12］通過(guò)正交試驗(yàn)，并利用灰色關(guān)聯(lián)反析得出了，當(dāng)穩(wěn)定劑摻量為10%時(shí)，改性瀝青最佳。針對(duì)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青復(fù)雜的體系，牛海港［13］從摻加時(shí)間、摻加劑量、種類角度，研究了交聯(lián)劑（硫磺粉）、相容劑（馬來(lái)酸酐）、穩(wěn)定劑（WD-Ⅱ）對(duì)復(fù)合改性瀝青的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，確定了交聯(lián)劑用量4%、相容劑4%、穩(wěn)定劑1.5%的試驗(yàn)方案。同時(shí)，從數(shù)據(jù)分析可知，隨著相容劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)大幅度提高，延度反而出現(xiàn)下降，說(shuō)明相容劑的增加可以適當(dāng)提高瀝青高溫性能。

4 瀝青混合料評(píng)價(jià)指標(biāo)

瀝青混合料是指將瀝青結(jié)合料、石料、礦粉等物質(zhì)按照一定的比例混合均勻組成的具有不同力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)，一個(gè)良好的瀝青路面包括應(yīng)根據(jù)氣候的差異選擇合適的級(jí)配、油石比等。如針對(duì)南方的高溫多雨的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)混合料應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性、抗車轍能力。路面使用壽命跟混合料的性能有很大關(guān)系。本節(jié)主要對(duì)混合料的一些性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行介紹，了解我國(guó)常用的一些評(píng)價(jià)方法。

4.1 高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

車轍是瀝青路面常見(jiàn)的病害之一。一般來(lái)說(shuō)，車轍可分為結(jié)構(gòu)性車轍、失穩(wěn)性車轍等，其中失穩(wěn)性車轍是我們生活中比較常見(jiàn)的車轍。造成車轍形成的因素有很多，如材料的選擇、級(jí)配的合成等。為了降低車轍影響，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立許多評(píng)價(jià)方法。常用的評(píng)價(jià)方法有彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、剪切試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和單軸試驗(yàn)等。其中，在我國(guó)常用的是車轍試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)（HWTD）。

郭浩然［14］在利用車轍試驗(yàn)驗(yàn)證改性瀝青高溫性能過(guò)程中，為了更好的達(dá)到規(guī)范壓實(shí)度的的要求，通過(guò)增加對(duì)試件的碾壓次數(shù)來(lái)來(lái)提高混合料的壓實(shí)度。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，碾壓次數(shù)的增加在一定范圍內(nèi)可以有效地提高改性瀝青的壓實(shí)度和穩(wěn)定度。

隨著研究的深入，車轍試驗(yàn)的一些缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。如轍試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸嚴(yán)重影響了不同公稱直徑的動(dòng)穩(wěn)定指標(biāo)。再者，瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程所采用的試件成型的方法是采用輪碾法，該方法與實(shí)際施工相差甚遠(yuǎn)。因此，為了更好的表征瀝青混合料的高溫性能，國(guó)內(nèi)學(xué)者逐漸采用不同試驗(yàn)方法 。楊光［15］為了更好的評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫性能，借鑒德國(guó)漢堡試驗(yàn)的線型揉搓壓實(shí)方式，與車轍試驗(yàn)相比，該方法可更直觀的反應(yīng)混合料的在極端條件和車轍下的高溫性能

4.2 低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

一個(gè)良好的瀝青路面除了應(yīng)該有較好的高溫性能，同時(shí)也應(yīng)有良好的低溫性能。研究表明，瀝青路面的低溫開(kāi)裂與材料力學(xué)性能有關(guān)。當(dāng)溫度下降時(shí)，由于瀝青內(nèi)部受力不均勻就會(huì)路面開(kāi)裂等路害。因此當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)選之后，如何更加準(zhǔn)確將青材料的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與瀝青路面開(kāi)裂程度結(jié)合一起，一直是近幾年研究熱點(diǎn)。

用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青低溫性能方法有：間接拉伸試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、收縮系數(shù)試驗(yàn)、彎曲梁試驗(yàn)、熱膨脹系數(shù)。我國(guó)常用有彎曲梁試驗(yàn)、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)等。

馮德成［16］針對(duì)小梁彎曲試驗(yàn)的不足，利用改進(jìn)后的半圓彎曲試驗(yàn)（SCB），研究混合料低溫開(kāi)裂與抽提回收瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果之間的聯(lián)系，通過(guò)瀝青路面開(kāi)裂間距與瀝青混合料力學(xué)參數(shù)的分析，得出更為合理的低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)。與低溫彎曲相比，半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）在一定程度上解決了傳統(tǒng)低溫方法與瀝青路面開(kāi)裂關(guān)聯(lián)度不高的問(wèn)題，具有一定的推廣意義。

4.3 水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

所謂水損是是指下雨或者冰雪融化后由于車輛的作用下進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部，隨著時(shí)間推移，不斷侵蝕瀝青結(jié)構(gòu)，使瀝青與集料的粘附性和力學(xué)性能逐漸下降，直至脫落，最終導(dǎo)致路面出現(xiàn)松散、坑槽等現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的評(píng)價(jià)方法有浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、真空煮沸煮沸劈裂試驗(yàn)、肯塔堡試驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平，規(guī)范采用的方法有浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)。其中，浸水馬歇爾試驗(yàn)以殘留穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，要求不低于75%～80%。但研究表明，浸水馬歇爾試驗(yàn)條件并不能真實(shí)地反映路面狀態(tài)，其試驗(yàn)指標(biāo)殘留穩(wěn)定度也不能真實(shí)地反映路面穩(wěn)定程度。針對(duì)以上不足，嚴(yán)超［17］采用理論效度和相對(duì)區(qū)分度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、肯踏堡試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：浸水分散試驗(yàn)最好、凍融劈裂試驗(yàn)次之、浸水馬歇爾試驗(yàn)最差。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)改性瀝青的制備工藝、評(píng)價(jià)指標(biāo)、新疆瀝青研究現(xiàn)狀、常用的助劑進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹和梳理，了解并基本掌握新疆改性瀝青未來(lái)發(fā)展方向。具體結(jié)論如下：

（1）改性瀝青制備工藝大致可分為剪切、攪拌、發(fā)育。在制備過(guò)程中，剪切溫度、剪切時(shí)間、攪拌時(shí)間、發(fā)育時(shí)間對(duì)改性后的瀝青有較大的影響，且往往改性瀝青不同所需制備工藝也有較大變化。

（2）與克拉瑪依瀝青相比，由于塔化瀝青中瀝青質(zhì)含量較高，因此具有良好的高溫性能常常用于氣候比較炎熱地區(qū)。

（3）作為瀝青助劑，對(duì)于提高改性瀝青的性能，具有重要的作用。目前我國(guó)常用的助劑種類很多，在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)需求選用不同的助劑。

（4）驗(yàn)證瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性、抗疲勞性的方法種類繁多，但目前仍以規(guī)范的方法為主。