高粘復(fù)合改性橡膠瀝青技術(shù)性能的影響因素分析★

劉 俊 高繼明 馬慶偉

(1.葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司，陜西 西安 710077； 2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

大量工程實(shí)踐均表明橡膠瀝青可有效降低工程成本，但目前橡膠瀝青中廢舊膠粉摻量較高約20%[1]，這就造成普通橡膠瀝青存在粘度大、施工和易性差、易離析等缺陷[2,3]，橡膠瀝青雖成本較低，極大地限制了應(yīng)用范圍。

近年來，利用SBS改性劑和膠粉對(duì)瀝青性能的不同改性作用[4]，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，得到的SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青能具有更好的綜合性能[5]。復(fù)合改性橡膠瀝青中SBS的摻量較小，這也降低了成本。另外SBS改性劑的加入也可以在保證改性效果的基礎(chǔ)上減少橡膠粉的用量，降低改性瀝青的粘度，方便施工，同時(shí)降低瀝青的用量[6]。

本文采用螺桿擠出工藝制備脫硫膠粉，將SBS與脫硫膠粉共混剪切得到高粘復(fù)合改性橡膠瀝青，研究添加劑、不同脫硫膠粉、膠粉類型等對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能影響，確定高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的配比方案，為高粘復(fù)合改性橡膠瀝青進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用陜西地區(qū)較為常用的韓國(guó)雙龍70號(hào)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1[10]。

表1 韓國(guó)雙龍70號(hào)基質(zhì)瀝青性能

膠粉為江陰產(chǎn)40目輪胎橡膠粉；脫硫劑為420型脫硫劑；SBS改性劑采用中石油獨(dú)山子公司的6302L線型改性劑。

1.2 試樣制備方法

熱機(jī)械—化學(xué)復(fù)合脫硫膠粉制備方法：采用德國(guó)Berstorff GmbH雙螺桿擠出機(jī)[7]，將石油樹脂(10%質(zhì)量百分比)、420型脫硫劑(0.3%質(zhì)量百分比)與硫化膠粉均勻混合，于120 ℃下反應(yīng)72 h，隨后在280 ℃轉(zhuǎn)速100 rpm螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行脫硫。

高粘復(fù)合改性橡膠瀝青制備方法：基質(zhì)瀝青升溫到180 ℃左右，將稱好的脫硫膠粉加入到基質(zhì)瀝青中，以4 000 rpm 的轉(zhuǎn)速下剪切分散約0.5 h，再加入SBS剪切30 min，最后摻入一定比例的硫磺粉剪切攪拌15 min。

2 不同脫硫膠粉對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響分析

通過膠粉的溶膠含量與高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的常規(guī)性能研究不同脫硫膠粉對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青性能的影響，選用了兩種脫硫膠粉，A為未添加脫硫劑的脫硫膠粉，B為添加脫硫劑的脫硫膠粉。

2.1 溶膠—凝膠含量

經(jīng)索氏抽提后兩種脫硫膠粉的溶膠—凝膠含量見表2。

表2 脫硫膠粉溶膠—凝膠含量 %

由表2可知：1)與硫化膠粉相比，脫硫膠粉A的溶膠含量增大了近2倍，在螺桿擠出過程中，廢舊橡膠粉中的硫化鍵由于剪切力和熱力的作用發(fā)生降解，實(shí)現(xiàn)了廢橡膠粉的脫硫。2)對(duì)比兩種脫硫膠粉可知，脫硫劑的加入可有效增加橡膠粉的溶膠含量，脫硫膠粉B較脫硫膠粉A溶膠含量提高約9.7%，有利于改善膠粉的性能。

2.2 常規(guī)性能對(duì)比

不同膠粉類型下的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青性能見表3。

表3 高粘復(fù)合改性橡膠瀝青常規(guī)性能

由表3可知：1)對(duì)比方案1和方案2，改性瀝青軟化點(diǎn)降低了5 ℃、彈性恢復(fù)提高了6%。此外，175 ℃粘度從3.68 Pa·s降到1.5 Pa·s以下，降低約59.23%。主要原因?yàn)橄鹉z粉經(jīng)脫硫工藝后，交聯(lián)結(jié)構(gòu)被打斷，分布成小分子結(jié)構(gòu)，與瀝青的相容性得到提高，脫硫膠粉的粘性部分增加，彈性部分降低。2)對(duì)比方案2和方案3，脫硫劑對(duì)脫硫膠粉改性瀝青性能影響較為明顯，對(duì)比分析可見摻加脫硫膠粉B更適于制備高粘復(fù)合改性橡膠瀝青。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示[8，9]。

由圖1可知：1)普通橡膠瀝青中，橡膠顆粒分布較為雜亂，殘留顆粒尺寸較大，一般大于50 μm。說明普通橡膠粉在制備過程中主要發(fā)生物理溶脹作用，高速剪切對(duì)其外觀尺寸作用不明顯。2)摻加脫硫膠粉的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青經(jīng)短時(shí)間剪切后膠粉即可均勻分散，且摻加脫硫劑B的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青中橡膠粉分布更均勻，顆粒殘留尺寸更小。因此，進(jìn)一步表明摻加脫硫膠粉B更適于制備高粘復(fù)合改性橡膠瀝青。

3 膠粉類型對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能影響分析

3.1 不同改性劑組合方案

轎車輪胎橡膠粉通過螺桿擠出的脫硫膠粉為CR240，CR260，CR280，溶膠含量分別為31.6%，33.1%和35.3%；卡車輪胎橡膠粉280 ℃下的降解產(chǎn)品為TR280，溶膠含量為38.3%。未脫硫的卡車胎原膠粉簡(jiǎn)稱為TR0。

不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的摻配方案如表4所示。不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能如表5所示。

表4 不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的配比

表5 不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能

3.2 膠粉脫硫程度對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的影響

由表5中試驗(yàn)結(jié)果可知：1)脫硫膠粉改性瀝青性能指標(biāo)變化趨勢(shì)較為明顯：彈性恢復(fù)明顯增大；隨著脫硫膠粉擠出溫度的升高，所制備的脫硫膠粉改性瀝青針入度呈增大趨勢(shì)；軟化點(diǎn)也呈上升趨勢(shì)；老化前后延度指標(biāo)與針入度相似，均隨著脫硫膠粉擠出溫度的升高而增大。2)對(duì)比6號(hào)～8號(hào)試驗(yàn)結(jié)果，改性瀝青延度均比其余試驗(yàn)組增大，且RTFOT老化后的延度明顯優(yōu)于原改性瀝青，說明卡車輪胎制備的脫硫膠粉提高了改性瀝青的耐老化性能。3)加入未脫硫膠粉雖提高了改性瀝青的軟化點(diǎn)，但是其會(huì)降低改性瀝青老化前后的低溫延度，且其粘度明顯增大，不利于施工。

3.3 膠粉種類對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的影響

對(duì)比表5中不同膠粉對(duì)改性瀝青性能的影響可見，CR280與TR280對(duì)改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、粘度和彈性恢復(fù)等指標(biāo)影響趨勢(shì)類似；加入CR280廢膠粉使改性瀝青老化前后的低溫延度有所降低，這主要是由于轎車輪胎橡膠粉中的合成膠較難降解，溶膠含量低，膠粉殘留顆粒尺寸過大，低溫延度是容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致其測(cè)量指標(biāo)有所降低。因此，提高廢舊橡膠粉的脫硫程度和溶膠含量，可以有效改善脫硫膠粉改性瀝青的低溫性能。

3.4 膠粉含量對(duì)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的影響

將脫硫膠粉與SBS復(fù)合，不但提高了改性瀝青的性能，還能降低成本。表5中6號(hào)～8號(hào)試驗(yàn)結(jié)果表明隨著TR280含量的增加，高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的針入度逐漸降低、軟化點(diǎn)逐漸增大。TR280使瀝青的低溫延度增大，特別是老化后低溫延度有明顯提高；高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度隨TR280含量的增加而增大。

4 高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的配方研究

擬定高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的配方，如表6所示。

表6 高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的不同摻配方案

不同摻配比例下高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能見表7。

相比于SBS改性瀝青，A，B方案的軟化點(diǎn)分別增大了2.7%，5.5%，老化前延度則分別變化了-1.5%，2.1%，175 ℃粘度則分別增大了7.5%，17.9%，從表7中數(shù)據(jù)可進(jìn)一步看出B組(2%SBS+30%膠粉)瀝青的高低溫性能、粘度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性等均優(yōu)于SBS改性瀝青，而A組(2%SBS+15%膠粉)瀝青性能與SBS改性瀝青相當(dāng)。同理，可得C，D，E，F(xiàn)方案3%SBS+膠粉的4組瀝青的高低溫性能、粘度及儲(chǔ)存穩(wěn)定性等均優(yōu)于SBS改性瀝青。

相較于高粘瀝青，G,H方案的軟化點(diǎn)分別增大了4.6%,6.3%，延度分別增大了36.5%，46.1%，175 ℃粘度則分別降低了10.2%，5.5%，而三者的60 ℃粘度則相差不大，可見4%SBS+20%膠粉復(fù)配的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的綜合性能與高粘瀝青大致相當(dāng)。

表7 不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能

5 高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的技術(shù)要求

根據(jù)高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的配方研究，綜合分析可得到適用不同級(jí)配的三種配方：2%SBS+15%膠粉配方可適用于連續(xù)級(jí)配(AC類)，3%SBS+15%膠粉配方可適用于間斷級(jí)配(SMA類)，4%SBS+20%膠粉配方可適用于排水性瀝青路面中。根據(jù)表7中不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，按照95%的保證率取整得到適用于不同級(jí)配的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青技術(shù)要求。三種高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。

表8 適用于不同級(jí)配的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青技術(shù)要求

6 結(jié)論

通過對(duì)比不同高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能，研究了石油樹脂、脫硫劑、脫硫膠粉含量等對(duì)瀝青性能的影響，確定了高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的配方，得到以下結(jié)論：

1)摻加不同脫硫膠粉的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的性能試驗(yàn)及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果表明，與硫化膠粉相比，摻加脫硫膠粉后的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的粘度顯著降低，且其延度和彈性恢復(fù)顯著提高，其中摻加脫硫膠粉B(添加脫硫劑的脫硫膠粉)的瀝青，其性能改善更加明顯，且其微觀形態(tài)更加均勻，因此，摻加脫硫膠粉B(添加脫硫劑的脫硫膠粉)更適于制備高粘復(fù)合改性橡膠瀝青。

2)相較于轎車輪胎橡膠粉CR280，加入卡車輪胎橡膠粉TR280的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的軟化點(diǎn)、延度、粘度及彈性恢復(fù)等性能更優(yōu)，可見卡車輪胎橡膠粉TR280更適用于制備脫硫膠粉。

3)提出適用于不同級(jí)配類型的高粘復(fù)合改性橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求。其中，2%SBS+15%膠粉配方可用于AC類連續(xù)級(jí)配，3%SBS+15%膠粉配方可用于SMA類間斷級(jí)配，4%SBS+20%膠粉配方可用于OGFC類開級(jí)配。