SBS/膠粉復(fù)合改性新疆調(diào)和瀝青性能探討

孫澤強，舒 誠，宋 亮，王朝輝

(1.新疆交通投資有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

隨著新疆被確定為“一帶一路”經(jīng)濟帶核心區(qū)與第一批交通強國建設(shè)試點，其交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模日益增長[1]。當前新疆公路瀝青混凝土路面所用的SBS改性瀝青主要依靠內(nèi)地供應(yīng)，本地瀝青與SBS等改性劑存在相容性較差、難改性問題。而采用內(nèi)地瀝青進行工程建設(shè)不僅運距遠、造價高，也不利于有效利用當?shù)刭Y源。因此，解決新疆瀝青改性技術(shù)難題，對于改善新疆地區(qū)路面使用品質(zhì)、降低工程建設(shè)成本具有重要作用。

為解決新疆瀝青改性難題，眾多學者從不同方面開展了相關(guān)研究。王曉倩等[2]采用膠粉復(fù)配維他連接劑、多聚磷酸、硫化交聯(lián)體系等對克拉瑪依瀝青進行了改性，指出瀝青芳香度較高時可達到良好的改性效果；云慶慶等[3]對比了不同目數(shù)廢膠粉對克拉瑪依瀝青的改性效果，結(jié)果表明不同目數(shù)膠粉復(fù)合SBR可在一定程度上提高改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性；柴志杰[4]采用不同SBS改性劑、穩(wěn)定劑和相容劑對塔河瀝青進行改性，發(fā)現(xiàn)相容劑的芳烴含量、芳烴結(jié)構(gòu)會對改性瀝青的儲存穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響；韓森等[5]應(yīng)用不同類型SBS對克拉瑪依瀝青進行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各類SBS均難以對其改性，摻入相容劑調(diào)整瀝青組分后得到顯著改善。楊凱等[6]指出克拉瑪依瀝青低瀝青質(zhì)與低芳香分的特點是導(dǎo)致其難改性的因素之一；彭煜等[7]從瀝青元素組成、紅外光譜、族組成、相對分子質(zhì)量等方面研究了SBS與克拉瑪依瀝青的配伍性，結(jié)果表明芳香分和瀝青質(zhì)含量較少是其與SBS改性劑相容性較差的重要因素之一。當前學者們采用膠粉改性新疆瀝青已取得一定成果，但采用單一SBS改性新疆瀝青時，性能依舊難以滿足建設(shè)需要，瀝青組分缺陷是其改性難題的一大原因。

基于此，本文將新疆克拉瑪依瀝青與塔河瀝青進行調(diào)和，改善其成分組成，同時考慮SBS與膠粉復(fù)合時高、低溫性能的互補，采用SBS、膠粉復(fù)配改性調(diào)和瀝青，并對其性能進行探討，以期為攻克新疆瀝青改性難題奠定基礎(chǔ)。

1 新疆調(diào)和瀝青及復(fù)合改性瀝青制備

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

選用產(chǎn)自新疆的克拉瑪依90#(簡稱KL)與塔河60#(簡稱TH)基質(zhì)瀝青進行試驗，基質(zhì)瀝青的基本性能指標如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本性能指標

1.1.2 改性劑及助劑

SBS原料采用中石油獨山子石化產(chǎn)線型SBS，牌號T6302H，嵌段比30/70；廢胎膠粉采用20～30目脫硫膠粉，由子午線輪胎采用常溫粉碎法制成；穩(wěn)定劑為含硫復(fù)合物，有效成分含量大于95%；相容劑采用芳烴油，具體為糠醛抽出油。

1.2 瀝青調(diào)和比例

瀝青組分中的飽和分與芳香分會顯著影響改性劑的溶脹程度；瀝青質(zhì)在影響瀝青感溫性的同時，也會影響改性劑與瀝青之間的相容性[8-10]。新疆克拉瑪依瀝青與塔河瀝青在組分上均存在一定缺陷。研究表明SK系列瀝青與SBS等多種摻劑改性效果較好[11-12]，高芳香烴、低瀝青質(zhì)的瀝青與橡膠類改性劑具有良好的相容性[13-15]。為改善新疆瀝青與SBS、膠粉之間的相容性，參照SK-70、SK-90及與橡膠類改性劑相容性良好的組分對其進行調(diào)和，部分調(diào)和瀝青采用芳烴油對輕質(zhì)組分進行調(diào)節(jié)，具體配比如表2所示。

表2 瀝青組分與調(diào)和比例

1.3 復(fù)合改性瀝青的制備

1.3.1 芳烴油作為助劑摻入

瀝青調(diào)和：將克拉瑪依90#瀝青與塔河60#瀝青在135 ℃條件下加熱至流淌，取出瀝青；按比例加入2種瀝青，一邊加熱一邊攪拌，至150 ℃±5 ℃；在1 000～1 500 r·min-1轉(zhuǎn)速下將達到設(shè)定溫度的瀝青攪拌60 min，靜置30 min，消泡后得到調(diào)和瀝青。

瀝青改性：迅速使調(diào)和瀝青升溫至170 ℃，加入6%芳烴油、15%膠粉與3%SBS，以轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1攪拌15～20 min至無明顯顆粒；將溫度升高到185 ℃，以轉(zhuǎn)速4 500 r·min-1剪切40 min，加入0.4%穩(wěn)定劑繼續(xù)剪切5 min；將剪切完畢的復(fù)合改性瀝青置于150 ℃～160 ℃烘箱，溶脹發(fā)育1.0～1.5 h。

1.3.2 芳烴油作為調(diào)和組分摻入

瀝青調(diào)和：將克拉瑪依90#瀝青與塔河60#瀝青在135 ℃條件下加熱至流淌，取出瀝青；按比例加入瀝青與芳烴油，一邊加熱一邊攪拌，至150 ℃±5 ℃；將達到設(shè)定溫度的瀝青在1 000～1 500 r·min-1轉(zhuǎn)速下攪拌60 min，靜置30 min，消泡后得到調(diào)和瀝青。

瀝青改性：迅速使調(diào)和瀝青升溫至170 ℃，加入15%膠粉與3%SBS，以轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1攪拌15～20 min至無明顯顆粒；將溫度升高到185 ℃，以轉(zhuǎn)速4 500 r·min-1剪切40 min，加入0.4%穩(wěn)定劑繼續(xù)剪切5 min；將剪切完畢的復(fù)合改性瀝青置于150 ℃～160 ℃烘箱，溶脹發(fā)育1.0～1.5 h。

2 新疆調(diào)和瀝青性能

為分析克拉瑪依瀝青與塔河瀝青的調(diào)和狀況，對芳烴油作助劑時得到的調(diào)和瀝青性能進行測試，并與基質(zhì)瀝青對比，結(jié)果見表3。

表3 調(diào)和瀝青基本性能指標

由表3可知，KL∶TH=4∶1時，調(diào)和瀝青的性能與90#瀝青較為接近，其軟化點相比KLMY90得到小幅度提升，但低溫延度明顯降低；當KL∶TH=2∶3時，高溫性能與KLMY90相比已得到較大幅度改善，表現(xiàn)出KLMY90與TH60性能互補的趨勢，瀝青針入度指數(shù)升高，對新疆寒冷地區(qū)具備適應(yīng)性；當KL∶TH=2∶5時，瀝青性能接近70#瀝青，但低溫性能較差，瀝青稠度較大。當KL∶TH=2∶5時，調(diào)和瀝青具有最低的溫度敏感性，其針入度指數(shù)為0.8，而當KL∶TH =4∶1時，調(diào)和瀝青對溫度變化最為敏感，對寒冷地區(qū)的適應(yīng)性較差。

綜上可知，3種調(diào)和瀝青在性能上均表現(xiàn)出KLMY90與TH60性能互補的趨勢，但性能偏向于調(diào)和占比較大的基質(zhì)瀝青。當KL∶TH=2∶3時，調(diào)和瀝青兼具高、低溫性能優(yōu)勢，同時其溫度敏感性相對較低，更符合新疆地區(qū)氣候要求。

3 復(fù)合改性新疆調(diào)和瀝青的性能

3.1 芳烴油作助劑的復(fù)合改性瀝青性能

對芳烴油作助劑時制備的調(diào)和瀝青進行復(fù)合改性試驗，結(jié)果見表4，瀝青性能相關(guān)參考規(guī)范見表5。

由表4可知，調(diào)和瀝青經(jīng)SBS、膠粉改性后高、低溫性能普遍得到提高，但提升幅度存在差異。其中以2∶3、2∶5比例改性后針入度分別降低15.2、7.6(0.1 mm)，以4∶1比例改性后針入度反而升高；3組調(diào)和瀝青改性后軟化點均有提升，2∶3、2∶5比例下提升幅度顯著，增幅高達59.8%～64.6%，而以4∶1比例改性后軟化點提升幅度較低，僅9.4%；對于低溫延度，三者增幅分別為221%、84%、166%，2∶3比例下增幅最高，其延度值可達270 mm；對于彈性恢復(fù)，2∶3、2∶5比例均能滿足表5中膠粉相關(guān)規(guī)范的要求，而4∶1比例表現(xiàn)不佳。值得注意的是，對2∶5比例復(fù)合改性瀝青進行離析試驗中，上下部瀝青均發(fā)生了凝膠現(xiàn)象，結(jié)合調(diào)和瀝青組分與基本性能推測，可能是其瀝青質(zhì)含量較高、稠度較大所致。

表4 復(fù)合改性調(diào)和瀝青基本性能試驗結(jié)果(芳烴油作助劑)

表5 復(fù)合改性調(diào)和瀝青性能參考規(guī)范

在3組調(diào)和比例下，改性劑對2∶3與2∶5比例調(diào)和瀝青的性能改善效果最為顯著，而4∶1比例與改性劑配伍性較差，難以大幅提升性能。造成上述差異的原因可能是KLMY90占比較大時瀝青稠度較低，其瀝青質(zhì)組分較少，難以對改性劑起到“骨架”支撐的作用[16-17]。隨著TH60比例增加，瀝青質(zhì)組分增多，改性劑能較為均勻地分散在瀝青中，但過高瀝青質(zhì)含量易導(dǎo)致凝膠現(xiàn)象，應(yīng)選取適當配比，使瀝青組分處于平衡狀態(tài)。

3.2 芳烴油作調(diào)和組分的復(fù)合改性瀝青性能

對芳烴油作調(diào)和組分制備的復(fù)合改性瀝青進行性能測試，結(jié)果見表6。

表6 復(fù)合改性調(diào)和瀝青基本性能試驗結(jié)果(芳烴油作調(diào)和組分)

膠體指數(shù)Ic為瀝青質(zhì)、飽和分之和與芳香分、膠質(zhì)之和的比值，可被用來評價改性瀝青的相容性。通?；|(zhì)瀝青的Ic較低時，改性劑在其中具有較好的分散性[18-20]。幾種調(diào)和瀝青的Ic值從大到小排列為1∶2∶0.28調(diào)和瀝青>1∶2.5∶0.75調(diào)和瀝青>1∶6∶2調(diào)和瀝青>1∶3.5∶3調(diào)和瀝青。隨著Ic值減小，各調(diào)和瀝青制備的復(fù)合改性瀝青針入度增大，其中1∶3.5∶3調(diào)和瀝青最高，而1∶2∶0.28調(diào)和瀝青最低，分別為225.0、64.7(0.1 mm)；彈性恢復(fù)性能隨著Ic值的減小而提高，從1∶2∶0.28比例下的81.0%增長至1∶3.5∶3比例下的96.0%。軟化點、延度則與Ic值相關(guān)性不大，對于軟化點，1∶6∶2比例下最高，可達90 ℃，而1∶3.5∶3最低，僅73.4 ℃；對于低溫延度，1∶2.5∶0.75調(diào)和瀝青最大，為640 mm，而1∶2∶0.28調(diào)和瀝青最小，僅368 mm。對于儲存穩(wěn)定性，各調(diào)和瀝青外觀上均發(fā)生顯著離析，而部分瀝青軟化點差較小，這可能是由于膠粉下沉、SBS上浮所致。

綜上所述，將芳烴油作為調(diào)和組分制備的復(fù)合改性瀝青性能缺陷明顯，無法兼具高、低溫性能優(yōu)勢。此外，復(fù)合改性調(diào)和瀝青離析問題依舊顯著，應(yīng)進一步針對新疆瀝青的特點優(yōu)選助劑，以改善其儲存穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

(1)將克拉瑪依瀝青與塔河瀝青調(diào)和，使新疆基質(zhì)瀝青組分得到改善，從而制備出適用于瀝青改性的新疆調(diào)和瀝青，其中KLMY90∶TH60=2∶3時調(diào)和瀝青兼具高、低溫性能，溫度敏感性相對較低，更符合新疆地區(qū)氣候要求。

(2)當芳烴油作助劑時，SBS/膠粉復(fù)合改性調(diào)和瀝青的性能得到顯著提高，其中改性劑對2∶3調(diào)和瀝青的性能改善效果最為顯著，復(fù)合瀝青的軟化點和5 ℃延度分別可達82.3 ℃、270 mm，而4∶1比例調(diào)和瀝青與改性劑配伍性較低，軟化點僅為52.2 ℃；當芳烴油作調(diào)和組分時，制備的SBS/膠粉復(fù)合改性調(diào)和瀝青性能得到一定改善，但瀝青離析較為嚴重，綜合性能不如芳烴油作助劑時制備的復(fù)合改性瀝青。

(3)瀝青調(diào)和與復(fù)合改性的方法可使新疆瀝青高低溫性能提高，為攻克改性難題奠定了基礎(chǔ)，但試驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性瀝青離析缺陷依舊突顯，后續(xù)應(yīng)針對新疆瀝青改性特點優(yōu)選助劑，對儲存穩(wěn)定性做深入研究。