AR-SBS復(fù)合瀝青的制備及性能試驗(yàn)研究

鄭少燦，黃民如

（廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣東 廣州 510623；廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510623）

橡膠瀝青 （AR）由于具有良好的高溫穩(wěn)定性、“保黑”效果佳以及可消耗廢舊輪胎符合綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則，逐漸受到道路工作者的青睞。但就橡膠瀝青技術(shù)現(xiàn)狀而言，相關(guān)技術(shù)問題如黏度偏大導(dǎo)致施工性較差、儲(chǔ)存穩(wěn)定性差難以工廠化生產(chǎn)等仍舊制約著其進(jìn)一步推廣［1-3］。目前廣泛采用SBS改性瀝青各項(xiàng)性能穩(wěn)定，但也存在造價(jià)相對較高的缺點(diǎn)。因此，如何選取合適的制備工藝，在不顯著降低使用性能基礎(chǔ)上，使用部分橡膠粉替代SBS改性劑制備AR-SBS復(fù)合改性瀝青，一方面降低SBS改性瀝青造價(jià)，另一方面改善橡膠瀝青的部分指標(biāo)缺陷，具有較大的研究意義［4-8］。在大埔至潮州高速公路 （含大埔至漳州支線）第TJ2標(biāo)段（K6＋140～K17＋700）路面工程試驗(yàn)段中，擬對AR-SBS復(fù)合改性瀝青加工工藝進(jìn)行分析，并對其老化前后性能指標(biāo)與SBS改性瀝青、AR改性瀝青進(jìn)行對比，然后將3種改性瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及疲勞試驗(yàn)對比分析，確定最佳瀝青混合料用量。

1 AR-SBS復(fù)合瀝青的制備

1.1 原材料

研究采用如下原材料進(jìn)行AR-SBS復(fù)合改性瀝青制備：埃索70?；|(zhì)瀝青、星型SBS改性劑、經(jīng)除雜細(xì)化后的40目精細(xì)橡膠粉及其它穩(wěn)定劑等輔助助劑、工廠現(xiàn)場改性的成品SBS改性瀝青（SBS摻量為4%）、工廠現(xiàn)場改性的橡膠瀝青 （橡膠粉摻量為15%）。3種瀝青 （基質(zhì)瀝青、SBS瀝青、AR瀝青）性能對比見表1。其中，70?；|(zhì)瀝青其它性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 3種瀝青（基質(zhì)瀝青、SBS瀝青、AR瀝青）技術(shù)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of three kinds of asphalt（matrix asphalt，SBS asphalt，AR asphalt）technical indicators

通過表1可以發(fā)現(xiàn)：

a.相較SBS瀝青，AR瀝青5℃延度及彈性恢復(fù)較小，表明其低溫塑性及彈性性能相對較差。

b.AR瀝青在15%摻量下軟化點(diǎn)也較SBS瀝青小12℃，表明其高溫穩(wěn)定性略低于SBS瀝青。

c.相較SBS瀝青，AR瀝青性能差異最大的為其黏度指標(biāo)，在135℃、180℃條件下其黏度分別為SBS瀝青7.4倍、14.5倍。較大的的黏度使得AR瀝青混合料施工時(shí)不得不提高拌和、碾壓溫度，一方面增加了燃料的消耗，同時(shí)也增加了混合料現(xiàn)場碾壓質(zhì)量控制難度。

1.2 AR-SBS復(fù)合瀝青加工工藝

采用試驗(yàn)室高速剪切機(jī)進(jìn)行AR-SBS復(fù)合瀝青制備，具體摻配比例及制備工藝如下：

a.采用外摻法，制備2%摻量SBS改性瀝青。具體加工工藝為：將SBS改性劑與70?；|(zhì)瀝青混合料，在175℃左右剪切20 min，剪切速率取5 000 r／min。

b.制備AR-SBS復(fù)合改性瀝青，具體加工工藝為：將上述制備好的2%摻量SBS改性瀝青摻入10%（占瀝青質(zhì)量比例）橡膠粉，在180℃剪切15 min，剪切速率取5 000 r／min。

c.為保證橡膠粉充分溶脹、發(fā)育，同時(shí)確保AR-SBS混合改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性，在上述步驟摻入0.1%摻量穩(wěn)定劑，并置于180℃條件下緩慢攪拌2 h，最終制備完成AR-SBS復(fù)合改性瀝青。

上述AR-SBS復(fù)合改性瀝青制備完成后，進(jìn)行48 h離析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示上、下管體內(nèi)ARSBS復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)差僅為1℃，表明該法制備的AR-SBS復(fù)合改性瀝青具有較好的穩(wěn)定性，具有推廣使用的基礎(chǔ)。

2 AR-SBS復(fù)合瀝青性能試驗(yàn)

2.1 AR-SBS復(fù)合瀝青技術(shù)指標(biāo)

將制備的AR-SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行上述性能指標(biāo)測試，測試結(jié)果如表2所示。對比表1中SBS改性瀝青及AR改性瀝青性能指標(biāo)，可知：

a.相較SBS改性瀝青，AR-SBS復(fù)合改性瀝青5℃延度、軟化點(diǎn)略有降低，但相對AR改性瀝青則顯著提高，表明AR-SBS復(fù)合改性瀝青低溫塑性及高溫穩(wěn)定性介于SBS改性瀝青與AR改性瀝青之間。

b.比較各改性瀝青黏度指標(biāo)，AR-SBS復(fù)合改性瀝青較AR改性瀝青黏度顯著降低，135℃延度、180℃黏度分別降低48%、34%，可有效減低拌和、碾壓溫度。

綜上分析表明，AR-SBS復(fù)合改性瀝青綜合了SBS改性瀝青及AR改性瀝青的優(yōu)點(diǎn)，在滿足性能指標(biāo)要求下，既消耗了廢舊橡膠粉、使其在達(dá)到同等性能時(shí)降低了瀝青成本，也具有SBS改性瀝青優(yōu)點(diǎn)，可作為SBS改性瀝青及AR改性瀝青的替代品使用。

表2 AR-SBS技術(shù)指標(biāo)性能Table 2 AR-SBS technical index performance

2.2 AR-SBS復(fù)合瀝青老化試驗(yàn)指標(biāo)

由上述制備工藝可知，由于現(xiàn)橡膠粉與瀝青相容性較差，為保證二者加工、存儲(chǔ)穩(wěn)定性及使用耐久性，AR-SBS復(fù)合瀝青制備時(shí)通常需加入穩(wěn)定劑等助劑。而穩(wěn)定劑等助劑一般為輕質(zhì)化學(xué)物質(zhì)，存在易高溫分解、揮發(fā)的隱患。為此，研究采用薄膜烘箱老化試驗(yàn)，對比分析老化試驗(yàn)前后ARSBS復(fù)合瀝青各性能指標(biāo)變化，以分析其是否具有加工、存儲(chǔ)過程中性能衰減規(guī)律，進(jìn)而為ARSBS復(fù)合瀝青的推廣使用提供理論指導(dǎo)。

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程 （JTG E20—2011）》中對老化試驗(yàn)規(guī)定試驗(yàn)溫度為163℃，但結(jié)合SBS改性瀝青及AR改性瀝青工程應(yīng)用可知，其拌和、施工溫度相對較高，為此AR-SBS復(fù)合改性瀝青老化試驗(yàn)溫度選取為180℃進(jìn)行。不同改性瀝青老化試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 不同改性瀝青老化試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of different modified asphalt aging tests

由表3對比分析可知：

a.由于老化試驗(yàn)采用薄膜加熱，3種改性瀝青均存在質(zhì)量減少，且3種質(zhì)量減少量均一致，為0.1%，均符合規(guī)范要求。需注意的是，AR-SBS復(fù)合改性瀝青相較其它兩種改性瀝青質(zhì)量損失并未增大。

b.比較各改性瀝青老化前后5℃延度，雖然SBS改性瀝青老化后延度仍較大，但相較老化前降低12.3℃，表明SBS改性瀝青高溫穩(wěn)定性變化較大，而AR-SBS復(fù)合改性瀝青與AR改性瀝青則相對穩(wěn)定。

c.比較各改性瀝青老化前后軟化點(diǎn)，SBS改性瀝青降低9.4℃，而AR-SBS復(fù)合改性瀝青與AR改性瀝青則均增大。這主要是由于橡膠粉相較SBS高溫穩(wěn)定性更強(qiáng)，老化試驗(yàn)時(shí)降解比列相對更低，表明含橡膠粉類改性瀝青具有較SBS改性瀝青更好的高溫穩(wěn)定性。

d.比較各改性瀝青老化前后高溫黏度，SBS改性瀝青黏度增大，AR-SBS復(fù)合改性瀝青與AR改性瀝青則減小。這可能是由于SBS改性瀝青中SBS改性劑在高溫下降解，降解產(chǎn)物增大了改性瀝青體系黏度，而橡膠類改性瀝青則持續(xù)發(fā)生溶脹反應(yīng)，使瀝青與改性劑相容性增強(qiáng)，進(jìn)而促使改性瀝青黏度降低。

綜上分析表明，就整體指標(biāo)而言，SBS改性瀝青指標(biāo)仍為最優(yōu)，AR-SBS復(fù)合改性瀝青次之，但就老化前后指標(biāo)穩(wěn)定性而言，橡膠粉的加入增強(qiáng)了SBS改性瀝青穩(wěn)定性，使AR-SBS復(fù)合改性瀝青具有更穩(wěn)定的老化性能指標(biāo)。

3 AR-SBS復(fù)合改性瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

為了驗(yàn)證AR-SBS復(fù)合改性瀝青是否具有工程適用性，在大埔至潮州高速公路 （含大埔至漳州支線）第TJ2標(biāo)段 （K6＋140～K17＋700）路面工程試驗(yàn)路段中，選取相同SMA-13級(jí)配，然后分別對其進(jìn)行最佳油石比確定，并對其進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及疲勞試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 高溫穩(wěn)定性

對3種不同改性瀝青混合料進(jìn)行60℃高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：3種改性瀝青混合料均具有較優(yōu)的高溫穩(wěn)定性，3種混合料動(dòng)穩(wěn)定度均超過7 000次／mm。比較可知，AR瀝青混合料與SBS混合料高溫穩(wěn)定性基本相當(dāng)，且AR-SBS復(fù)合改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最優(yōu)，分別較2種增加1 807、1 699次／mm，表明橡膠粉的摻入可有效改善SBS高溫穩(wěn)定性。

3.2 水穩(wěn)定性

圖1 3種改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性Figure 1 High temperature stability of three modified asphalt mixtures

為評價(jià)水穩(wěn)定性，對3種不同改性瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)［9-10］，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，3種改性瀝青混合料兩種試驗(yàn)方法水穩(wěn)性由大到小順序均為：SBS改性瀝青混合料、AR-SBS復(fù)合改性瀝青混合料、AR改性瀝青混合料。這主要是由于SBS與瀝青可形成交聯(lián)緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有水條件下其與集料粘附作用較強(qiáng)，而橡膠粉與瀝青的交聯(lián)更多的物理作用，因此橡膠粉的加入對SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定具有削弱作用。但整體而言，3種改性瀝青混合料水穩(wěn)定性均顯著高于規(guī)范要求，滿足路用性能要求。

圖2 3種改性瀝青混合料水穩(wěn)定性Figure 2 Water stability of three modified asphalt mixtures

3.3 疲勞試驗(yàn)

為評價(jià)疲勞性能，對3種不同改性瀝青混合料進(jìn)行小梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，采用0.3、0.4的2種應(yīng)力比，試驗(yàn)溫度選取15℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，2種應(yīng)力比控制試驗(yàn)條件下，3種瀝青混合料疲勞壽命由大到小順序均符合如下規(guī)律：SBS改性瀝青混合料、AR-SBS復(fù)合改性瀝青混合料、AR改性瀝青混合料。表明橡膠粉的摻入對SBS改性瀝青混合料疲勞壽命存在一定減弱，但較橡膠瀝青混合料仍具有較優(yōu)的疲勞壽命。

圖3 3種改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)Figure 3 Fatigue test of three modified asphalt mixtures

4 結(jié)論

首先分析AR-SBS復(fù)合改性瀝青加工工藝，并將其老化前后性能指標(biāo)與SBS改性瀝青、AR改性瀝青進(jìn)行對比，然后將3種改性瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及疲勞試驗(yàn)對比，最后通過試驗(yàn)段驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

a.采用前述加工工藝制備的AR-SBS復(fù)合改性瀝青具有較好的穩(wěn)定性，具有推廣使用的基礎(chǔ)。

b.相較SBS改性瀝青，AR-SBS復(fù)合改性瀝青5℃延度、軟化點(diǎn)略有降低，但相對AR改性瀝青則顯著提高。AR-SBS復(fù)合改性瀝青較AR改性瀝青黏度顯著降低，135℃延度、180℃黏度分別降低48%、34%，可有效減低拌和、碾壓溫度。

c.就整體指標(biāo)而言，SBS改性瀝青指標(biāo)仍為最優(yōu)，AR-SBS復(fù)合改性瀝青次之，但就老化前后指標(biāo)穩(wěn)定性而言，橡膠粉的加入增強(qiáng)了SBS改性瀝青穩(wěn)定性，使AR-SBS復(fù)合改性瀝青具有更穩(wěn)定的老化性能指標(biāo)。

d.AR-SBS復(fù)合改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最優(yōu)，分別較AR改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料增加1 807、1 699次／mm，表明橡膠粉的摻入可有效改善SBS高溫穩(wěn)定性。

e.3種瀝青混合料水穩(wěn)定性、疲勞壽命由大到小順序均符合如下規(guī)律：SBS改性瀝青混合料、AR-SBS復(fù)合改性瀝青混合料、AR改性瀝青混合料。表明橡膠粉的摻入對SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性、疲勞壽命存在一定減弱，但較橡膠瀝青混合料仍較優(yōu)。