淺析膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)濕法加工技術(shù)

摘? 要：本文開(kāi)展了膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)濕法加工技術(shù)研究，通過(guò)原材料選定、加工設(shè)備選擇、配比確定、加工工藝研究等環(huán)節(jié)，在施工現(xiàn)場(chǎng)成功配制生產(chǎn)出合格膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，該技術(shù)在項(xiàng)目的運(yùn)用取得了良好的施工效果，為相關(guān)施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：膠粉/SBS;復(fù)合改性;長(zhǎng)途運(yùn)輸;離析;現(xiàn)場(chǎng)加工

中圖分類號(hào)：TU19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）12-0000-00

京蔚高速，地處河北北部張家口地區(qū)，路面工程全長(zhǎng)66km，合同工程量中水泥穩(wěn)定碎石基層232萬(wàn)t、瀝青面層90萬(wàn)t，其中中面層設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)為ARHM-20，即膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料，工程量約為27.56萬(wàn)t，最佳油石比為4.9%（外摻），需膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青1.29萬(wàn)t左右。

1 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的性能與實(shí)用性

膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青（SCMA）是指同時(shí)采用橡膠粉以及SBS兩種改性劑，按比例添加穩(wěn)定劑及助劑后，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)高溫剪切、發(fā)育等工藝流程制作成復(fù)合改性瀝青產(chǎn)品的過(guò)程。此種工藝優(yōu)點(diǎn)如下[1]：

（1）充分體現(xiàn)綠色、環(huán)保、低碳、降本、增效理念，利用廢輪胎制作膠粉，變廢為寶。

（2）SCMA混合料與單一SBS改性瀝青和普通基質(zhì)瀝青相比，其高溫性能、低溫性能、抗疲勞性能等技術(shù)指標(biāo)大幅提高。

1）ARHM-20復(fù)合改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度可以達(dá)6000（次/mm）以上，與單一SBS改性瀝青混合料相比，ARHM-20改性混合料高溫性能提高幅度達(dá)70%，可大幅度提高瀝青路面在極端高溫和車輛重載作用下的抗車轍性能。

2）SCMA混合料低溫抗彎曲變形能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料SBS改性瀝青混合料。其低溫彎曲應(yīng)變可達(dá)3847（με），與SBS改性瀝青混合料相比，低溫性能提高幅度超過(guò)30%，可大幅改善瀝青路面的低溫抗裂性。

3）SCMA混合料擁有良好彈性恢復(fù)能力（耐久性），說(shuō)明其抗疲勞性能強(qiáng)于單一SBS改性瀝青和普通基質(zhì)瀝青混合料。

2對(duì)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青使用材料的要求與選擇

2.1基質(zhì)瀝青的選擇

加工膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青在選擇基質(zhì)瀝青時(shí)，并不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為延度、軟化點(diǎn)、針入度三大指標(biāo)符合瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就能符合所有改性劑適配，達(dá)到其要求的改性效果。我們要研究基質(zhì)瀝青與改性劑之間存在的配比性問(wèn)題，應(yīng)從化學(xué)成分來(lái)考量，從瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分、飽和分，每個(gè)組分之間的比例關(guān)系對(duì)改性劑的直接影響等方面來(lái)研究其配比性問(wèn)題。

所謂的改性瀝青質(zhì)量或等級(jí)高低是根據(jù)針入度（25℃）指標(biāo)界定的，所以我們必須根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中規(guī)定的改性瀝青的類型和等級(jí)來(lái)挑選和確定基質(zhì)瀝青類型和標(biāo)號(hào)。本工程技術(shù)指南和設(shè)計(jì)給定膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度為40～60（0.1mm），基質(zhì)瀝青采用SBS改性后，其針入度（25℃）指標(biāo)要下降20～25（0.1mm）。以此來(lái)計(jì)算，70#重交瀝青的針入度為60～80（0.1mm），加入改性劑后針入度一般在40～60（0.1mm），滿足本工程技術(shù)指南和設(shè)計(jì)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求，故本項(xiàng)目選用的是A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青（齊魯石化和秦皇島石油化工），并通過(guò)各化學(xué)組分配比試驗(yàn)。

2.2膠粉的選擇

為了實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、低碳、降本、增效目標(biāo)，我們使用的膠粉采用廢舊輪胎制作，宜選用常溫研磨粉碎的輪胎膠粉，且無(wú)其他雜質(zhì)，且盡量使用輪胎內(nèi)部老化較輕的部分，路用橡膠粉細(xì)度宜在40～80目以內(nèi)。

2.3 SBS改性劑的選擇

SBS聚合物改性劑屬于熱塑性橡膠類改性劑，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)型式的不同，SBS可分為線型和星型結(jié)構(gòu)，綜合考慮生產(chǎn)簡(jiǎn)易性和寒冷的氣候分區(qū)，建議選擇6302線型SBS改性劑。

2.4 相容劑的選擇

為保證SBS改性瀝青的質(zhì)量穩(wěn)定性，可適當(dāng)添加相容劑和穩(wěn)定劑。

2.5 穩(wěn)定劑的選擇（表1）

3室內(nèi)小樣的制備與檢驗(yàn)

3.1 添加比例的確定

（1）橡膠粉摻量的確定。選擇橡膠粉細(xì)度40目，SBS摻量為0%，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，在橡膠粉細(xì)度及制備條件不變的情況下，隨著膠粉摻量的產(chǎn)量變化，瀝青的黏度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)等指標(biāo)也會(huì)隨之變化。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)、張家口氣候特點(diǎn)和工程交通重載需求，暫時(shí)確定SCMA中膠粉摻量不低于內(nèi)摻17%。

（2）SBS摻量的確定。我們從SBS摻量與軟化點(diǎn)、粘度、彈性恢復(fù)、針入度、延度等指標(biāo)的關(guān)系來(lái)綜合分析，通過(guò)試驗(yàn)得知，SBS 改性劑在摻量變化的條件下，ARHM瀝青混合料的軟化點(diǎn)和粘度也會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)SBS摻量達(dá)到1.5%（內(nèi)摻），軟化點(diǎn)和黏度已達(dá)到較高值，綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性，暫時(shí)確定SCMA中SBS摻量?jī)?nèi)摻不小于1.5%。

綜上所述，根據(jù)試驗(yàn)室各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可知，膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的添加比例暫定內(nèi)摻比例為基質(zhì)瀝青：膠粉：SBS改性劑：穩(wěn)定劑為82.2﹕16.4﹕1.2﹕0.1，外產(chǎn)比例為100﹕20﹕1.5﹕0.15。

3.2 投料順序的確定

在確定好SBS改性劑和膠粉的摻加比例后，緊接著要確定投料順序，我們通過(guò)四種投料方式的試驗(yàn)，即（1）SBS改性劑和膠粉先分別研磨、發(fā)育后再混合一起;（2）先投入SBS改性劑，浸泡溶脹后再投入膠粉一起研磨、發(fā)育。（3）先投入膠粉，浸泡溶脹后再投入SBS改性劑一起研磨、發(fā)育;（4）膠粉和SBS一起混合、溶脹、研磨、發(fā)育四種方式，然后通過(guò)各自方式各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)對(duì)比，確定最佳的投料順序。

將4種投入方式的SCMA數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，暫時(shí)確定按（2）工藝即先投入SBS，溶脹后投入膠粉的添加方式作為生產(chǎn)時(shí)投料順序。

3.3 剪切速率的確定

剪切速率的確定要根據(jù)改性瀝青的高溫流變、抗剪性能和低溫延度指標(biāo)來(lái)確定，通過(guò)試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)定的幾個(gè)剪切速率與SBS改性瀝青軟化點(diǎn)、延度、針入度等指標(biāo)之間的關(guān)系，確保改性瀝青的高溫流變、抗剪性能和低溫延度等指標(biāo)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，暫定以5500r/min做為SBS改性劑和膠粉的剪切速率。

3.4 剪切時(shí)間的確定

確定了剪切速率，還要確定剪切的工程時(shí)間，通過(guò)對(duì)15min、35min、60min和90min的剪切試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)指標(biāo)對(duì)比，綜合確定以35min的時(shí)長(zhǎng)為剪切最佳時(shí)間。

3.5 剪切溫度的確定

在確定剪切速率、剪切時(shí)間以后，我們就要確定剪切溫度，通過(guò)采用165℃、175℃、185℃和195℃四個(gè)溫度條件進(jìn)行延度、軟化點(diǎn)、針入度試驗(yàn)對(duì)比，綜合對(duì)比選取185℃為最佳剪切溫度。

3.6 穩(wěn)定劑添加順序的確定

我們根據(jù)混合改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)制作的特點(diǎn)，確定采用在發(fā)育過(guò)程中添加的生產(chǎn)方式。

3.7 發(fā)育時(shí)間的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)室現(xiàn)有條件，我們采用170～180℃高溫靜置發(fā)育，并選擇了5種發(fā)育時(shí)間作為研究條件，通過(guò)各發(fā)育時(shí)間瀝青三大指標(biāo)檢測(cè)值的差異，對(duì)比選取最佳發(fā)育時(shí)間。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，改性瀝青在靜止儲(chǔ)存過(guò)程中，其性能也在不斷的發(fā)生變化，指標(biāo)顯示，儲(chǔ)存時(shí)間為2.5h時(shí)，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性最好，故推薦改性瀝青發(fā)育采用高溫靜置2～2.5h的方式。

3.8試驗(yàn)室制備膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青樣品及指標(biāo)檢驗(yàn)

確定了膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青試驗(yàn)室制備各項(xiàng)參數(shù)后，我們嚴(yán)格按照上述原材料、添加比例、投料方式、剪切速率、最佳剪切時(shí)間、最佳剪切溫度、穩(wěn)定劑最佳添加時(shí)間、發(fā)育方式和發(fā)育時(shí)間在試驗(yàn)室制備復(fù)合改性瀝青成品小樣并進(jìn)行性能檢測(cè)，試驗(yàn)選用的SCMA中橡膠粉摻量17%，SBS摻量為1.5%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，試驗(yàn)室室內(nèi)所制備膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青樣品，制作工藝符合要求，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合要求。

4膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)制作與驗(yàn)證

4.1對(duì)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)加工設(shè)備的要求、選擇與布設(shè)

根據(jù)《瀝青混合料面層施工技術(shù)指南》關(guān)于對(duì)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合京蔚段工程所處地理位置、氣候、水文條件和生產(chǎn)布置、進(jìn)度計(jì)劃等要求，選取改性、膠粉瀝青一體成套設(shè)備（型號(hào) 35t/小時(shí)）2套、高剪切膠體磨（型號(hào) ≥5500轉(zhuǎn)/min）4套、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)（250萬(wàn)大卡）2套、換熱器4臺(tái)、膠粉/SBS改性瀝青溶脹罐（10t）4個(gè)、瀝青泵（40m3）8臺(tái)、成品改性瀝青儲(chǔ)存（50t）4個(gè)、基質(zhì)瀝青罐儲(chǔ)存罐（50t）2個(gè)。

因膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青加工需使用膠粉、SBS改性劑、穩(wěn)定劑等易燃產(chǎn)品，加工設(shè)備應(yīng)與瀝青拌和站分開(kāi)布設(shè)，且有獨(dú)立的加熱系統(tǒng)和添加劑倉(cāng)庫(kù)，基質(zhì)瀝青供應(yīng)可以通過(guò)瀝青泵和管道與拌和站瀝青罐連接，成品膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青可以通過(guò)瀝青泵和管道連接到拌合站儲(chǔ)存罐（需要儲(chǔ)存必須帶攪拌系統(tǒng)）。根據(jù)每日進(jìn)度計(jì)劃的膠粉瀝青用量，做到現(xiàn)做現(xiàn)用，確保膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)和瀝青面層工程質(zhì)量。

4.2制作工藝流程

（1）準(zhǔn)備工作。檢查材料和加工設(shè)備是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）投料預(yù)混。先將SBS改性瀝青投入預(yù)混罐后，溶脹發(fā)育6～10min后，開(kāi)始投入膠粉及添加劑。根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)踐生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)溫度損失較大，必須配備滿足溫度供給的導(dǎo)熱油換熱器設(shè)備。

（3）研磨剪切分散。通過(guò)確定好的剪切速率、時(shí)間、溫度等條件進(jìn)行生產(chǎn)，驗(yàn)證并確定研磨剪切速率5500r/min，溫度185℃左右，時(shí)間35min。

（4）溶脹發(fā)育。采用高溫間歇攪拌發(fā)育，溫度170～180℃，時(shí)間2～2.5h。

（5）穩(wěn)定存儲(chǔ)。膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青原則上應(yīng)在24h內(nèi)使用完畢，現(xiàn)場(chǎng)加工可以達(dá)到這個(gè)要求，但由于不可抗力，超過(guò)24h，必須進(jìn)行降溫儲(chǔ)存。存儲(chǔ)成品復(fù)合改性瀝青設(shè)備必須由上下兩層攪拌裝置，對(duì)成品復(fù)合改性瀝青進(jìn)行攪拌，保證改性瀝青的均勻性。

現(xiàn)場(chǎng)加工出小批量成品膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青成品后，取樣做瀝青原材性能檢測(cè)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，并采用GTM法做ARHM-20瀝青混合料配合比，確定目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果為：10mm～20mm：5mm～10mm：3mm～5mm：機(jī)制砂：礦粉=37.0﹕26.0﹕6.0﹕27.0﹕4.0。最佳油石比為4.9%。并通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐運(yùn)用，工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到良好效果。

5經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）原材料選擇及配置比例?；|(zhì)瀝青選擇齊魯石化和秦皇島石油化工生產(chǎn)的重交70#道路石油瀝青、膠粉采用山東濱州膠粉廠生產(chǎn)的細(xì)度為40目TB膠粉、SBS改性劑采用獨(dú)山子石化的6302型（線性）。摻加比例內(nèi)摻為基質(zhì)瀝青：膠粉：SBS改性劑：穩(wěn)定劑=82.2﹕16.4﹕1.2﹕0.1。外摻為100﹕20﹕1.5﹕0.15。

（2）投料順序。按先投入SBS，溶脹6～10min后再投入膠粉的添加方式作為生產(chǎn)時(shí)投料的順序。

（3）研磨剪切速率為5500 r/min、剪切時(shí)間為35min、剪切溫度為185℃。

（4）復(fù)合改性瀝青成品發(fā)育采用高溫間歇攪拌方式（170～180℃），時(shí)間為2～2.5h。

（5）穩(wěn)定劑添加順序?yàn)槌善窂?fù)合改性瀝青發(fā)育時(shí)添加。

（6）現(xiàn)場(chǎng)濕法加工設(shè)備的選擇。

設(shè)備的選擇必須由足夠的加升溫、高速率剪切設(shè)施，充足的基質(zhì)瀝青、成品改性瀝青存儲(chǔ)設(shè)施（必須帶攪拌設(shè)施），精準(zhǔn)的稱量系統(tǒng)，加工區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，有單獨(dú)的改性劑、膠粉倉(cāng)庫(kù)。具體單套現(xiàn)場(chǎng)加工設(shè)備需要的設(shè)備如下：改性、膠粉瀝青一體成套設(shè)備（型號(hào) 35t/小時(shí)）1套、高剪切膠體磨（型號(hào) ≥5500轉(zhuǎn)/min）2臺(tái)、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)（250萬(wàn)大卡）1套、換熱器2臺(tái)、膠粉/SBS改性瀝青溶脹罐（10t）2個(gè)、瀝青泵（40m3）4臺(tái)、成品改性瀝青儲(chǔ)存（50t）2個(gè)、基質(zhì)瀝青罐儲(chǔ)存罐（50t）1個(gè)。

（7）創(chuàng)新點(diǎn)。通過(guò)本次膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)濕法加工工藝的研究與運(yùn)用，總結(jié)出以下兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

1）此次工藝研究提出了膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的配備方法。

2）提出了現(xiàn)場(chǎng)SBS膠粉復(fù)合改性瀝青生產(chǎn)配方、加工工藝和質(zhì)量控制方法。

6應(yīng)用效果

采用現(xiàn)場(chǎng)法膠粉/SBS改性瀝青工藝具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。通過(guò)采用本工藝，京蔚高速于11月13日順利完成瀝青面層全部鋪筑任務(wù)，經(jīng)交通部道路國(guó)檢中心交工檢測(cè)，瀝青面層各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，成績(jī)優(yōu)良，獲得了社會(huì)的廣泛認(rèn)可和各方一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 費(fèi)豪斌.膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青混合料的試驗(yàn)及應(yīng)用研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（7）：148-151.

收稿日期：2020-10-18

作者簡(jiǎn)介：魯澤建（1972—），男，河南濮陽(yáng)人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：路橋隧、水利水電工程施工。