高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青SMA-13制備與性能研究

賀文棟

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

國家“十三五”規(guī)劃綱要提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、開放、共享”的發(fā)展理念，著力推進(jìn)綠色循環(huán)低碳發(fā)展，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，推進(jìn)廢舊材料循環(huán)利用，節(jié)約利用資源，著力實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級。

廢舊輪胎被稱為“黑色污染”，是一種難以降解的聚合物材料，其回收和處理技術(shù)一直是一個難題[1]。露天堆放處理會污染土壤，夏季還存在火災(zāi)隱患，若采用燃燒處理，會產(chǎn)生大氣污染，同時也會造成大量的資源浪費(fèi)。而將廢舊輪胎加工成橡膠粉應(yīng)用于公路行業(yè)也成為廢舊輪胎再生利用的主要方式之一。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們會在生產(chǎn)輪胎時摻加多種成分（如合成橡膠、硫、碳黑等）來滿足其使用性能[2]。利用廢舊輪胎加工生產(chǎn)的橡膠粉仍然含有這些化學(xué)添加成分，這些化學(xué)物質(zhì)摻加到瀝青中，對瀝青的高低溫性能、老化性能及疲勞性能有很好的改善作用，摻加膠粉修筑的瀝青混凝土路面，可以延緩反射裂縫的發(fā)生，降低路面行車噪聲，節(jié)省筑路成本，延長路面使用壽命，同時還可以適當(dāng)減薄路面厚度[3]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者針對橡膠改性瀝青已經(jīng)有很多的研究，然而其路用性能仍然要遜色于SBS改性瀝青，這也制約了橡膠改性瀝青在高等級路面的應(yīng)用。因此，采用橡膠與SBS復(fù)合改性不失為一種方法，綜合提高瀝青使用性能，又能促進(jìn)固廢橡膠綜合利用。基于此，本文采用橡膠與SBS制備復(fù)合改性瀝青及混合料，并以SBS改性瀝青混合料作為參照，采用車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)對比分析了兩種混合料的路用性能及耐久性，為固廢橡膠在道路工程的合理利用提供參考。

1 高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青制備

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性劑

試驗(yàn)用改性劑SBS為市場購買岳陽化工生產(chǎn)的巴陵牌型，外形為白色細(xì)長型粒料，SBS的嵌段比S/B=40/60。

1.1.2 橡膠粉

試驗(yàn)采用由常溫粉碎法生產(chǎn)的細(xì)度為40目的廢輪胎膠粉，摻量為20%。其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 膠粉的技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 瀝青

試驗(yàn)采用中海70號瀝青，其性能指標(biāo)見表2。

表2 中海70號瀝青基本性能

1.1.4 集料

試驗(yàn)用集料為河南濟(jì)源生產(chǎn)的玄武巖，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005），集料主要性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表3。均滿足規(guī)范要求。

表3 粗細(xì)集料主要性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 制備工藝

高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青制備：a）將基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱至150℃左右；b）稱取所需質(zhì)量的基質(zhì)瀝青至攪拌器中，加熱至約180℃；c）保持基質(zhì)瀝青處于高溫狀態(tài)，將20%摻量的膠粉緩緩加入，先進(jìn)行高速剪切攪拌預(yù)混，使膠粉均勻分散到基質(zhì)瀝青中；d）保持剪切40 min后加入SBS（SBS含量2%），繼續(xù)在180℃下剪切30 min。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對制備的高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度等性能均滿足《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（DB14/T 160—2015）中技術(shù)要求。

表4 橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青主要性能試驗(yàn)結(jié)果

2 高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混合料性能研究

2.1 SMA-13級配設(shè)計(jì)

采用馬歇爾方法進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，其中混合料拌合溫度為190℃，擊實(shí)溫度180℃～185℃，最佳油石比為6.5%。高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料級配見表5。

表5 試驗(yàn)用級配 %

2.2 混合料路用性能研究

2.2.1 車轍試驗(yàn)

該文采用車轍試驗(yàn)來評價(jià)兩種SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。動穩(wěn)定度檢測結(jié)果見表6。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果 次/mm

由表6可知，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13與SBS改性SMA-13瀝青混合料均有很好的高溫穩(wěn)定性。相比于SBS改性SMA-13混合料，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13動穩(wěn)定度較小，但并不明顯。

2.2.2 小梁彎曲試驗(yàn)

瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)可用來評價(jià)瀝青混合料的強(qiáng)度及變形能力，其評價(jià)指標(biāo)為抗彎強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及破壞時的彎曲勁度模量，最大彎拉應(yīng)變是較為重要的一個評價(jià)指標(biāo)。結(jié)果見表7。

表7 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果 με

由表7可知，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13的最大彎拉應(yīng)變相較于SBS改性SMA-13提高了15%，其具有更優(yōu)異的低溫抗裂性。

2.2.3 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比結(jié)果見表8。

表8 TSR試驗(yàn)結(jié)果 %

由表8可見，兩者TSR基本一致。

2.2.4 疲勞試驗(yàn)

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法，測定彎曲勁度模量降低到初始彎曲勁度模量50%對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)。高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13與SBS改性SMA-13曲線變化分別見圖1、圖2。對比圖1與圖2，可以發(fā)現(xiàn)：

圖1 高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖2 SBS改性SMA-13混合料四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

a）在體積指標(biāo)參數(shù)基本相同的前提下，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料的加載循環(huán)次數(shù)為SBS改性SMA-13的兩倍，說明高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13的疲勞壽命大幅提高。

b）每一次加載和卸載過程中，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13曲線變化幅度較SBS改性SMA-13更明顯，說明瀝青中摻入廢棄膠粉后，由于膠粉有一定的彈性作用，即使在大變形的情況下，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混凝土都能得到很好的恢復(fù)，說明高性能橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青混凝土路面的抗裂性能提高。

3 分析與討論

橡膠改性瀝青作用非常復(fù)雜，將橡膠粉加入瀝青中，兩者之間并非簡單地存在物理共混，而是物理共混和化學(xué)反應(yīng)并存，這既保留了橡膠本身的特性，同時改善了瀝青的性能[4-5]。橡膠粉對瀝青及瀝青混合料性能改善機(jī)理分析如下：

a）摻入橡膠粉制備的瀝青混合料，由于橡膠粉本身的高彈性特性，提高了瀝青混凝土彈性性能，從而可以提高路面行車舒適性，降低行車噪聲。

b）橡膠是一種惰性材料，將其加入熱瀝青中充分?jǐn)嚢钑r，其會吸收瀝青中的輕組分，減少瀝青中的游離蠟含量，部分橡膠分子氧化解聚，彈性消失，塑形和黏性增加，橡膠粉顆粒中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入瀝青中可以改善瀝青的感溫性能、高低溫性能及抗老化性能。

c）橡膠粉在加入瀝青中后，與瀝青之間復(fù)雜的物理化學(xué)作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這會改善瀝青混合料在動荷載作用下的受力狀態(tài)，摻加橡膠粉制備的瀝青混合料可以吸收或消散行車荷載，減弱荷載對路面的作用，減輕路面基層的承載壓力，從而延長路面使用壽命，減薄路面厚度。

d）將膠粉摻入瀝青混合料中，可以減小混合料的塑性變形，增加混合料內(nèi)摩擦角，提高混合料的抗剪切能力，從而達(dá)到改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的目的[6]。

4 結(jié)論

本文通過對比體積參數(shù)相近的高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13和SBS改性SMA-13瀝青混合料的的高溫、低溫、水穩(wěn)定性及疲勞性能試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出主要結(jié)論如下：

a）高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13和SBS改性SMA-13瀝青混合料均具有良好的高溫性能及水穩(wěn)定性，兩者之間的動穩(wěn)定度及TSR基本一致。

b）高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13的最大彎拉應(yīng)變?yōu)镾BS改性SMA-13瀝青混合料的1.15倍，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料具有更優(yōu)異的低溫抗裂性。結(jié)合膠粉改性機(jī)理，加入廢棄橡膠粉對混合料的低溫性能有良好改善作用。

c）高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13彎曲勁度模量降低到初始彎曲勁度模量50%對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)接近20萬次，為SBS改性SMA-13循環(huán)次數(shù)的兩倍。且在加載卸載過程中，高性能橡膠/SBS復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料具有較好的彈性恢復(fù)功能，其不僅可以提高路面壽命，同時可以提供良好的行車舒適性。