SBS-膠粉復(fù)合改性新疆瀝青性能的影響因素

孫澤強(qiáng)，周曉蕾，宋 亮，李永剛

(1.新疆交通投資有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)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(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深化推進(jìn)及國(guó)家“十三五”規(guī)劃、“一帶一路”等政策的陸續(xù)推出，新疆作為中國(guó)西北門戶，其公路工程建設(shè)將迎來新一輪高峰[1]。SBS改性瀝青在新疆的應(yīng)用已十分廣泛，但大多來自內(nèi)地，運(yùn)輸成本較高，而新疆本地瀝青(如克拉瑪依瀝青及塔河瀝青)中的瀝青質(zhì)、芳香烴等組分較少，SBS等改性劑難以在瀝青中充分溶脹，不能明顯地提升瀝青性能[2]，無法滿足建設(shè)需求。因此，如何解決新疆瀝青改性難題，成為當(dāng)?shù)貫r青路面發(fā)展的重要研究方向。

目前，眾多學(xué)者從新疆瀝青的制備工藝、微觀機(jī)理及助劑等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。范維玉等[3]采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)對(duì)克拉瑪依瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)瀝青質(zhì)含量低是導(dǎo)致其車轍因子等指標(biāo)較低的主要因素。彭煜等[4]通過元素組成、紅外光譜等手段分析克拉瑪依瀝青改性前后的差異，指出芳香分和瀝青質(zhì)含量少是其與SBS相容性較差的重要原因。羅來龍等[5]采用富含芳烴的石油烴類膠溶劑、偶聯(lián)劑和穩(wěn)定劑對(duì)克拉瑪依瀝青改性，制備的SBS改性瀝青達(dá)到PG76-34等級(jí)。袁野等[6]指出克拉瑪依瀝青中瀝青質(zhì)和芳香分含量偏低，濕法制備的改性瀝青在高溫儲(chǔ)存時(shí)穩(wěn)定性差，而采用干法制備的SBS瀝青性能優(yōu)良。周巧英等[7]在熒光測(cè)試中發(fā)現(xiàn)SBS改性克拉瑪依瀝青有明顯的SBS聚團(tuán)現(xiàn)象，其原因?yàn)榭死斠罏r青中的瀝青質(zhì)和輕質(zhì)油分含量偏低。柴志杰[8]通過對(duì)比試驗(yàn)篩選出合適的穩(wěn)定劑、相容劑，制備的SBS改性塔河瀝青符合PG76-28分級(jí)要求。綜上，目前國(guó)內(nèi)有關(guān)新疆瀝青改性的研究已取得一定成果，而新疆地區(qū)具有紫外線輻射強(qiáng)、晝夜溫差大等特殊環(huán)境特點(diǎn)[9]，單一的SBS或膠粉改性瀝青已無法滿足新疆特殊氣候的要求。然而，國(guó)內(nèi)針對(duì)SBS-膠粉復(fù)合改性新疆瀝青的研究鮮有報(bào)道。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，揭示瀝青性能變化規(guī)律，促進(jìn)SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青在新疆地區(qū)的應(yīng)用與推廣。

鑒于此，本文選取新疆地區(qū)常用的KLMY90和TH60基質(zhì)瀝青制備SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青，研究改性劑摻加順序?qū)?fù)合改性瀝青性能的影響，系統(tǒng)分析添加助劑前后復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)的差異，探討復(fù)合改性瀝青性能影響因素及其作用規(guī)律，以期為制備性能優(yōu)異的復(fù)合改性新疆瀝青奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青的原材料主要包括基質(zhì)瀝青、改性劑及助劑。采用TH60及KLMY90基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1、2所示；相容劑為SH及BH兩種富芳烴油(XR)；穩(wěn)定劑為含硫化合物；改性劑為廢胎膠粉(JF)及SBS，其中廢胎膠粉為30目脫硫膠粉，SBS嵌段比為30/70，線形結(jié)構(gòu)。

表1 TH60技術(shù)指標(biāo)

表2 KLMY90技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青制備工藝

SBS可以提高基質(zhì)瀝青的高、低溫性能，膠粉可以改善基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍和抗疲勞性能[10-11]。為制備溫度穩(wěn)定、耐久的瀝青，根據(jù)前期試驗(yàn)研究確定SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青中的脫硫膠粉摻量為15%，SBS摻量為3%，復(fù)合改性瀝青的制備流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合改性瀝青制備流程

(1)按比例準(zhǔn)備好所需材料，將瀝青放入恒溫油浴鍋加熱到指定溫度，需保證改性瀝青溫度達(dá)到指定要求，且內(nèi)部溫度均勻。

(2)利用高速剪切儀制備改性瀝青。

(3)高速剪切完成之后的改性瀝青需在指定溫度的烘箱中發(fā)育，使膠粉、SBS在基質(zhì)瀝青中充分混合、溶脹[12]。

2 制備工藝影響研究

2.1 改性劑添加工藝

SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青的性能受到制備工藝的顯著影響；因復(fù)合改性瀝青使用不止一種改性劑，除剪切速率、時(shí)間及溫度等基本因素外，添加改性劑的順序同樣是影響瀝青性能的重要因素。已有調(diào)查結(jié)果顯示：膠粉參與高速剪切，高速摩擦產(chǎn)生大量熱量，造成膠粉分子鏈斷裂，促進(jìn)脫硫和裂解[13]，故選擇先膠粉后SBS與兩者同時(shí)加入的研究居多。但新疆基質(zhì)瀝青輕質(zhì)組分較低的特性使得復(fù)合改性工藝與普通瀝青有所區(qū)別。為達(dá)到最佳性能，需對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行比選，確定適合新疆改性瀝青的最佳工藝。具體方案如下。

2.1.1 工藝一制備流程

采用先膠粉后SBS的添加順序，具體步驟如下。

(1)將基質(zhì)瀝青加熱至流淌，取出瀝青。

(2)迅速將基質(zhì)瀝青升溫至170 ℃，按比例加入富芳烴油(SH)，攪拌均勻后，以1 000 r·min-1轉(zhuǎn)速一邊攪拌，一邊加入15%膠粉(30目脫硫)，攪拌15～20 min，至無明顯顆粒。

(3)將溫度升高到180 ℃，以4 500 r·min-1轉(zhuǎn)速剪切15 min后加入3%SBS，攪拌均勻，繼續(xù)剪切30 min。

(4)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。

2.1.2 工藝二制備流程

同時(shí)加入膠粉和SBS，具體步驟如下。

(1)將瀝青加熱至流淌，取出瀝青。

(2)迅速將基質(zhì)瀝青升溫至170 ℃，按比例加入富芳烴油(SH)，攪拌均勻，加入15%膠粉和3%SBS，以1 000 r·min-1轉(zhuǎn)速攪拌15～20 min，至無明顯顆粒。

(3)將溫度升高到180 ℃，以4 500 r·min-1轉(zhuǎn)速剪切45 min。

(4)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。

2.2 改性劑添加工藝對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

為評(píng)價(jià)不同工藝下復(fù)合改性瀝青的基本性能，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，分別測(cè)試瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度，考察制備工藝對(duì)瀝青性能的影響。為制備性能優(yōu)良的改性瀝青，2種復(fù)合改性瀝青改性劑均采用15%膠粉+3%SBS配比。按工藝制備瀝青后，相應(yīng)的性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同工藝的復(fù)合改性瀝青性能對(duì)比

制備復(fù)合改性瀝青時(shí)，KLMY90與TH60表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，如圖3、4所示。對(duì)于KLMY90，先加入膠粉攪拌，開始剪切時(shí)產(chǎn)生大量氣泡。加入SBS后，有較大氣泡，這可能是改性劑正在溶解，且KLMY90稠度較低所致；TH60采用先膠粉后SBS的工藝時(shí)，加入膠粉攪拌剪切產(chǎn)生的氣泡比KLMY90更少。加入SBS，剪切10 min左右顆粒感消失。當(dāng)TH60采用同時(shí)加入膠粉和SBS的工藝時(shí)剪切氣泡最少，此時(shí)改性劑已基本溶于瀝青中。在制備過程中，KLMY90與TH60在加入15%膠粉后初始黏度略增大，加入3%SBS后均明顯變稠，TH60尤為明顯。

圖3 KLMY90復(fù)合改性瀝青制備過程

圖4 TH60復(fù)合改性瀝青制備過程

由圖2可知，TH60改性后針入度下降，KLMY90改性后針入度上升，其原因可能是KLMY90本身輕組分較多，加入的芳香烴油除了被改性劑吸收之外，多余油分起到了稀釋作用，導(dǎo)致稠度下降；TH60改性后，軟化點(diǎn)提升比KLMY90更明顯；KLMY90改性后，延度提升比TH60更顯著，由131 mm提升至332 mm，低溫性能得到極大改善。

在采用工藝二時(shí)，KLMY90各指標(biāo)均比工藝一優(yōu)越，延度表現(xiàn)尤為明顯；TH60復(fù)合改性瀝青在采用工藝一時(shí)針入度更低，延度更好，而軟化點(diǎn)相當(dāng)，都能超過90 ℃，且滿足交通部JT/T 798—2011對(duì)熱區(qū)膠粉瀝青的要求。

造成上述結(jié)果的原因可能是工藝二的SBS與瀝青混合、剪切時(shí)間更長(zhǎng)，SBS溶脹較充分。對(duì)于KLMY90，采用工藝二后SBS溶脹充分，瀝青性能更佳，且因SBS對(duì)瀝青低溫性能的改善效果比膠粉更明顯，5 ℃延度提升最顯著；對(duì)于TH60，采用工藝二雖然會(huì)讓SBS溶脹更充分，但是因輕組分較少，致使部分膠粉無法溶解，延度試件受拉時(shí)，會(huì)在膠粉顆粒和基質(zhì)瀝青界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，使試件較早被拉斷，延度反而下降。

綜上可知，KLMY90與TH60在改性過程中表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：TH60制備的改性瀝青比KLMY90更稠，剪切過程氣泡更少；TH60改性后高溫性能與彈性恢復(fù)性能提升顯著，而KLMY90改性后低溫性能提升顯著；對(duì)于TH60，工藝一表現(xiàn)更佳，對(duì)于KLMY90,則采用工藝二更適當(dāng)，但由于工藝一對(duì)TH60的提升效果并不突出，而工藝二生產(chǎn)制備更加便利，且利于精確控制，故后續(xù)研究采用工藝二。

3 助劑影響研究

上述研究表明，采用同時(shí)加入膠粉與SBS工藝可改善瀝青的高低溫性能，且便于精確控制，故后續(xù)采用此工藝制備復(fù)合改性瀝青，但得到的瀝青出現(xiàn)了改性劑溶脹不充分、高低溫性能不足等問題。前期調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，在制備SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青時(shí)，多項(xiàng)研究采用了相容劑與穩(wěn)定劑改善瀝青性能[14]，其中相容劑常用富芳烴油，穩(wěn)定劑常用含硫化合物[15-17]?；诖?，本節(jié)采用工藝二制備復(fù)合改性瀝青，并探究相容劑與穩(wěn)定劑對(duì)復(fù)合改性新疆瀝青性能的影響。

3.1 富芳烴油對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

選取SH、BH兩種富芳烴油(XR)，對(duì)比分析兩者對(duì)KLMY90復(fù)合改性瀝青性能的影響，并研究加入XR與否對(duì)復(fù)合改性瀝青基本性能的影響。同時(shí)，出于對(duì)溶解性的考慮，參考已有調(diào)查研究，確定富芳烴油摻量為6%，結(jié)果見圖5。

圖5 相容劑對(duì)KLMY90復(fù)合改性瀝青性能的影響

由圖5可知，KLMY90基質(zhì)瀝青的針入度為85.0(0.1 mm)，加入15%脫硫膠粉與3%SBS后降低至57.1(0.1 mm)。加入富芳烴油后，針入度表現(xiàn)為急劇上升，其中SH對(duì)富芳烴油針入度的影響最大，其針入度上升至120.5(0.1 mm)。相比之下，BH富芳烴油對(duì)針入度的影響略低，但也使其針入度升至102.9(0.1 mm)，顯著降低了KLMY90的稠度；加入15%脫硫膠粉與3%SBS后，軟化點(diǎn)從基質(zhì)瀝青的45.5 ℃上升至54.7 ℃，然而加入富芳烴油后，軟化點(diǎn)下降較大幅度，其中摻入BH富芳烴油后下降至48.9 ℃。對(duì)于5 ℃延度，KLMY90加入15%脫硫膠粉與3%SBS后得到顯著改善，其值可達(dá)206 mm，提升幅度達(dá)57%；加入富芳烴油進(jìn)一步提高了低溫性能，其值可達(dá)332 mm。

綜上可知，KLMY90的高溫性能在加入改性劑后可得到顯著改善，加入富芳烴油后瀝青低溫性能大幅提升，但稠度降低。究其原因，可能是富芳烴油含有較多輕質(zhì)組分，在一定程度上起到稀釋改性劑的作用，此外，富芳烴油屬外摻油源，與基質(zhì)瀝青在成分與分子結(jié)構(gòu)上存在差異，導(dǎo)致瀝青稠度降低，高溫性能下降。

3.2 穩(wěn)定劑對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響

大量研究表明，穩(wěn)定劑對(duì)改性瀝青的高、低溫性能有較大影響。在調(diào)查結(jié)果中，多數(shù)試驗(yàn)的穩(wěn)定劑摻量在0.3%～1.0%之間，0.4%～0.5%尤多。對(duì)此，本研究以穩(wěn)定劑摻量為0.4%進(jìn)行瀝青性能試驗(yàn)。因TH60基質(zhì)瀝青輕質(zhì)組分較少，易凝膠，故摻入9%富芳烴油軟化瀝青，促進(jìn)改性劑溶解，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定劑對(duì)TH60復(fù)合改性瀝青性能的影響

由圖6可知，加入穩(wěn)定劑后，瀝青的高溫性能提升幅度并不顯著，稠度略有增加，低溫性能提升明顯。5 ℃低溫延度從未加入穩(wěn)定劑時(shí)的61 mm上升至158 mm，提升效果顯著；其次，彈性恢復(fù)得到明顯提高，從75.5%提高至81.0%；加入穩(wěn)定劑后，針入度從54.5(0.1 mm)下降至49.4(0.1 mm)；加入穩(wěn)定劑并未使軟化點(diǎn)得到顯著提高。

綜上可知，穩(wěn)定劑的加入可以有效改善復(fù)合改性瀝青的可恢復(fù)變形能力以及低溫性能，對(duì)瀝青稠度有一定提高作用，但是對(duì)高溫性能的改善并不明顯。其原因是穩(wěn)定劑的主要成分為含硫復(fù)合物[18]，加入后硫與瀝青在硫化作用下發(fā)生一系列交聯(lián)反應(yīng), 產(chǎn)生交聯(lián)物質(zhì)，使瀝青分子鏈從二維結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了改性瀝青的穩(wěn)定性[19-20]。

4 結(jié) 語

(1)本文對(duì)比了采用不同改性劑添加順序制備的復(fù)合改性瀝青的性能。結(jié)果顯示：當(dāng)基質(zhì)瀝青為KLMY90時(shí)，復(fù)合改性瀝青采用同時(shí)加入膠粉和SBS工藝時(shí)，各指標(biāo)表現(xiàn)更佳，延度提升最顯著；用TH60制備的復(fù)合改性瀝青采用先膠粉后SBS工藝，比同時(shí)加入兩者擁有更好的性能。

(2)在SBS-膠粉復(fù)合改性瀝青體系中，當(dāng)基質(zhì)瀝青為KLMY90時(shí)，摻入富芳烴油相容劑改善了瀝青的5 ℃延度(可達(dá)332 mm)，但降低了軟化點(diǎn)；對(duì)于TH60，摻入穩(wěn)定劑可有效提升復(fù)合改性瀝青的低溫穩(wěn)定性及可恢復(fù)變形能力，但高溫穩(wěn)定性改善不明顯。

(3)當(dāng)基質(zhì)瀝青為KLMY90時(shí)，復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出良好的低溫穩(wěn)定性，而高溫穩(wěn)定性較差；用TH60制備的復(fù)合改性瀝青則相反，后續(xù)可考慮將2種基質(zhì)瀝青進(jìn)行調(diào)和，期望獲得性能更優(yōu)異的復(fù)合改性瀝青。