活化膠粉改性瀝青制備及其性能研究

王 彬，周鋒光，黃東海

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.高等級公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣西 南寧 530007; 3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

采用傳統濕法工藝制備的橡膠瀝青能夠在一定程度上提升基質瀝青的使用性能，但是由于膠粉材料本身呈表面惰性，與瀝青的相容性較差，在膠粉摻量較高的時候，容易導致瀝青性能的下降，產生如體系黏度過大、施工性能較差、低溫延度損失過大等問題。相關研究表明[1-5]，通過微波活化、雙螺桿擠出機、化學改性等方法進行活化后的膠粉，作為瀝青改性劑能夠有效提高改性瀝青的高、低溫性能及其溫度敏感性，降低體系黏度，改善施工性能。

目前市面上規(guī)?；瘧玫幕罨z粉類型眾多，相關研究主要集中在膠粉的活化方式、活化膠粉的摻量等方面，針對活化膠粉對瀝青性能的改性效果的相關研究并不多，尤其是在高摻量條件下(膠粉摻量>25%)的改性效果研究更少。為探究活化膠粉對瀝青的改性效果，本文采用市面上在售的顆粒狀活化膠粉、粉末狀活化膠粉以及普通膠粉作為原材料，通過原材料性能微觀分析、制備復合改性瀝青的宏觀性能檢測及對高溫流變性進行性能比較分析，為后續(xù)活化膠粉的推廣應用提供參考經驗。

1 試驗

1.1 原材料及主要儀器設備

(1)基質瀝青：泰普克A-70#道路石油瀝青(見表1)。

表1 70#基質瀝青的性能指標表

(2)SBS改性劑：采用中國石化集團線性結構SBS改性劑(YH-791H)。

(3)膠粉：采用市面上所售兩種不同的活化膠粉，一種為顆粒狀活化膠粉，另一種為粉末狀活化膠粉。同時采用市面上所售普通膠粉作為對比參照(見圖1)。

(a)顆粒狀活化膠粉

(b)粉末狀活化膠粉

(c)普通膠粉

(4)糠醛抽出油及穩(wěn)定劑：由實驗室自行制備。

(5)主要儀器設備：電子掃描顯微鏡(SEM)：復納科學儀器(上海)有限公司；高速剪切乳化機：上海弗魯克科技發(fā)展有限公司；瀝青軟化點試驗儀、瀝青針入度試驗儀與瀝青延度儀：上海昌吉地質儀器有限公司；動態(tài)剪切流變儀(DSR)：英國Malvern公司，型號為Bolin ADS CVO-100；布氏黏度計：美國博勒飛公司，型號為DV2T。

1.2 復合改性瀝青的制備

將基質瀝青加熱后，依次加入2%的SBS以及8%的糠醛抽出油，采用攪拌機低速攪拌30 min進行溶脹，之后再加入25%的膠粉，繼續(xù)采用攪拌機低速攪拌30 min進行溶脹。采用高速剪切機以5 000 r/min的速率對溶脹好的瀝青剪切60 min。在剪切完的瀝青中加入0.2%的穩(wěn)定劑，繼續(xù)低速攪拌發(fā)育30 min，得到成品復合改性瀝青。整個加工過程的溫度維持在180 ℃～190 ℃范圍內。

1.3 試驗方案

1.3.1 橡膠粉原材料分析

采用篩分試驗分析不同膠粉的粒徑組成，同時采用SEM掃描電鏡觀察不同膠粉的微觀外貌結構，SEM掃描電鏡放大倍數為1 000倍。

1.3.2 復合改性瀝青性能分析

針對制備的不同復合改性瀝青進行針入度、軟化點、延度、彈性恢復和180 ℃旋轉黏度試驗，采用動態(tài)剪切流變儀對復合改性瀝青進行溫度掃描，采用應變控制加載模式，加載頻率為10 Hz，掃描溫度為52 ℃～82 ℃，測試其高溫流變性能。相關試驗操作方法及指標要求均按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行。

2 試驗結果與分析

2.1 橡膠粉原材料分析

從表2可以看出，顆粒狀活化膠粉為集中在4.75 mm一檔的單一粒徑，而粉末狀活化膠粉與普通膠粉存在不同級配的篩分曲線。粉末狀活化膠粉的粒徑主要集中在0.6～4.75 mm，達到83.5%，而普通粉狀膠粉的粒徑主要集中在0.15～0.6 mm，達到93.1%，粉末狀活化膠粉明顯比普通膠粉的級配更粗。由此可見，經過活化后的膠粉與普通膠粉相比，粉末狀活化膠粉的顆粒呈現出較明顯的團聚現象。

如圖2所示，可看到SEM掃描電鏡放大1 000倍時不同膠粉的微觀形貌。顆粒狀活化膠粉雖然在肉眼下呈現出顆粒狀，但是從其微觀狀態(tài)可看出其表面是由不同粒徑膠粉緊致團聚在一起，十分致密，且表面微小粒徑膠粉較多，不同粒徑之間的差距較為明顯。而粉末狀活化膠粉表面呈蓬松態(tài)，表面活化痕跡比較明顯，出現許多細小的簇狀結構，膠粉顆粒之間出現簇狀物的交聯接觸，導致其接觸面積顯著增加。普通膠粉由常規(guī)機械破碎工藝處理，其外觀形貌與粉末狀活化膠粉呈現出明顯的不同，其顆粒間整體排列較為松散，大粒徑的膠粉顆粒表面較為平整光滑，而較小粒徑的膠粉顆粒呈現出一定程度的團聚現象。

表2 膠粉原材料篩分曲線通過率一覽表(%)

(a)顆粒狀活化膠粉

(b)粉末狀活化膠粉

(c)普通膠粉

2.2 復合改性瀝青性能分析

2.2.1 常規(guī)指標性能

摻加不同膠粉制備的復合改性瀝青的常規(guī)性能測試結果如表3所示。

表3 不同類型橡膠改性瀝青的常規(guī)性能指標表

由表3可知：

(1)粉末狀活化膠粉改性瀝青的綜合性能優(yōu)于顆粒狀活化膠粉改性瀝青。從數值具體分析來看，粉末狀活化膠粉改性瀝青的針入度值比顆粒狀活化膠粉改性瀝青的針入度值低15%，說明其瀝青更硬；軟化點及彈性恢復分別高出10%及15%，說明其高溫性能及彈性恢復性能更優(yōu)；而兩者的延度值基本相同，表明兩者的低溫性能較為接近；粉末狀活化膠粉改性瀝青的180 ℃旋轉黏度高出顆粒狀活化膠粉37%， 而180 ℃旋轉黏度能夠很好地表征其施工性能。結合實際現場施工經驗及規(guī)范要求，一般在1.0～3.0 Pa·s之間能確保瀝青混合料具備良好的施工性能，以此分析，粉末狀活化膠粉改性瀝青的施工性能更優(yōu)。造成這種性能差異的主要原因是粉末狀活化膠粉比顆粒狀活化膠粉具備更好的顆粒級配，且膠粉顆粒上含有許多表面蓬松的細小簇狀結構，這使得粉末狀活化膠粉具備更大的比表面積，在制備瀝青的過程中能夠充分吸收瀝青的輕質組分進行溶脹反應，再經過剪切分散作用后與SBS形成更為穩(wěn)定的空間網絡結構，進而使得瀝青的性能表現得更為優(yōu)異。

(2)活化膠粉改性瀝青比普通膠粉改性瀝青的綜合性能表現更好。以粉末狀活化膠粉改性瀝青為例，從數值上分析，其針入度值、延度值和彈性恢復性能分別比普通膠粉改性瀝青高57%，64%及10%，軟化點值低16%，而180 ℃旋轉黏度僅為普通膠粉改性瀝青的1/3。這說明活化膠粉改性瀝青在低溫性能、彈性恢復性能及施工性能方面表現更為優(yōu)異，但在高溫性能方面表現不突出。活化膠粉表面含有許多蓬松、細小的簇狀結構，憑借其巨大的比表面積能夠充分與瀝青中的輕質組分接觸，從而能夠很好地溶解于瀝青中。而同等摻量的普通膠粉加入到基質瀝青中，由于基質瀝青組分以及瀝青溶解度的限制使得橡膠粉不能充分溶解，整個橡膠瀝青改性體系變得更加黏稠。未溶解部分膠粉顆粒懸浮于瀝青中，使得橡膠顆粒不能均勻分布，導致瀝青整體變硬，低溫性能、彈性恢復能力下降，體系黏度過大，雖然在一定程度提升了高溫穩(wěn)定性但嚴重影響了其施工性能。

2.2.2 高溫流變性能

根據試驗方案采用動態(tài)剪切流變儀對不同膠粉改性瀝青進行溫度掃描，分別測量其復數剪切模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ變化曲線。其結果如圖3、圖4和表4所示。

圖3 不同瀝青的G*、δ與溫度的關系曲線圖

圖4 不同瀝青的G*/sinδ與溫度的半對數關系曲線圖

表4 ln(G*/sin δ)與溫度的線性擬合關系表

從圖3、圖4及表4可知：

(1)普通膠粉改性瀝青高溫抗變形能力優(yōu)于兩種活化膠粉改性瀝青，而粉末狀膠粉改性瀝青高溫抗變形能力強于顆粒狀膠粉改性瀝青。復數剪切模量G*反映了瀝青在受到反復剪切變形時復合阻力的大小，G*越大說明其抗變形能力越好；相位角δ能夠表征瀝青的黏彈性變形恢復能力，δ值越大說明其黏性成分占比越多，彈性成分占比越少，其抗永久變形能力越差。因此車轍因子G*/sinδ的數值大小可以用來直接評價瀝青高溫抗變形能力，車轍因子G*/sinδ越大的瀝青高溫抗變形能力越好。隨著溫度的升高，各種瀝青的復數剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ對數值呈現線性相關并不斷減小，相位角δ不斷增加，這表明三種瀝青作為黏彈性材料，在溫度升高下逐漸變軟，其高溫抗變形能力和彈性恢復能力均呈下降趨勢。在同一溫度條件下，普通膠粉改性瀝青的lnG*與lnG*/sinδ明顯大于活化膠粉改性瀝青，而兩種活化膠粉改性瀝青的lnG*較為接近，粉末狀活化膠粉改性瀝青略大于顆粒狀膠粉改性瀝青。相位角δ則呈相反的趨勢，在溫度升高的情況下，顆粒狀膠粉改性瀝青的δ值始終與其他瀝青呈現較大的差異，表明其黏性成分始終占主要比例，而其他瀝青在高溫下仍保持了較多的彈性成分，具備一定的抗變形能力。

(2)為比較不同瀝青對溫度敏感性的影響，將不同瀝青的ln(G*/sinδ)與溫度T的變化關系進行線性擬合可得到ln(G*/sinδ)=AT+B的線性公式。由表4可以看出三者相關系數均達到0.8以上，說明擬合的相關性較好。斜率A可以用來表征不同瀝青的溫度敏感性，斜率A的絕對值越大，表示其溫度敏感性越強。由此可以看出，普通膠粉改性瀝青的溫度敏感性最大，粉末狀活化膠粉改性瀝青次之，顆粒狀膠粉改性瀝青溫度敏感性最弱。

3 結語

(1)顆粒狀活化膠粉主要由4.75mm的單一粒徑顆粒組成，而粉末狀活化膠粉與普通膠粉均由一定級配的顆粒組成。與普通膠粉相比，粉末狀活化膠粉具備更多的蓬松細小的簇狀結構，導致其級配更粗，膠粉顆粒的比表面積更大，能夠對瀝青的宏觀性能產生積極影響。

(2)粉末狀活化膠粉改性瀝青在高低溫性能、施工性能、彈性恢復性能等方面的表現均優(yōu)于顆粒狀活化膠粉改性瀝青，后續(xù)在制作活化膠粉改性瀝青時，應盡量選擇粉末狀活化膠粉進行復合改性。

(3)從宏觀性能表現來看，在同等膠粉摻量條件下，活化膠粉改性瀝青在低溫性能、施工性能、彈性恢復性能等方面明顯優(yōu)于普通膠粉改性瀝青，但高溫流變性能仍有提升空間，從各項指標反映的結果來看，后續(xù)可以進一步提升活化膠粉的摻量進行性能研究。