膠粉摻量對復(fù)合橡膠改性瀝青流變特性的影響

李雨師，鄒雯炆，楊 光，李長春

（1．中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195；2．中石油燃料油有限責(zé)任公司，北京 100012； 3．秦皇島中石油燃料瀝青有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066000）

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，日益繁重的交通對瀝青路面建設(shè)提出了更高的要求。為應(yīng)對瀝青路面車轍、開裂等問題，改性瀝青應(yīng)運(yùn)而生，其中SBS 和膠粉是各個國家比較常用的改性劑［1－3］。SBS 加入基質(zhì)瀝青后，會在體系內(nèi)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［4－7］，進(jìn)而增強(qiáng)瀝青的抗壓和抗車轍能力。將膠粉與SBS 改性瀝青復(fù)合，膠粉與瀝青發(fā)生物理共混和化學(xué)反應(yīng)［8－10］。同時，部分膠粉顆粒填充在SBS 構(gòu)建的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合改性瀝青的流變性能［11－13］。因此，這種復(fù)合改性后的瀝青具有更強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性、更好的抗裂性和抗疲勞性能［14－16］，并充分發(fā)揮復(fù)合改性瀝青環(huán)保、美觀、安全、降噪等優(yōu)勢［17－19］。然而，合理的復(fù)合膠粉改性瀝青配方設(shè)計將進(jìn)一步擴(kuò)大改性劑的積極作用； 反之，若各原材料質(zhì)量比不合理，改性瀝青的性能將不升反降。

為研究膠粉摻量對復(fù)合橡膠改性瀝青流變特性的影響，采用單因素控制變量法，固定90 號基質(zhì)瀝青∶SBS 的比例為80∶1，通過動態(tài)剪切流變（DSR） 試驗分析膠粉摻量對復(fù)合橡膠改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量（G*） 和車轍因子（G*/sinδ） 的影響，并結(jié)合改性瀝青三大指標(biāo)及黏度值確定復(fù)合橡膠改性瀝青的最佳配方設(shè)計。

2 試驗材料

2．1 原材料

瀝青為90 號基質(zhì)瀝青，SBS 牌號為T6302，膠粉目數(shù)為40 目，各原材料的基本性質(zhì)如表1 ～表3 所示。

表1 90 號基質(zhì)瀝青性能參數(shù)

表2 SBS 的基本性質(zhì)

表3 廢膠粉的基本性質(zhì)

2．2 制備工藝

采用單因素控制變量考察了膠粉的摻量對復(fù)合改性瀝青性能的影響。固定90 號基質(zhì)瀝青∶SBS 的比例為80∶1，添加不同比例份數(shù)的膠粉（C －R） （6，12，18，24） ，如表4 所示。

表4 復(fù)合改性瀝青配方設(shè)計

在大量實驗的基礎(chǔ)上探索出SBS－膠粉復(fù)合改性瀝青制備工藝如下：

1） 將基質(zhì)瀝青加熱180 ℃，加膠粉升溫至190 ℃～200 ℃，攪拌2 h。

2） 降溫到180 ℃～190 ℃，加入SBS，該溫度下剪切30 min。

3）180 ℃～190 ℃下，攪拌發(fā)育3 h （視黏度情況，如黏度高可適當(dāng)提高溫度） 。

3 試驗方法與結(jié)果分析

3．1 實驗方法

參照J(rèn)TG E20—2011 公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程，按表5 所示實驗方法分析膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青使用性能的影響。

表5 復(fù)合改性瀝青試驗方法

3．2 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度的影響

分析膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度影響，結(jié)果如表6 所示。根據(jù)表6 中數(shù)據(jù)繪制針入度和軟化點(diǎn)變化趨勢線，如圖1 所示。針入度值越小，瀝青高溫性能越好；軟化點(diǎn)值越大，表明瀝青溫度敏感性越好。由圖1 可知，隨著膠粉摻量的不斷增加，復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)不斷增加，當(dāng)膠粉質(zhì)量比小于18 時，軟化點(diǎn)上升幅度較小，當(dāng)膠粉質(zhì)量比大于18 時，軟化點(diǎn)大幅增加；復(fù)合改性瀝青針入度總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當(dāng)膠粉質(zhì)量比為6 ～12 和18 ～24 時針入度降低幅度很大，當(dāng)膠粉質(zhì)量比為12 ～18 時針入度降低幅度較小。綜合考慮復(fù)合改性瀝青高溫性能和溫度敏感性，膠粉質(zhì)量比應(yīng)為15 ～20。

表6 不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度結(jié)果

圖1 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度的影響

3．3 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青G*值的影響

瀝青的模量是指溫度和荷載作用時間一定時，應(yīng)力和應(yīng)變的比值就是瀝青材料的模量，該值的大小是表示瀝青在外力作用下抵抗彈性變形的能力。瀝青的模量越高表示瀝青抵抗車轍能力越強(qiáng)。采用DSR 試驗，分析膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量（G*） 的影響，結(jié)果如表7 所示。根據(jù)表7 中數(shù)據(jù)繪制復(fù)數(shù)剪切模量（G*）變化趨勢線，如圖2 所示。

表7 不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量（G*）結(jié)果

圖2 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青G*的影響

由圖2 可以看出，相同膠粉摻量下，復(fù)合改性瀝青的G*值隨溫度的升高而明顯下降； 相同溫度下，增加膠粉摻量使得復(fù)合改性瀝青的G*值不斷增加。不同膠粉摻量下復(fù)合改性瀝青的模量－溫度曲線擬合公式如表8 所示。由表8 可以看出，復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的升高呈指數(shù)型下降，且相關(guān)度非常高。

表8 不同膠粉摻量下復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的變化規(guī)律

基于復(fù)合改性瀝青的G*值可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠粉的質(zhì)量比大于15 時，瀝青具有較高的復(fù)數(shù)剪切模量和優(yōu)異的抗車轍能力。

3．4 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青G*/sinδ值的影響

SHRP 計劃中引入DSR 測量的G*/sinδ作為評價瀝青抗車轍能力的指標(biāo)，要求原樣瀝青不低于1．0 kPa，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱后殘留瀝青不低于2．2 kPa。G*/sinδ值越大表示瀝青抗車轍能力越強(qiáng)。不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青G*/sinδ結(jié)果如表9 所示，根據(jù)表9 中數(shù)據(jù)繪制G*/sinδ變化趨勢線，如圖3 所示。

表9 不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青G*/sinδ 結(jié)果

圖3 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青G*/sinδ 的影響

由圖3 可看出，同一膠粉加量下，復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ值隨溫度的升高而明顯下降； 同一溫度下，隨膠粉摻量的增加，瀝青的車轍因子明顯增加。不同膠粉摻量下，復(fù)合改性瀝青車轍因子－溫度曲線的擬合公式如表10 所示。由表10 可以看出，復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ值隨溫度的升高呈指數(shù)型下降，且相關(guān)度非常高。

表10 不同膠粉摻量下復(fù)合改性瀝青車轍因子隨溫度的變化規(guī)律

基于復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠粉的質(zhì)量比大于15 時，復(fù)合橡膠改性瀝青具有優(yōu)異的抗車轍能力。

3．5 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青延度的影響

分析膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青延度的影響，結(jié)果如表11 所示。根據(jù)表11 中數(shù)據(jù)繪制延度變化趨勢線，如圖4 所示。延度值越大，表明瀝青低溫抗裂性能越好。由圖4 可知，復(fù)合改性瀝青的延度隨膠粉摻量的增加而增大，且在低摻量范圍（6 ～12） 內(nèi)延度增加幅度更明顯。

圖4 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青延度的影響

表11 不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青延度結(jié)果

3．6 膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青黏度的影響

不同膠粉摻量下，復(fù)合改性瀝青黏度值如表12 所示。根據(jù)表12 中數(shù)據(jù)，取瀝青黏度的雙對數(shù)和溫度的對數(shù)繪制黏溫曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，瀝青黏度的雙對數(shù)與溫度的對數(shù)呈線性關(guān)系。膠粉的摻加使復(fù)合改性瀝青的高溫黏度變大，對施工產(chǎn)生不利影響，所以膠粉的摻量不宜過大。從復(fù)合改性瀝青黏溫關(guān)系來看，膠粉質(zhì)量比應(yīng)不大于20。

表12 不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青黏度結(jié)果

圖5 復(fù)合改性瀝青的黏溫曲線

綜合3．2 ～3．6 節(jié)所述，膠粉的摻加對復(fù)合改性瀝青的抗壓和抗車轍能力是有利的，但兼顧施工指標(biāo)和低溫抗裂性，膠粉的質(zhì)量比應(yīng)為15 ～20。

4 結(jié)論

1） 本文所選用的基質(zhì)瀝青和改性劑各項指標(biāo)均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這為后期復(fù)合改性瀝青的制備奠定了良好的基礎(chǔ)。

2） 采用單因素控制變量考察了膠粉的摻量對復(fù)合改性瀝青性能的影響?；谌笾笜?biāo)：旋轉(zhuǎn)黏度、復(fù)數(shù)剪切模量（G*） 和車轍因子（G*/sinδ） 確定最佳復(fù)合改性瀝青配方設(shè)計。

3） 固定90 號基質(zhì)瀝青∶SBS 的比例（80∶1） ，膠粉的摻加有助于提高復(fù)合改性瀝青的抗壓和抗車轍能力，但兼顧施工指標(biāo)和低溫抗裂性能，膠粉的質(zhì)量比應(yīng)為15 ～20。