SBR/PP復(fù)合顆粒改性瀝青及其混合料性能研究

劉瀅，金云東，周超，侯德華，彌平

(1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211134；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，四川 德陽(yáng) 618000；3.河南省高等級(jí)公路檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453003)

針對(duì)瀝青力學(xué)性能的不足，研究人員開(kāi)始重視利用聚合物改善瀝青的性能[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，將再生聚丙烯(PP)應(yīng)于改性瀝青，不僅可以改善瀝青混合料的溫度敏感性，還能降低工程造價(jià)，形成環(huán)保綠色路面，但會(huì)使瀝青的蠕變性降低[4-5]。而丁苯橡膠(SBR)可提高瀝青的延展性，但SBR改性瀝青的高溫性能較弱[6-7]。因此，可采用不同的聚合物復(fù)配使用，以發(fā)揮不同類(lèi)型聚合物對(duì)瀝青流變性能的改善[8-9]。

本文采用開(kāi)煉機(jī)將SBR粉末與PP顆粒混煉成SBR/PP熱塑性彈體，并研究不同配比設(shè)計(jì)的SBR/PP改性瀝青流變性及其混合料的高溫抗車(chē)轍性、低溫抗開(kāi)裂性和水穩(wěn)性，以便為SBR/PP改性瀝青的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

丁苯橡膠粉末為SBR 1502，廣東省東莞市樟木頭塑膠化工生產(chǎn)；聚丙烯為再生灰色PP顆粒，湖南映宏新材料股份有限公司生產(chǎn)；相容劑為自制醋酸乙烯酯接枝；2，6-二叔丁基對(duì)甲基苯酚、十八(烷)酸鋅鹽均為化學(xué)品；SK 70號(hào)瀝青，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

表1 SK 70號(hào)瀝青技術(shù)指標(biāo)

SYD-4508G延度儀；SYD-2801F針入度儀；SYD-2806F軟化點(diǎn)儀；QCZ-2型多功能車(chē)轍儀；SmartPave102動(dòng)態(tài)剪切流變儀；UTM-25萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 SBR/PP復(fù)合改性瀝青的制備

1.2.1 SBR/PP熱塑性彈體制備 將SBR粉末和PP顆粒分別按配比設(shè)計(jì)稱取，在高速混合機(jī)中混合1 min，之后添加適量的相容劑、抗氧劑和助劑共混 1 min；最后將共混物加入到雙螺桿擠出機(jī)中擠出，擠出機(jī)加料口溫度設(shè)定為180 ℃、機(jī)頭溫度設(shè)定為190 ℃，中間各段加熱溫度分別為190，200，210，200 ℃，螺桿的轉(zhuǎn)速為200 r/min，制得SBR/PP熱塑性彈體。為改善SBR/PP熱塑性彈體在瀝青中的分散及溶脹，通過(guò)橡膠粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行磨碎處理，效果見(jiàn)圖1，通過(guò)熒光顯微鏡可以觀測(cè)到SBR/PP熱塑性彈體顆粒表面粗糙，形狀不規(guī)則，且SBR與PP混合均勻。

圖1 SBR/PP熱塑性彈體的宏觀與微觀圖像

1.2.2 復(fù)合改性瀝青的制備 將SK 70號(hào)基質(zhì)瀝青加熱至135 ℃，使其成為熱熔狀態(tài)，然后將不同摻量的SBR/PP熱塑性彈體緩慢加入到瀝青中，之后將改性瀝青升溫至170～180 ℃，機(jī)械攪拌30 min，以便SBR/PP熱塑性彈體在瀝青中充分溶脹；隨后采用高速剪切機(jī)以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)改性瀝青進(jìn)行剪切，剪切時(shí)間為40 min，最后得到SBR/PP復(fù)合改性瀝青，不同改性瀝青的配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 不同改性瀝青的配比組合設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR/PP復(fù)合改性瀝青的性能

2.1.1 SBR/PP復(fù)合改性瀝青的技術(shù)指標(biāo) 試驗(yàn)選用國(guó)內(nèi)改性瀝青的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)針入度、軟化點(diǎn)、延度和軟化點(diǎn)差對(duì)不同改性瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，試驗(yàn)方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 SBR/PP復(fù)合改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

由表3可知，當(dāng)MSBR∶MPP為3∶7時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度和延度逐漸降低，軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)差值逐漸升高，改性瀝青的總體性能偏“硬”，表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性，儲(chǔ)存穩(wěn)定性均滿足JTG F40—2004中Ⅰ類(lèi)改性瀝青>2.5 ℃的要求；當(dāng)摻量達(dá)到5%時(shí)，延度降低48%，改性瀝青的低溫性能較差，容易產(chǎn)生脆斷。當(dāng)MSBR∶MPP為5∶5時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)差值逐漸升高，延度則先增加后降低，最大延度為88 cm，體現(xiàn)出較強(qiáng)的黏塑特性。當(dāng)MSBR∶MPP為 7∶3時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)、延度和軟化點(diǎn)差值逐漸提高，使得改性瀝青具有良好的延展特性，更能體現(xiàn)出丁苯橡膠的力學(xué)性能；當(dāng)摻量為5%時(shí)，軟化點(diǎn)差值為2.7 ℃，已不滿足規(guī)范中Ⅰ類(lèi)改性瀝青<2.5 ℃的要求。

SBR/PP熱塑性彈體在相同摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青的總體性能表現(xiàn)為針入度、延度和軟化點(diǎn)差值逐漸升高，軟化點(diǎn)逐漸降低。說(shuō)明當(dāng)SBR/PP熱塑性彈體中以高柔韌性的SBR軟相為主時(shí)，改性瀝青體現(xiàn)出較好的低溫性能，但此時(shí)由于丁苯橡膠的黏聚性較大，在高溫儲(chǔ)存過(guò)程中易產(chǎn)生離析，致使高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差。因此，當(dāng)橡塑比MSBR∶MPP>7∶3時(shí)，SBR/PP熱塑性彈體的摻量不宜超過(guò)4%。

2.1.2 SBR/PP復(fù)合改性瀝青的流變性能PG分級(jí) 美國(guó)在SHRP(Strategic Highway Research Program)計(jì)劃中提出基于瀝青流變性能的評(píng)價(jià)方法，并依據(jù)瀝青適用的路面最高溫度和最低溫度對(duì)瀝青材料進(jìn)行PG(Performance Grade)分級(jí)。根據(jù)AASHTO M 320(AASHTO 2017)，對(duì)制備的改性瀝青進(jìn)行PG分級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 SBR/PP復(fù)合改性瀝青流變性能PG分級(jí)參數(shù)

表4總結(jié)了12種改性瀝青的PG分級(jí)，為保證黏結(jié)材料具有良好的高溫抗變形能力，要求未老化瀝青的車(chē)轍因子(G*/sinδ)不應(yīng)小于1 kPa，RTFOT老化后瀝青的車(chē)轍因子(G*/sinδ)不應(yīng)小于 2.2 kPa，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提取并確保每種改性瀝青的高溫PG均滿足Superpave規(guī)定要求。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在橡塑比MSBR∶MPP相同的情況下，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青整體發(fā)展趨勢(shì)是具有更高的PG分級(jí)，最高可以提高三級(jí)，抗車(chē)轍性得到改善；而隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青的高溫抗變形能力降低，高溫PG分級(jí)降低，說(shuō)明聚丙烯塑料的高溫力學(xué)性能要優(yōu)于丁苯橡膠。

經(jīng)過(guò)短期老化以后，RTFO殘留物的G*/sinδ顯著增加，表明改性瀝青的抗車(chē)轍性得到改善。在3%摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后車(chē)轍因子的增加幅度分別為81%，83%，108%和114%；在4%摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后車(chē)轍因子的增加幅度分別為50%，92%，100%和173%；在5%摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后車(chē)轍因子的增加幅度分別為70%，89%，92%和115%；由此可見(jiàn)，隨著SBR含量的增加，老化前后車(chē)轍因子的增加幅度逐漸提高，說(shuō)明SBR的抗老化能力相對(duì)較差，這主要是因?yàn)镾BR長(zhǎng)分子鏈在老化過(guò)程中容易被氧化、降解[10]，橡膠之間不能形成穩(wěn)定的連續(xù)相，使其性能發(fā)生大幅度變化。而聚丙烯的抗老化能力較好[11]，在瀝青中形成的交聯(lián)體系在老化過(guò)程中比較穩(wěn)定，從而增強(qiáng)對(duì)瀝青的約束力，改善瀝青的熱穩(wěn)定性。

為保證黏結(jié)材料不產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，一般以PG分級(jí)中最高和最低設(shè)計(jì)溫度的平均值加4 ℃為黏結(jié)材料的中溫測(cè)試條件，并要求中溫條件下的G*·sinδ不應(yīng)超過(guò)5 MPa，否則認(rèn)為黏結(jié)材料易發(fā)生疲勞開(kāi)裂破壞，而較低的G*·sinδ值具有更好的抵抗疲勞開(kāi)裂的能力。對(duì)于表4中列出的PG分級(jí)可知，在中溫條件下，所有改性瀝青的疲勞因子都滿足規(guī)定要求。但是隨著聚丙烯的增加，改性瀝青的疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)提高。

根據(jù)BBR試驗(yàn)，低溫勁度模量越大，瀝青表現(xiàn)得越硬脆，易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂；而勁度模量變化曲線斜率(m)表征了低溫下瀝青的蠕變變化率，m值越大，瀝青的感溫性越好，隨著環(huán)境溫度的驟降不易產(chǎn)生開(kāi)裂。因此，Superpave規(guī)定低溫勁度模量不能超過(guò)300 MPa，m值不能小于0.3。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)MSBR∶MPP為 3∶7時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青在低溫條件下的PG分級(jí)逐漸提高，說(shuō)明高摻量的SBR/PP熱塑性彈體不益于改性瀝青在低溫區(qū)域的應(yīng)用；當(dāng)MSBR∶MPP為5∶5和7∶3時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的低溫PG分級(jí)保持不變，說(shuō)明當(dāng)SBR/PP熱塑性彈體中丁苯橡膠配比占主導(dǎo)地位時(shí)，有利于改善SBR/PP復(fù)合改性瀝青的低溫抗開(kāi)裂能力。

綜上所述，可以通過(guò)SBR/PP熱塑性彈體來(lái)改善瀝青的PG分級(jí)，以增強(qiáng)瀝青在高低溫環(huán)境下的適應(yīng)性。當(dāng)橡塑比MSBR∶MPP為5∶5時(shí)，SBR/PP熱塑性彈體明顯改善瀝青對(duì)車(chē)轍的抵抗力，且不同摻量的改性瀝青低溫性能沒(méi)有產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，能夠改善累積的低溫應(yīng)力，綜合性能相對(duì)最佳。

2.2 SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能

熱拌瀝青混合料級(jí)配選用JTG F41—2004規(guī)范中AC-13范圍中值，并選用石灰?guī)r作為骨料，石灰石粉作為礦物填料，其主要技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40—2004要求，見(jiàn)表5。根據(jù)馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法對(duì)改性瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確定混合料的最佳瀝青含量OAC。改性瀝青混合料的拌合與擊實(shí)溫度分別為170 ℃和155 ℃。為保證不同摻量及配比條件下瀝青混合料之間能夠有效合理的比對(duì)，需要建立共同的比較基準(zhǔn)，所以在保證馬歇爾試件空隙率不小于4%且性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求的前提下，本次試驗(yàn)的改性瀝青混合料均選擇OAC為 5.25%(按混合料的質(zhì)量計(jì))制備所需改性瀝青混合料試件。

表5 石灰?guī)r骨料的技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的中高溫抗變形能力 對(duì)不同改性瀝青混合料的試件分別進(jìn)行60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)SBR/PP熱塑性彈體對(duì)改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響。

簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)SPT(Simple Performance Test)是按照美國(guó)NCHRP的設(shè)想，提出一種能反映瀝青混合料抗變形能力的試驗(yàn)。SPT動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)制備的試件遵循EN 12697—26規(guī)程要求，試驗(yàn)測(cè)試溫度選用30 ℃評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的中溫抗變形能力，加載頻率分別為1，5，10，20，25 Hz，以模擬我國(guó)不同等級(jí)公路30～120 km/h的車(chē)速。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制水平，為保證混合料在小應(yīng)變條件下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)置應(yīng)變變化范圍85～115 με，采用連續(xù)正弦加載方式，將測(cè)試頻率以循環(huán)方式施加到無(wú)約束試件上進(jìn)行測(cè)試并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度及動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，且都滿足JTG F40—2004中改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不小于2 400次/mm的要求。當(dāng)SBR/PP熱塑性彈體摻加量相同時(shí)，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸減小，高溫穩(wěn)定性相對(duì)變差。此外，相對(duì)于丁苯橡膠，由于聚丙烯交聯(lián)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能強(qiáng)，對(duì)改性瀝青混合料的高溫抗變形能力的影響較為顯著，對(duì)于夏季炎熱區(qū)可以優(yōu)選橡塑比MSBR∶MPP為3∶7的SBR/PP熱塑性彈體對(duì)瀝青進(jìn)行改性。

SPT試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)態(tài)模量不僅可以表征改性瀝青混合料的黏彈特性，還能反映混合料在中溫條件下的累積永久變形。從不同頻率下的動(dòng)態(tài)模量可以看出，隨著負(fù)載頻率的降低，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)模量逐漸減小，這種現(xiàn)象可以解釋在陡坡、交叉路口或公交車(chē)站等路段，由于車(chē)輛行駛速度較低及頻繁制動(dòng)，致使輪胎與路面之間處于長(zhǎng)時(shí)間接觸狀態(tài)，路面易發(fā)生永久變形。

在不同頻率下，當(dāng)橡塑比MSBR∶MPP相同時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均逐漸增大，表明熱塑性彈體摻量越高，其改性瀝青混合料會(huì)具有更高的剛度，并且相對(duì)于SBR改性瀝青，SBR/PP復(fù)配改性瀝青可以顯著改善混合料的抗變形能力，對(duì)于夏季炎熱地區(qū)可以添加4%～5%的SBR/PP熱塑性彈體，橡塑比MSBR∶MPP為 3∶7最佳。

2.2.2 改性瀝青混合料的低溫抗開(kāi)裂性能及水穩(wěn)定性 為評(píng)價(jià)SBR/PP熱塑性彈體改性瀝青混合料的低溫抗開(kāi)裂能力以及水穩(wěn)定性，按照J(rèn)TG F20—2011規(guī)范對(duì)不同改性瀝青混合料試件分別進(jìn)行 -10 ℃ 低溫彎曲試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的抗裂性及水穩(wěn)性

由表7低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，混合料的低溫勁度模量逐漸增大。當(dāng)復(fù)配設(shè)計(jì)為5-(3∶7)時(shí)，勁度模量到達(dá)最大值3 525 MPa，相對(duì)于3-(3∶7)，其低溫勁度模量增幅16%。當(dāng)SBR/PP熱塑性彈體摻量相同時(shí)，隨著橡塑比的減小，不同改性瀝青混合料的勁度模量逐漸增加，表明通過(guò)SBR/PP復(fù)配技術(shù)可以顯著改善混合料的低溫勁度模量，提升其低溫抗彎拉能力。但是勁度模量過(guò)大容易造成混合料的低溫脆斷，因此，規(guī)范要求冬季嚴(yán)寒地區(qū)的破環(huán)應(yīng)變不應(yīng)小于3 000 με。由表可知，除 5-(3∶7)改性瀝青混合料低于3 000 με，其余改性瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。同時(shí)，當(dāng)SBR/PP熱塑性彈體摻量相同時(shí)，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，最大彎拉應(yīng)變先略有增加，后又逐漸減小，該現(xiàn)象與改性瀝青混合料的高頻回彈模量變化規(guī)律相一致。說(shuō)明適中的橡塑比，可以使改性瀝青混合料在抗拉伸過(guò)程中充分發(fā)揮熱塑性彈體的黏韌性，從而改善混合料的低溫彎拉應(yīng)變，這也體現(xiàn)了丁苯橡膠與聚丙烯的復(fù)配效應(yīng)。

由表7凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同時(shí)，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，劈裂強(qiáng)度和TSR都在逐漸增大。對(duì)于不同橡塑比的改性瀝青混合料，高含量SBR改性瀝青混合料具有最佳的水穩(wěn)定性，隨著PP的加入，改性瀝青混合物的水穩(wěn)定逐漸降低，與SBR改性瀝青混合料相比，其最高降低幅度達(dá)到18%。綜上所述，對(duì)于SBR/PP熱塑性彈體改性瀝青，PP的加入增強(qiáng)了瀝青膠結(jié)料的交聯(lián)凝結(jié)作用，使混合料具有優(yōu)良的抗劈裂能力。但是，這也造成體系的剛度較大，在荷載作用下的位移量相對(duì)較小，從而導(dǎo)致低溫抗變形能力降低。因此，考慮到混合料的抗裂性能及抗水損性，需限制聚丙烯的高摻量應(yīng)用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)表明，SBR/PP熱塑性彈體的配比設(shè)計(jì)，對(duì)于改性瀝青的性能影響很重要，其中丁苯橡膠對(duì)改性瀝青的低溫延展性及黏聚性影響較大，聚丙烯對(duì)改性瀝青的高溫抗變形能力、高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性及抗老化性能影響較大。因此，可以使用SBR/PP復(fù)合材料對(duì)瀝青的PG進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，以承受不同溫度環(huán)境下的交通荷載。且在橡塑比(MSBR∶MPP)為5∶5時(shí)，熱塑性彈體可以顯著改善瀝青的高溫抗變形能力，低溫性能沒(méi)有產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，PG分級(jí)綜合流變性能相對(duì)最佳。

(2)SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的綜合路用性能相對(duì)較好，當(dāng)橡塑比為3∶7時(shí)，其改性瀝青混合料具有最佳的高溫性能，適用于國(guó)內(nèi)炎熱地區(qū)。此外，當(dāng)需要考慮混合料在低溫環(huán)境下的抗裂性能及抗水損性時(shí)，聚丙烯的含量不易超過(guò)SBR/PP熱塑性彈體總質(zhì)量的50%。