橡塑復(fù)合改性瀝青在碎石封層中的研究與應(yīng)用

李成斌,袁得杰,祁長有,王 亮,程雪萍

（甘肅省武威公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 武威 733000）

0 引言

瀝青是碎石封層中重要的黏結(jié)材料，其性能直接決定了瀝青路面碎石封層的工程質(zhì)量、路用性能以及使用壽命。隨著瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)要求的提高，交通量快速上升、重載車輛的增加以及極端惡劣的氣候條件，普通瀝青材料碎石封層已無法承擔(dān)路面抵抗高溫變形、疲勞開裂、低溫縮裂、加速老化、水損害等路面病害的快速發(fā)展，逐漸不適應(yīng)瀝青路面碎石封層發(fā)展的需要。為了滿足瀝青路面碎石封層實(shí)施效果的提升和新型瀝青類材料的需要，公路養(yǎng)護(hù)工作者紛紛開展對(duì)瀝青材料的復(fù)合改性研究，在瀝青材料中添加具有改善瀝青材料高低溫性能，抗裂性能，抗疲勞性能、抗老化性能的高分子聚合物等材料來提高碎石封層的路用性能，延長使用壽命。

橡塑復(fù)合改性瀝青采用物理共混原理使SBS改性劑與橡膠粉均勻分布于基質(zhì)瀝青中形成一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有SBS改性瀝青和橡膠瀝青雙重性能特性，起到兩種材料在性能上相互增強(qiáng)、增韌、增塑的相互協(xié)調(diào)、補(bǔ)充效果。橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層在甘肅省河西荒漠地區(qū)夏季高溫氣候下抵抗變形的性能，冬季低溫氣候下抵抗荷載裂縫的性能，以及在極端氣候下抵抗瀝青材料自然老化的性能等方面都有明顯提高，且對(duì)該地區(qū)晝夜溫差較大的情況具有溫度敏感性較低的特點(diǎn)。有效解決了甘肅省河西荒漠地區(qū)瀝青路面碎石封層夏季易泛油，冬季易裂縫的問題，提高了瀝青路面性能及使用壽命，降低了瀝青路面養(yǎng)護(hù)成本。

為了尋找一種性能優(yōu)良、價(jià)格適中、適用于甘肅省河西荒漠地區(qū)公路瀝青路面碎石封層的膠結(jié)材料，根據(jù)SBS改性瀝青和橡膠瀝青研究生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)，鑒于SBS改性瀝青和橡膠瀝青的各自優(yōu)勢(shì)和特性，充分發(fā)揮這兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，取長補(bǔ)短，降低成本，甘肅省武威公路事業(yè)發(fā)展中心試驗(yàn)檢測室通過不斷調(diào)整配方，自主成功研發(fā)生產(chǎn)出橡塑復(fù)合改性瀝青，并首次應(yīng)用于G569線K368+300~K369+200段、K385+150~K386+150段瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)碎石封層實(shí)體工程中，經(jīng)過長期跟蹤觀測，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層路用性能良好，已經(jīng)超過SBS改性瀝青及橡膠瀝青碎石封層。

1 橡塑復(fù)合改性瀝青簡介

橡塑（廢舊輪胎橡膠粉+SBS改性劑）復(fù)合改性瀝青是用60目廢舊輪胎橡膠粉、高分子聚合物SBS改性劑和適量的助劑、添加劑按一定配比混合，采用直接投入法在橡塑復(fù)合改性瀝青專用生產(chǎn)加工設(shè)備上通過一定生產(chǎn)工藝形成的一種瀝青路面新型復(fù)合黏結(jié)材料。其主要成分為60目廢舊橡膠粉、SBS改性劑、增溶劑、穩(wěn)定劑及其他助劑組成。廢舊橡膠粉來源于廢舊輪胎，其主要化學(xué)成分是天然橡膠和合成橡膠以及具有增強(qiáng)、增韌、增柔、防老化的炭黑、氧化鋅、硫磺等材料，這些材料都具有改善瀝青性能的作用。SBS是一種優(yōu)良的瀝青改性劑，具有優(yōu)異的高低溫性能和拉伸強(qiáng)度和伸長率。

廢舊橡膠粉和SBS改性劑同屬高分子材料，在增溶劑的作用下具有較好的相容性，兩者復(fù)配制備成橡塑復(fù)合改性瀝青，在穩(wěn)定劑的作用下具有較好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，加工生產(chǎn)出的橡塑復(fù)合改性瀝青，一方面可有效改善瀝青路面碎石封層的路用性能，同時(shí)具有SBS改性瀝青和橡膠瀝青雙重性能特性，起到兩種改性材料在性能上相互增強(qiáng)、增韌、增塑的相互協(xié)調(diào)、補(bǔ)充效果，另一方面可消耗廢舊輪胎，解決廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染問題，起到廢舊材料循環(huán)利用、保護(hù)自然環(huán)境、實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展目的，符合落實(shí)道路交通綠色發(fā)展理念和國家倡導(dǎo)的“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”政策。同時(shí)，廢舊橡膠粉的利用可減少SBS的用量，起到節(jié)約能源的目的。鑒于以上原因，研究應(yīng)用橡塑復(fù)合改性瀝青具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，符合當(dāng)前公路養(yǎng)護(hù)需要。

2 橡塑復(fù)合改性瀝青的制備和加工

2.1 原材料的選擇

2.1.1 基質(zhì)瀝青的選擇

基質(zhì)瀝青作為生產(chǎn)橡塑復(fù)合改性瀝青的基礎(chǔ)，首先要考慮基質(zhì)瀝青與改性材料的配伍性、標(biāo)號(hào)以及蠟含量這三大問題?；|(zhì)瀝青要選擇針入度較大的瀝青品種，這類瀝青品種具有足夠數(shù)量的軟相瀝青質(zhì)，且芳香族含量較多溶解能力較強(qiáng)，容易形成改性材料與瀝青體系均勻結(jié)構(gòu)的共混物。其次選用合適的基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)，生產(chǎn)加工橡塑復(fù)合改性瀝青的SBS改性瀝青選用I-C級(jí)改性瀝青，基質(zhì)瀝青一般選用90號(hào)瀝青。最后要選用含蠟量較低的基質(zhì)瀝青，含蠟量低，基質(zhì)瀝青與橡膠粉、SBS改性劑的相溶性就好，生產(chǎn)出的橡塑復(fù)合改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性就好，改性效果就理想。

經(jīng)過對(duì)克煉90號(hào)、鎮(zhèn)海90號(hào)、韓國SK90號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，最終確定采用三者之中25 ℃針入度較大、含蠟量較低，10 ℃延度較好的韓國SK90號(hào)基質(zhì)瀝青作為母體基質(zhì)瀝青來制備橡塑復(fù)合改性瀝青。

2.1.2 橡膠粉的選擇

橡膠粉采用精細(xì)常溫粉碎法加工生產(chǎn)的廢舊輪胎橡膠粉。廢舊輪胎膠粉具有良好的耐磨性、抗老化性、低溫抗開裂能力以及柔軟性與彈性，在瀝青路面改性時(shí)效果更好。其次，廢舊輪胎橡膠粉產(chǎn)量大、價(jià)格低，不僅可以提高瀝青路面的使用性能和使用壽命，還能顯著降低成本。

廢舊輪胎膠粉細(xì)度不同，對(duì)改性瀝青的改性效果也有所不同。一般輪胎膠粉越細(xì)，越容易攪拌均勻，在一定程度上可以縮短反應(yīng)時(shí)間，防止發(fā)生離析、沉淀現(xiàn)象。同時(shí)，改性瀝青中所用的廢舊輪胎膠粉也不能過細(xì)，細(xì)度太高的話會(huì)影響橡膠瀝青的彈性，甚至失去彈性。經(jīng)過對(duì)40目、60目、80目橡膠粉進(jìn)行制備橡塑復(fù)合改性瀝青并進(jìn)行性能試驗(yàn)，最終確定采用60目的廢舊輪胎橡膠粉。

2.1.3 SBS改性劑及其他添加劑

SBS改性劑是以苯乙烯（硬段S）、丁二烯（軟段B）為單體組成的三嵌段共聚物，具有優(yōu)良的低溫柔韌性、拉伸強(qiáng)度與變形恢復(fù)性能，同時(shí)具有良好的加工性能，是理想的瀝青改性材料。根據(jù)以往生產(chǎn)SBS改性瀝青的經(jīng)驗(yàn)，采用燕山石化公司研制開發(fā)成功的SBS改性劑。穩(wěn)定劑為硫磺。增溶劑為糠醛抽出油。

2.2 配方設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)SBS改性瀝青及橡膠瀝青積累的經(jīng)驗(yàn)，SBS改性劑采用3%、2%、1%三種摻量，廢舊輪胎橡膠粉采用14%、12%、10%三種摻量，采用正交試驗(yàn)方法交叉摻配，組合出9種配方，通過對(duì)9種配方制備的橡塑復(fù)合改性瀝青進(jìn)行針入度、5 ℃延度、軟化點(diǎn)、25 ℃彈性恢復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橡膠粉和SBS改性劑對(duì)橡塑復(fù)合改性瀝青性能的影響，總結(jié)出SBS改性劑、廢舊輪胎橡膠粉與橡塑復(fù)合改性瀝青性能之間的變化關(guān)系，最終尋找一種性能最優(yōu)的改性材料摻配比例。

在確定SBS改性劑和橡膠粉最佳摻配比例后，采用4%、3%、2%的糠醛抽出油摻量和0.3%硫磺摻量進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)4%糠醛抽出油的加入可以使橡膠粉達(dá)到最佳相容效果，大大提高了橡塑復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能。

對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分析后最終確定橡塑復(fù)合改性瀝青最優(yōu)配方為SBS改性劑3%、橡膠粉10%、糠醛抽出油4%和硫磺0.3%。根據(jù)此配方制備的橡塑復(fù)合改性瀝青的性能如表1所示。

表1 試驗(yàn)檢測結(jié)果

2.3 性能比較

生產(chǎn)出的橡塑復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青、橡膠瀝青從25 ℃針入度、5 ℃延度、軟化點(diǎn)、25 ℃彈性恢復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表2可以看出橡塑復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)更高、低溫延度更好、材料彈性恢復(fù)性能更強(qiáng)，高溫抗變形性能、低溫柔韌性能、變形恢復(fù)性能、抗自然老化性能均超過SBS改性瀝青，遠(yuǎn)優(yōu)于橡膠瀝青，更加適用于甘肅省河西荒漠地區(qū)地理、氣候條件下的瀝青路面碎石封層當(dāng)中。

表2 性能比較表

2.4 最優(yōu)加工工藝參數(shù)

橡塑復(fù)合改性瀝青加工過程及參數(shù)如下：先在普通攪拌條件下加溫至180 ℃后加入SBS改性劑攪拌10 min，接著在180 ℃普通攪拌條件下加入60目橡膠粉繼續(xù)攪拌10 min，然后在180 ℃條件下加入糠醛抽出油、硫磺及其他添加劑以4 200 r/min，高速剪切80 min，最后在165 ℃條件下普通攪拌發(fā)育至氣泡消失，最終加工出橡塑復(fù)合改性瀝青。加工生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 橡塑復(fù)合改性瀝青加工生產(chǎn)參數(shù)及工藝流程圖

3 橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層在甘肅省河西荒漠地區(qū)的應(yīng)用

甘肅省河西荒漠地區(qū)地處西北干旱區(qū)，氣候干燥、少雨，全年氣溫變化較大，夏季溫度高，最高可達(dá)37 ℃以上，冬季溫度低，最低可達(dá)-23 ℃以下，且全年日夜溫差很大，一年的溫度變化高達(dá)60 ℃左右，一天內(nèi)的溫度變化可以高達(dá)20 ℃左右。面對(duì)甘肅省河西荒漠地區(qū)極端惡劣的氣候條件，對(duì)該地區(qū)瀝青路面碎石封層黏結(jié)材料提出了更加嚴(yán)格的要求，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠瀝青已經(jīng)無法滿足該地區(qū)氣候條件下瀝青路面碎石封層的路用性能，實(shí)施后的瀝青路面碎石封層夏季易泛油，冬季易裂縫，降低了碎石封層的路用性能及使用壽命，增加了瀝青路面養(yǎng)護(hù)成本。

為了解決甘肅省河西地區(qū)瀝青路面碎石封層夏季易泛油，冬季易裂縫的難題，甘肅省武威公路事業(yè)發(fā)展中心首次將橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層應(yīng)用于該地區(qū)代表性路段，G569線K385+150~K386+150段、K368+300~K369+200段共計(jì)1.9 km路段用于研究橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層的路用性能。該次實(shí)施路段橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層原材料均符合甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面碎石封層設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB62/T 3130—2017）[1]中的相關(guān)要求。橡塑復(fù)合改性瀝青灑布量為1.5~1.8 kg/m2，噴灑溫度應(yīng)不低于180 ℃。碎石撒布量為16~18 kg/m2，碎石覆蓋率為100%，施工工藝流程與SBS改性瀝青碎石封層和橡膠瀝青碎石封層相同。

4 橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層路用性能研究

在實(shí)施完成的G569線K368+300~K369+200段0.9 km橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層路段左、右幅路段設(shè)置16處檢測點(diǎn)，在G569線K385+150~K386+150段公里路段左、右幅路段設(shè)置20處檢測點(diǎn)，對(duì)路面PCI值、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、層間抗拉拔強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行了檢測，同時(shí)與同條件、同路段實(shí)施的橡膠瀝青、SBS改性瀝青碎石封層路段的實(shí)施效果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：一是橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層集料撒布后脫落、掉粒現(xiàn)象較少，成型后基本沒有碎石掉粒，改性瀝青和橡膠瀝青碎石封層成型后不同程度存在掉?，F(xiàn)象，從而體現(xiàn)了橡塑復(fù)合改性瀝青與石料的黏結(jié)力更好；二是橡塑復(fù)合改性瀝青層間抗拉拔強(qiáng)度比普通改性瀝青和橡膠瀝青高29.2%，層間抗拉拔強(qiáng)度高；三是橡塑復(fù)合改性瀝青抑制路面裂縫反射能力更好；四是橡塑復(fù)合改性瀝青低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。

通過對(duì)施工現(xiàn)場的長期觀測及試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層修復(fù)路面病害效果好，封水效果強(qiáng)，路面構(gòu)造深度大，有效提高了碎石封層的水平抗拉性能、結(jié)構(gòu)層抗剪切強(qiáng)度，增強(qiáng)了碎石封層與原瀝青路面層間黏結(jié)度和瀝青與集料的黏附力，有效阻止了高溫季節(jié)瀝青的軟化流動(dòng)，消除了低溫季節(jié)瀝青路面裂縫產(chǎn)生的集中應(yīng)力。

5 結(jié)語

橡塑復(fù)合改性瀝青，一方面可以有效改善基質(zhì)瀝青性能，同時(shí)具有SBS改性瀝青和橡膠瀝青雙重性能特性，起到兩種材料在性能上相互增強(qiáng)、增韌、增塑的相互協(xié)調(diào)補(bǔ)充的效果。另一方面，采用該材料實(shí)施的碎石封層在甘肅省河西荒漠地區(qū)極端氣候條件下具有良好的高溫抗流動(dòng)、抗變形性能，低溫抗開裂性能，晝夜溫差較大的情況下溫度敏感性較小，同時(shí)具有較好的抗自然老化性能。結(jié)合G569線K368+300~K369+200段、K385+150~K386+150段實(shí)施同步碎石封層實(shí)施效果來看，橡塑復(fù)合改性瀝青碎石封層在甘肅省河西荒漠地區(qū)瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中得到了成功應(yīng)用，解決了該地區(qū)瀝青路面碎石封層夏季易泛油、冬季易裂縫的問題，提高了瀝青路面性能及使用壽命，降低了瀝青路面養(yǎng)護(hù)成本，非常適用于甘肅省河西荒漠地區(qū)氣候條件下瀝青路面碎石封層，有很好的應(yīng)用前景。