大摻量脫硫膠粉改性瀝青性能分析

尹業(yè)豪 楊明

作者簡介：尹業(yè)豪（1989—），碩士，工程師，研究方向：道路材料。

文章介紹了35%摻量的脫硫膠粉改性瀝青的制備方法，并通過熱儲存試驗、離析試驗、老化試驗、DSR試驗等探究脫硫膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青的性能差異，探討大摻量脫硫橡膠瀝青在路面工程中的應(yīng)用前景。與SBS改性瀝青相比，35%脫硫膠粉改性瀝青的離析軟化點為1.3 ℃、針入度殘留比為93.4%、延度殘留比為81.7%，在老化耐久性、離析性、熱儲存穩(wěn)定性等方面更優(yōu)越。流變試驗表明，35%脫硫膠粉改性瀝青具有更高的復(fù)數(shù)剪切模量和更小的相位角，高溫穩(wěn)定性較好。這些研究結(jié)果可為大摻量脫硫膠粉改性瀝青性能評估提供參考。

脫硫膠粉改性瀝青；老化耐久性能；離析性能；流變性能

U414.1A170613

0?引言

隨著社會對道路交通的需求不斷提高，行車舒適的瀝青路面已經(jīng)成為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分［1］。然而，傳統(tǒng)的瀝青路面存在許多問題，如高溫車轍、低溫開裂、疲勞損壞等，這些問題嚴(yán)重影響了路面的使用性能和壽命。為了提高瀝青路面的性能，許多研究者將目光投向了新型的脫硫膠粉改性瀝青［2-3］。

脫硫膠粉改性瀝青是將通過脫硫工藝制得的橡膠粉融入瀝青中形成的一種新型材料。與傳統(tǒng)的瀝青相比，脫硫膠粉改性瀝青具有更好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能，因此被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的道路建筑材料［4-5］。然而，盡管脫硫橡膠瀝青具有諸多優(yōu)點，但對于其高低溫性能的研究仍存在一定的不足。針對這一問題，當(dāng)前相關(guān)研究主要集中在探索膠粉的改性方法以及優(yōu)化其摻量對瀝青性能的影響。其中，脫硫膠粉的制備過程是通過特殊工藝（如高溫、拉伸等）打斷膠粉中的部分化學(xué)鍵，從而生成短分子鏈的脫硫膠粉［6］。這種制備方法可以提高膠粉的活性，使其與基質(zhì)瀝青中的分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成更穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。同時，研究者們也發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加膠粉的摻量可以進(jìn)一步提高脫硫橡膠瀝青的性能。然而，過高的膠粉摻量會導(dǎo)致瀝青的流動性降低，產(chǎn)生離析等問題。因此，如何找到合適的膠粉摻量，是提高脫硫橡膠瀝青性能的關(guān)鍵［7］。

本文將研究大摻量脫硫橡膠瀝青的各項基礎(chǔ)性能與流變性能。通過熱儲存試驗、離析試驗、老化試驗、DSR試驗等探究脫硫膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青的性能差異，綜合分析脫硫膠粉改性瀝青的高溫性能、低溫性能及抗老化性能表現(xiàn)，為大摻量脫硫膠粉改性瀝青的制備與推廣提供借鑒。

1?材料與試驗方法

1.1?原材料性能分析

1.1.1?基質(zhì)瀝青

本研究采用了廣西地區(qū)生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，其具體指標(biāo)如表1所示。

1.1.2?膠粉

本研究采用的橡膠粉是由汽車子午胎經(jīng)過粉碎篩分等工藝制成的。整個制備過程在常溫下進(jìn)行，且只涉及物理處理，沒有涉及化學(xué)反應(yīng)。本試驗中使用的橡膠粉顆粒為40目，其檢測結(jié)果如下頁表2所示。

脫硫膠粉的生產(chǎn)工藝流程如下：

（1）根據(jù)配方比例，將橡膠粉和橡膠軟化劑等原料準(zhǔn)備好。

（2）將配好的橡膠粉顆粒投入脫硫罐中。

（3）將脫硫罐加熱至235 ℃，使橡膠粉在高溫狀態(tài)下發(fā)生裂解反應(yīng)。

（4）2 h后，待脫硫罐壓力降低，將裂解脫硫后的橡膠粉通過冷卻裝置排出進(jìn)行試驗。

1.2?大摻量脫硫膠粉改性瀝青配方及制備方法

經(jīng)過前期多次試驗后確定了最終35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的制備配比。配方中各組分的摻量如表3所示。

制備方法為：基質(zhì)瀝青加熱到180 ℃后，投入脫硫膠粉和SBS助劑，攪拌30 min后剪切10 min，之后加入穩(wěn)定劑，繼續(xù)攪拌80 min后完成制備。整個制備過程溫度控制在175 ℃～185 ℃。

2?大摻量脫硫膠粉改性瀝青性能分析

2.1?熱儲存穩(wěn)定性性能分析

膠粉改性瀝青在推廣方面面臨的一大挑戰(zhàn)是膠粉與基質(zhì)瀝青之間的相容性問題。由于其相容性不佳，運輸和儲存過程中容易出現(xiàn)指標(biāo)變化，因此研究脫硫膠粉改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性具有重要意義。將SBS改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青置于163 ℃烘箱中保存8 h、16 h、32 h和64 h，然后進(jìn)行三大指標(biāo)試驗，通過試驗數(shù)據(jù)來評估改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表4的試驗結(jié)果，SBS改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青在不同時間段內(nèi)的性能表現(xiàn)有明顯差異。首先，軟化點方面，SBS改性瀝青初始軟化點較高，為73.4 ℃，而脫硫橡膠改性瀝青的軟化點則更高，為75.1 ℃，表明脫硫橡膠改性瀝青具有更好的高溫性能。然后，隨著時間的推移，SBS改性瀝青的軟化點變化較小，＞32 h后，軟化點有相對較大的降幅，而脫硫橡膠改性瀝青的軟化點雖逐漸下降，但最終降幅小于SBS改性瀝青，說明脫硫橡膠改性瀝青的高溫儲存性能略好。

SBS改性瀝青的初始針入度較高，表明其抗變形性能較差，而脫硫橡膠改性瀝青的初始針入度較低，表明其更耐高溫變形。在64 h后，SBS改性瀝青的針入度明顯上升，而脫硫橡膠改性瀝青的針入度穩(wěn)步上升但仍小于SBS改性瀝青，表現(xiàn)出更好的耐老化性能。SBS改性瀝青的初始延度較高，表明其韌性較好，而脫硫橡膠改性瀝青的初始延度較低，但隨時間增加，SBS改性瀝青的延度逐漸下降，而脫硫橡膠改性瀝青的延度逐漸增加，尤其在64 h后，兩者的延度差距減小。這意味著脫硫橡膠改性瀝青具有更好的耐老化性能，可以在長期使用中維持較好的延度性能。

2.2?離析現(xiàn)象分析

軟化點差是評估不同類型瀝青性能的重要參數(shù)之一。對3種瀝青進(jìn)行163 ℃的離析軟化點差試驗，試驗結(jié)果見圖1。基質(zhì)瀝青內(nèi)部組成相對單一穩(wěn)定，在軟化點差方面表現(xiàn)穩(wěn)定，而SBS改性瀝青和35%摻量脫硫膠粉改性瀝青均摻入了外在的改性物質(zhì)，導(dǎo)致離析程度均大于基質(zhì)瀝青。然而，脫硫膠粉改性瀝青的離析程度要低于SBS改性瀝青。這種差異的主要原因是，SBS改性瀝青是通過物理共混SBS與瀝青，而在持續(xù)高溫環(huán)境下，部分SBS顆粒會攜帶基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分沉淀到底部，導(dǎo)致SBS改性瀝青上下部含有的SBS顆粒不均勻，這在指標(biāo)上顯示為軟化點差較大。

脫硫膠粉改性瀝青也會產(chǎn)生沉淀效應(yīng)，因為在制作過程中加入了少量SBS，這導(dǎo)致改性瀝青有輕微沉淀。此外，還有一部分膠粉顆粒未與基質(zhì)瀝青完全共融溶脹或未發(fā)生降解反應(yīng)，導(dǎo)致脫硫膠粉改性瀝青出現(xiàn)沉淀離析。然而，在制備脫硫膠粉改性瀝青時加入的SBS相對較少，且加入了穩(wěn)定劑，這提高了脫硫膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。因此，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的軟化點差僅為SBS改性瀝青的43.3%。

2.3?老化耐久性分析

在氧氣和高溫的作用下，瀝青內(nèi)部的輕質(zhì)油分比例會減少，導(dǎo)致瀝青的性能發(fā)生變化，這就是瀝青的老化。本文研究了3種瀝青老化前后的針入度、延度、軟化點的變化，具體結(jié)果見表5。對于基質(zhì)瀝青，老化前針入度為68，老化后降至45，針入度殘留比為66.2%，表明老化后仍保持較高的針入度，表現(xiàn)出一定的耐老化性能。對于SBS改性瀝青，老化前針入度為53.3，老化后下降至38.4。針入度殘留比為72.0%，比基質(zhì)瀝青的殘留針入度比高。對于脫硫膠粉改性瀝青，老化前針入度為44.1，老化后變?yōu)?1.2，針入度殘留比為93.4%，耐老化性能較為出色。

對于老化前后的延度指標(biāo)，SBS改性瀝青老化后衰減至16.8 cm，延度殘留比僅為52.7%，表明老化作用對其影響很大。脫硫膠粉改性瀝青老化后僅減小了2.8 cm，延度殘留比為81.7%，表明老化后延度性能保持得非常好。

軟化點增量的大小反映了瀝青老化前后高溫穩(wěn)定性的好壞?；|(zhì)瀝青老化前后的軟化點增量為4.7 ℃，是3種瀝青中最大的。而脫硫膠粉改性瀝青老化前后的軟化點增量僅為2.2 ℃，是3種瀝青中最小的，表明其具備較好的抗老化性能。

2.4?高溫流變性能分析

本試驗通過測定3種瀝青的動態(tài)剪切流變性能來評估其抵抗車轍的能力，并采用復(fù)數(shù)剪切模量（G*）和相位角（δ）來描述膠改瀝青的黏性和彈性性質(zhì)。試驗設(shè)定了6個溫度條件：88 ℃、82 ℃、76 ℃、70 ℃、64 ℃和58 ℃進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗。通過這些測試，可以進(jìn)一步了解在不同溫度下3種瀝青的動態(tài)剪切性能，從而評估其在抵抗車轍方面的性能。

2.4.1?復(fù)數(shù)剪切模量

復(fù)數(shù)剪切模量（G*）是用于評估改性瀝青抵抗變形能力的重要指標(biāo)。根據(jù)圖2的試驗數(shù)據(jù)，隨著試驗溫度的升高，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的G*都呈下降趨勢。這種現(xiàn)象主要由于在高溫下，這3種瀝青類型都表現(xiàn)出較高的流動性和較低的黏性，從而減弱了其抵抗剪切應(yīng)力的能力。

需要特別注意的是，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在各個溫度下都展現(xiàn)出比SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青更出色的抗剪切性能。舉例來說，在58 ℃溫度下，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的G*值是SBS改性瀝青的1.20倍，是基質(zhì)瀝青的3.34倍；而隨著溫度升高，這種差距進(jìn)一步擴大。在70 ℃時，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的G*值是SBS改性瀝青的1.55倍，是基質(zhì)瀝青的6.15倍。這清楚地表明，在相同溫度條件下，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在抗剪切方面具有顯著的優(yōu)勢，表現(xiàn)了35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在高溫條件下具有卓越的抗變形性能。

2.4.2?相位角

相位角δ是用來評估瀝青內(nèi)部摩擦力和對剪切作用的抵抗能力的重要參數(shù)。根據(jù)圖3中的試驗結(jié)果，隨著溫度的上升，3種瀝青的相位角δ逐漸增大。這表明隨著溫度升高，瀝青中的黏性成分相對增多，而彈性成分減少，導(dǎo)致瀝青由原本的粘彈性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉餍浴?/p>

值得注意的是，在比較兩種改性瀝青的相位角δ時，可以看到其變化幅度相對較小。從58 ℃到88 ℃，脫硫膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的相位角變化都不大，分別增加了0.93和1.17。這表明這兩種改性瀝青在抵抗變形方面都有所提高，且提高幅度相近。此外，在相同溫度下，基質(zhì)瀝青的相位角δ最大，SBS改性瀝青次之，而35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的相位角δ最小。這進(jìn)一步證實了在這3種改性瀝青中，黏性成分比例最高的是基質(zhì)瀝青，最低的是35%摻量脫硫膠粉改性瀝青。這一結(jié)

果強化了35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在高溫下具有更強的抵抗變形的性能。隨著溫度升高，3種瀝青的相位角δ逐漸增大，而35%摻量脫硫膠粉改性瀝青表現(xiàn)出最小的增加量。這進(jìn)一步驗證了35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在高溫下具有更好的抵抗變形的性能，對于改性瀝青材料的研究和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

3?結(jié)語

通過對大摻量脫硫膠粉改性瀝青各項指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)試驗，得到以下結(jié)論：

（1）與SBS改性瀝青相比，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青具有更高的軟化點，更小的存儲性能變化，具有較好的高溫儲存穩(wěn)定性。

（2）由于膠粉的活性增加，使得脫硫膠粉改性瀝青的離析只有1.3 ℃。這表明其耐儲存離析情況良好。

（3）3種瀝青老化后的性能數(shù)據(jù)顯示，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青最接近老化前的性能，而其他兩種瀝青在老化后都受到了一定程度的影響，其中基質(zhì)瀝青受影響更大。這表明35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的抗老化性能更加優(yōu)良。

（4）35%摻量脫硫膠粉改性瀝青具有更高的復(fù)數(shù)剪切模量和更小的相位角，在高溫流變試驗中表現(xiàn)出良好的性能。

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