煤—石油基混合瀝青的SBS/CR 復合改性技術研究

楊麗麗 嚴 圓

（云南省公路科學技術研究院， 云南 昆明 650000）

近年來，我國公路事業發展迅速，路面承受的交通荷載日益增大，對道路瀝青的質量提出了更高的要求，研究開發改性瀝青是重要的發展方向。SBS 改性瀝青性能優良但是價格較高，橡膠瀝青環保而且成本低，但是性能不穩定。煤瀝青與石油瀝青共混改性制成的煤一石油基混合瀝青（簡稱混合瀝青） 抗變形性能強、抗磨性高、粗糙性好、能增加行車安全[1]，但塑性變形能力與低溫抗裂性較差，經長時間儲存或運輸后也易出現離析的現象。由此可以看出，單一改性劑的改性瀝青已逐漸不能滿足路面使用性能與國家可持續發展的要求。

本研究將SBS 與橡膠粉共同用于煤一石油基混合瀝青的復合改性，不僅可以彌補混合瀝青的固有缺陷，而且可以在改善混合瀝青路用性能的同時又能降低工程造價，大幅度提高廢舊材料在公路工程建設中的利用率，在創造經濟價值的同時，也能滿足中國當前公路工程可持續發展的需求[2]。

1 混合瀝青的SBS/CR 復合改性工藝研究

為進一步改善煤—石油基混合瀝青的路用性能與熱儲存穩定性，對制備的合瀝青進行SBS/橡膠粉復合改性，研究了改性工藝及改性劑摻量對復合改性瀝青性能的影響。

1.1 煤—石油基混合瀝青制備

基質瀝青（BA） 采用SK-70# 石油瀝青，針入度68（25℃/0.1mm），軟化點52.2℃，15℃延度大于100cm。煤瀝青（CTP） 采用云南煤化工集團有限公司中溫煤焦油瀝青。SBS改性劑采用湖南岳陽巴陵石化生產的線型SBS 1301（YH791型）。廢輪胎橡膠粉(CR) 采用云南廢舊輪胎橡膠粉商貿有限公司生產的60 目斜交胎膠粉。

將基質瀝青與中溫煤瀝青共混制備煤—石油基混合瀝青：首先，將基質瀝青與中溫煤瀝青分別加熱至160℃±5℃與130℃±5℃熔融狀態；其次，分別按中溫煤瀝青與基質瀝青質量比10∶90、15∶85、20：80 稱重后轉移至恒溫容器；最后，采用自主開發混合瀝青的高效剪切分散設備進行共混，調置共混加熱溫度為135℃，剪切轉速為3000r·min-1，高速剪切30min 制備得到混合瀝青[2]。

1.2 復合改性瀝青制備工藝

為研究SBS 與橡膠粉添加改性過程的系統性與遞進性[3]，以中溫煤瀝青摻量（20%，質量分數，內摻，下同）的煤—石油基混合瀝青為基準，按不同順序添加3%的SBS與15%的CR 進行改性，設計了3 個改性方案：

方案1：煤—石油基混合瀝青→CR 溶脹→CR 剪切分散→SBS 溶脹→SBS 剪切分散→發育；

方案2：煤—石油基混合瀝青→SBS 溶脹→SBS 剪切分散→CR 溶脹→CR 剪切分散→發育；

方案3：煤—石油基混合瀝青→CR+SBS 溶脹→CR+SBS剪切分散→發育；

由此制備的復合改性瀝青的基本性能如表1 所示。

試驗數據表明，由方案2 摻加順序制備的復合改性瀝青各項指標較為優異，其軟化點與彈性恢復指標明顯高于其它兩個方案。這說明：先進行的SBS 改性輕質組分溶脹并形成交聯結構，后加入橡膠粉可吸附多余的輕質組分發生溶脹，進一步增加瀝青體系的稠度；若先進行CR 改性，輕質組分不能完全溶脹后加入的SBS。結合前期試驗結果，確定煤—石油基混合瀝青的復合改性工藝為：

表1 改性劑摻加順序對復合改性瀝青性能的影響

第一步：煤瀝青摻配。將基質瀝青與中溫煤瀝青分別加熱至160℃±5℃與130℃±5℃熔融狀態后，按比例稱重后進行摻配，共混加熱溫度為130℃～140℃，剪切轉數為3000r·min-1，共混時間為30min；

第二步：SBS 改性。在煤—石油基混合瀝青中按比例加入SBS 后，在155℃±5℃條件下進行30min 的低速攪拌溶脹（200r?min-1），然后在165℃±5℃條件下進行15min 的高速剪切分散（6000r·min-1）；

第三部：CR 改性。在混合瀝青的SBS 改性后按比例加入橡膠粉，在165℃±5℃的條件下進行30min 的低速攪拌溶脹（200r·min-1），然后在175℃±5℃條件下進行15min 的高速剪切分散（6000r·min-1）；

第四部，復合改性瀝青發育。將制備的復合改性瀝青在155℃±5℃條件下進行60min～120 min 的低速攪拌發育（200r·min-1）。

1.3 改性劑摻加量確定

1） SBS 摻加量

以中溫煤瀝青摻加量20%的混合瀝青為基準，橡膠粉摻量為15%，SBS 摻量分別為2%、3%、4%，由此制備的復合改性瀝青的基本性能如表2 所示。

試驗數據表明，隨著SBS 摻量的增加，復合改性瀝青的針入度減小、軟化點與延度增加、彈性恢復先增大后減少，在SBS 摻量為3%時瀝青的綜合性能最好。

2） CR 摻加量

以中溫煤瀝青摻加量20%的混合瀝青為基準，固定SBS摻量為3%，橡膠粉摻量分別為10%、25%、20%，由此制備的復合改性瀝青基本性能如表3 所示。

試驗數據表明，隨著橡膠粉摻量的增加，復合改性瀝青針入度減小、軟化點與彈性恢復增加、延度先增大后減小但變化幅度較小，在CR 摻量為15%時瀝青的綜合性能最好。

表3 CR 摻量對復合改性瀝青性能的影響

3） CTP 摻加量

以SBS 摻量為3%、橡膠粉摻量為15%為基準，中溫煤瀝青摻量分別為10%、15%、20%，由此制備的復合改性瀝青的基本性能如表4 所示。

表4 CTP 摻量對復合改性瀝青性能的影響

試驗數據表明，隨著中溫煤瀝青摻量的增加，復合改性瀝青針入度下降、軟化點上升但變化幅度不大，延度和彈性恢復出現了明顯的下降。因此，綜合考慮復合改性瀝青各項路用性能及其經濟性，確定CTP 摻量為20% （記為CTP-20），SBS 摻量為3% （記為SBS-3），橡膠粉摻量為15%（CR-15）。

2 復合改性瀝青流特性研究

2.1 高溫抗變形能力

采用《動態剪切流變儀(DSR) 測量瀝青膠結料的流變性質標準試驗方法》中規定的方法獲得車轍因子G*/sinδ，試驗結果如表5 所示。

表5 混合瀝青車轍因子G*/sinδ 試驗結果

試驗數據表明：1） 中溫煤瀝青可以提高石油瀝青的高溫穩定性；2） SBS 改性可提高混合瀝青的高溫穩定性，CR改性可提高混合瀝青的車轍因子；3） 對混合瀝青進行SBS/CR 復合改性，可以大幅度提高其在高溫下抗永久變形能力，改性效果明顯優于SBS 與CR 單獨改性。

2.2 常溫抗疲勞能力

采用疲勞因子G*?sinδ 表征瀝青材料常溫時抗疲勞的性能，該指標為瀝青PAV 老化后的粘性分量，試驗結果如表6 所示。

表6 疲勞因子G*·sinδ 試驗結果

試驗數據表明：1） 在中溫條件下， TCP、SBS、CR 改性劑均能改善混合瀝青的抗疲勞能力；2） 抗疲勞性能表現最優的是復合改性瀝青，其次是CR 混合改性瀝青，再次是SBS 混合改性瀝青，最后是煤—石油基混合瀝青。

2.3 低溫抗裂能力

開展低溫彎曲流變試驗（BBR） 評價瀝青材料的低溫抗裂性能，采用《使用彎曲束流變儀測定瀝青粘結劑柔性蠕變硬度的試驗方法》中規定的方法，試驗結果如表7 所示。

表7 低溫彎曲流變試驗結果

試驗數據表明：1） 當基質瀝青與煤瀝青共混后，混合瀝青的蠕變勁度升高，松弛速率降低，說明混合瀝青的低溫性能發生下降；2） SBS 與CR 改性劑都能有效降低混合瀝青的勁度模量，提高其松弛速率，改善瀝青的低溫性能；3）復合改性后的煤—石油基復合改性瀝青的低溫勁度值小，松弛速率值大，低溫性能優于普通基質瀝青，說明復合改性瀝青低溫抗裂性最優。

綜合復合改性瀝青的DSR 與BBR 試驗結果可以發現，SBS/CR 復合改性可以同時改善煤—石油基混合瀝青的高、中、低溫性能，優于SBS 或CR 單獨改性。因此，在本研究原材料與試驗條件下綜合考慮各項路用性能及其經濟性，建議復合改性瀝青中基質瀝青、中溫煤瀝青、SBS、橡膠粉的質量比為65.96∶16.49∶2.55∶15。

3 復合改性瀝青熱儲存穩定性評價

為研究CTP/SBS/CR 復合改性瀝青在工廠化生產及長期儲存的過程中是否會出現離析的現象，通過動態剪切流變試驗，分別計算混合瀝青在5 個代表性儲存時間后的離析率Rs，考查混合瀝青離析后上下部流變性能的變化[6]，試驗結果如表8 所示。

表8 煤—石油基混合瀝青流變性能試驗結果

試驗結果表明，煤—石油基復合改性瀝青的Rs 均在±0.2 范圍之內，而混合瀝青的離析率超出此范圍，這說明經過SBS/CR 復合改性以后，瀝青膠結料的儲存穩定性得到了明顯的改善，在72h 的熱儲存后上下部無明顯的離析現象。

4 結語

1） 通過比較3 種不同的SBS 與橡膠粉的摻加順序發現，先進行SBS 改性時，SBS 可吸收混合瀝青中的輕質組分充分溶脹并形成交聯結構，后加入的橡膠粉則吸附多余的輕質組分發生溶脹，進一步增加瀝青體系的稠度，復合改性效果更優。

2） 對煤一石油基混合瀝青進行SBS/CR 復合改性，可以提高瀝青膠結料的車轍因子，降低疲勞因子，改善改善混合瀝青的高溫抗永久變形能力和常溫抗疲勞能力。從PG 分級的角度出發，SBS/CR 復合改性對于混合瀝青膠結料的PG 高溫等級和PG 中溫等級的提升明顯。

3） CTP/SBS/CR 復合改性瀝青的Rs 均在±0.2 范圍之內，瀝青膠結料的儲存穩定性得到了明顯的改善，在72h 的熱儲存后上下部無明顯的離析現象。