高粘復合改性橡膠瀝青技術性能的影響因素分析★

劉 俊 高繼明 馬慶偉

(1.葛洲壩集團交通投資有限公司，陜西 西安 710077； 2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

大量工程實踐均表明橡膠瀝青可有效降低工程成本，但目前橡膠瀝青中廢舊膠粉摻量較高約20%[1]，這就造成普通橡膠瀝青存在粘度大、施工和易性差、易離析等缺陷[2,3]，橡膠瀝青雖成本較低，極大地限制了應用范圍。

近年來，利用SBS改性劑和膠粉對瀝青性能的不同改性作用[4]，充分發揮各自的優勢，得到的SBS/橡膠復合改性瀝青能具有更好的綜合性能[5]。復合改性橡膠瀝青中SBS的摻量較小，這也降低了成本。另外SBS改性劑的加入也可以在保證改性效果的基礎上減少橡膠粉的用量，降低改性瀝青的粘度，方便施工，同時降低瀝青的用量[6]。

本文采用螺桿擠出工藝制備脫硫膠粉，將SBS與脫硫膠粉共混剪切得到高粘復合改性橡膠瀝青，研究添加劑、不同脫硫膠粉、膠粉類型等對高粘復合改性橡膠瀝青的性能影響，確定高粘復合改性橡膠瀝青的配比方案，為高粘復合改性橡膠瀝青進一步推廣應用提供參考和依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗采用陜西地區較為常用的韓國雙龍70號瀝青，其技術指標見表1[10]。

表1 韓國雙龍70號基質瀝青性能

膠粉為江陰產40目輪胎橡膠粉；脫硫劑為420型脫硫劑；SBS改性劑采用中石油獨山子公司的6302L線型改性劑。

1.2 試樣制備方法

熱機械—化學復合脫硫膠粉制備方法：采用德國Berstorff GmbH雙螺桿擠出機[7]，將石油樹脂(10%質量百分比)、420型脫硫劑(0.3%質量百分比)與硫化膠粉均勻混合，于120 ℃下反應72 h，隨后在280 ℃轉速100 rpm螺桿擠出機中進行脫硫。

高粘復合改性橡膠瀝青制備方法：基質瀝青升溫到180 ℃左右，將稱好的脫硫膠粉加入到基質瀝青中，以4 000 rpm 的轉速下剪切分散約0.5 h，再加入SBS剪切30 min，最后摻入一定比例的硫磺粉剪切攪拌15 min。

2 不同脫硫膠粉對高粘復合改性橡膠瀝青性能的影響分析

通過膠粉的溶膠含量與高粘復合改性橡膠瀝青的常規性能研究不同脫硫膠粉對高粘復合改性橡膠瀝青性能的影響，選用了兩種脫硫膠粉，A為未添加脫硫劑的脫硫膠粉，B為添加脫硫劑的脫硫膠粉。

2.1 溶膠—凝膠含量

經索氏抽提后兩種脫硫膠粉的溶膠—凝膠含量見表2。

表2 脫硫膠粉溶膠—凝膠含量 %

由表2可知：1)與硫化膠粉相比，脫硫膠粉A的溶膠含量增大了近2倍，在螺桿擠出過程中，廢舊橡膠粉中的硫化鍵由于剪切力和熱力的作用發生降解，實現了廢橡膠粉的脫硫。2)對比兩種脫硫膠粉可知，脫硫劑的加入可有效增加橡膠粉的溶膠含量，脫硫膠粉B較脫硫膠粉A溶膠含量提高約9.7%，有利于改善膠粉的性能。

2.2 常規性能對比

不同膠粉類型下的高粘復合改性橡膠瀝青性能見表3。

表3 高粘復合改性橡膠瀝青常規性能

由表3可知：1)對比方案1和方案2，改性瀝青軟化點降低了5 ℃、彈性恢復提高了6%。此外，175 ℃粘度從3.68 Pa·s降到1.5 Pa·s以下，降低約59.23%。主要原因為橡膠粉經脫硫工藝后，交聯結構被打斷，分布成小分子結構，與瀝青的相容性得到提高，脫硫膠粉的粘性部分增加，彈性部分降低。2)對比方案2和方案3，脫硫劑對脫硫膠粉改性瀝青性能影響較為明顯，對比分析可見摻加脫硫膠粉B更適于制備高粘復合改性橡膠瀝青。

2.3 微觀結構

不同高粘復合改性橡膠瀝青微觀結構如圖1所示[8，9]。

由圖1可知：1)普通橡膠瀝青中，橡膠顆粒分布較為雜亂，殘留顆粒尺寸較大，一般大于50 μm。說明普通橡膠粉在制備過程中主要發生物理溶脹作用，高速剪切對其外觀尺寸作用不明顯。2)摻加脫硫膠粉的高粘復合改性橡膠瀝青經短時間剪切后膠粉即可均勻分散，且摻加脫硫劑B的高粘復合改性橡膠瀝青中橡膠粉分布更均勻，顆粒殘留尺寸更小。因此，進一步表明摻加脫硫膠粉B更適于制備高粘復合改性橡膠瀝青。

3 膠粉類型對高粘復合改性橡膠瀝青的性能影響分析

3.1 不同改性劑組合方案

轎車輪胎橡膠粉通過螺桿擠出的脫硫膠粉為CR240，CR260，CR280，溶膠含量分別為31.6%，33.1%和35.3%；卡車輪胎橡膠粉280 ℃下的降解產品為TR280，溶膠含量為38.3%。未脫硫的卡車胎原膠粉簡稱為TR0。

不同高粘復合改性橡膠瀝青的摻配方案如表4所示。不同高粘復合改性橡膠瀝青的性能如表5所示。

表4 不同高粘復合改性橡膠瀝青的配比

表5 不同高粘復合改性橡膠瀝青的性能

3.2 膠粉脫硫程度對高粘復合改性橡膠瀝青的影響

由表5中試驗結果可知：1)脫硫膠粉改性瀝青性能指標變化趨勢較為明顯：彈性恢復明顯增大；隨著脫硫膠粉擠出溫度的升高，所制備的脫硫膠粉改性瀝青針入度呈增大趨勢；軟化點也呈上升趨勢；老化前后延度指標與針入度相似，均隨著脫硫膠粉擠出溫度的升高而增大。2)對比6號～8號試驗結果，改性瀝青延度均比其余試驗組增大，且RTFOT老化后的延度明顯優于原改性瀝青，說明卡車輪胎制備的脫硫膠粉提高了改性瀝青的耐老化性能。3)加入未脫硫膠粉雖提高了改性瀝青的軟化點，但是其會降低改性瀝青老化前后的低溫延度，且其粘度明顯增大，不利于施工。

3.3 膠粉種類對高粘復合改性橡膠瀝青的影響

對比表5中不同膠粉對改性瀝青性能的影響可見，CR280與TR280對改性瀝青的針入度、軟化點、粘度和彈性恢復等指標影響趨勢類似；加入CR280廢膠粉使改性瀝青老化前后的低溫延度有所降低，這主要是由于轎車輪胎橡膠粉中的合成膠較難降解，溶膠含量低，膠粉殘留顆粒尺寸過大，低溫延度是容易產生應力集中，導致其測量指標有所降低。因此，提高廢舊橡膠粉的脫硫程度和溶膠含量，可以有效改善脫硫膠粉改性瀝青的低溫性能。

3.4 膠粉含量對高粘復合改性橡膠瀝青的影響

將脫硫膠粉與SBS復合，不但提高了改性瀝青的性能，還能降低成本。表5中6號～8號試驗結果表明隨著TR280含量的增加，高粘復合改性橡膠瀝青的針入度逐漸降低、軟化點逐漸增大。TR280使瀝青的低溫延度增大，特別是老化后低溫延度有明顯提高；高粘復合改性橡膠瀝青的135 ℃運動粘度隨TR280含量的增加而增大。

4 高粘復合改性橡膠瀝青的配方研究

擬定高粘復合改性橡膠瀝青的配方，如表6所示。

表6 高粘復合改性橡膠瀝青的不同摻配方案

不同摻配比例下高粘復合改性橡膠瀝青的性能見表7。

相比于SBS改性瀝青，A，B方案的軟化點分別增大了2.7%，5.5%，老化前延度則分別變化了-1.5%，2.1%，175 ℃粘度則分別增大了7.5%，17.9%，從表7中數據可進一步看出B組(2%SBS+30%膠粉)瀝青的高低溫性能、粘度、儲存穩定性等均優于SBS改性瀝青，而A組(2%SBS+15%膠粉)瀝青性能與SBS改性瀝青相當。同理，可得C，D，E，F方案3%SBS+膠粉的4組瀝青的高低溫性能、粘度及儲存穩定性等均優于SBS改性瀝青。

相較于高粘瀝青，G,H方案的軟化點分別增大了4.6%,6.3%，延度分別增大了36.5%，46.1%，175 ℃粘度則分別降低了10.2%，5.5%，而三者的60 ℃粘度則相差不大，可見4%SBS+20%膠粉復配的高粘復合改性橡膠瀝青的綜合性能與高粘瀝青大致相當。

表7 不同高粘復合改性橡膠瀝青的性能

5 高粘復合改性橡膠瀝青的技術要求

根據高粘復合改性橡膠瀝青的配方研究，綜合分析可得到適用不同級配的三種配方：2%SBS+15%膠粉配方可適用于連續級配(AC類)，3%SBS+15%膠粉配方可適用于間斷級配(SMA類)，4%SBS+20%膠粉配方可適用于排水性瀝青路面中。根據表7中不同高粘復合改性橡膠瀝青的技術指標試驗結果，按照95%的保證率取整得到適用于不同級配的高粘復合改性橡膠瀝青技術要求。三種高粘復合改性橡膠瀝青的技術標準如表8所示。

表8 適用于不同級配的高粘復合改性橡膠瀝青技術要求

6 結論

通過對比不同高粘復合改性橡膠瀝青的性能，研究了石油樹脂、脫硫劑、脫硫膠粉含量等對瀝青性能的影響，確定了高粘復合改性橡膠瀝青的配方，得到以下結論：

1)摻加不同脫硫膠粉的高粘復合改性橡膠瀝青的性能試驗及微觀結構試驗結果表明，與硫化膠粉相比，摻加脫硫膠粉后的高粘復合改性橡膠瀝青的粘度顯著降低，且其延度和彈性恢復顯著提高，其中摻加脫硫膠粉B(添加脫硫劑的脫硫膠粉)的瀝青，其性能改善更加明顯，且其微觀形態更加均勻，因此，摻加脫硫膠粉B(添加脫硫劑的脫硫膠粉)更適于制備高粘復合改性橡膠瀝青。

2)相較于轎車輪胎橡膠粉CR280，加入卡車輪胎橡膠粉TR280的高粘復合改性橡膠瀝青的軟化點、延度、粘度及彈性恢復等性能更優，可見卡車輪胎橡膠粉TR280更適用于制備脫硫膠粉。

3)提出適用于不同級配類型的高粘復合改性橡膠瀝青的技術指標要求。其中，2%SBS+15%膠粉配方可用于AC類連續級配，3%SBS+15%膠粉配方可用于SMA類間斷級配，4%SBS+20%膠粉配方可用于OGFC類開級配。