SBS/膠粉復合改性新疆調和瀝青性能探討

孫澤強，舒 誠，宋 亮，王朝輝

(1.新疆交通投資有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

隨著新疆被確定為“一帶一路”經濟帶核心區與第一批交通強國建設試點，其交通基礎設施建設規模日益增長[1]。當前新疆公路瀝青混凝土路面所用的SBS改性瀝青主要依靠內地供應，本地瀝青與SBS等改性劑存在相容性較差、難改性問題。而采用內地瀝青進行工程建設不僅運距遠、造價高，也不利于有效利用當地資源。因此，解決新疆瀝青改性技術難題，對于改善新疆地區路面使用品質、降低工程建設成本具有重要作用。

為解決新疆瀝青改性難題，眾多學者從不同方面開展了相關研究。王曉倩等[2]采用膠粉復配維他連接劑、多聚磷酸、硫化交聯體系等對克拉瑪依瀝青進行了改性，指出瀝青芳香度較高時可達到良好的改性效果；云慶慶等[3]對比了不同目數廢膠粉對克拉瑪依瀝青的改性效果，結果表明不同目數膠粉復合SBR可在一定程度上提高改性瀝青的熱儲存穩定性；柴志杰[4]采用不同SBS改性劑、穩定劑和相容劑對塔河瀝青進行改性，發現相容劑的芳烴含量、芳烴結構會對改性瀝青的儲存穩定性產生顯著影響；韓森等[5]應用不同類型SBS對克拉瑪依瀝青進行改性，結果發現各類SBS均難以對其改性，摻入相容劑調整瀝青組分后得到顯著改善。楊凱等[6]指出克拉瑪依瀝青低瀝青質與低芳香分的特點是導致其難改性的因素之一；彭煜等[7]從瀝青元素組成、紅外光譜、族組成、相對分子質量等方面研究了SBS與克拉瑪依瀝青的配伍性，結果表明芳香分和瀝青質含量較少是其與SBS改性劑相容性較差的重要因素之一。當前學者們采用膠粉改性新疆瀝青已取得一定成果，但采用單一SBS改性新疆瀝青時，性能依舊難以滿足建設需要，瀝青組分缺陷是其改性難題的一大原因。

基于此，本文將新疆克拉瑪依瀝青與塔河瀝青進行調和，改善其成分組成，同時考慮SBS與膠粉復合時高、低溫性能的互補，采用SBS、膠粉復配改性調和瀝青，并對其性能進行探討，以期為攻克新疆瀝青改性難題奠定基礎。

1 新疆調和瀝青及復合改性瀝青制備

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

選用產自新疆的克拉瑪依90#(簡稱KL)與塔河60#(簡稱TH)基質瀝青進行試驗，基質瀝青的基本性能指標如表1所示。

表1 基質瀝青基本性能指標

1.1.2 改性劑及助劑

SBS原料采用中石油獨山子石化產線型SBS，牌號T6302H，嵌段比30/70；廢胎膠粉采用20～30目脫硫膠粉，由子午線輪胎采用常溫粉碎法制成；穩定劑為含硫復合物，有效成分含量大于95%；相容劑采用芳烴油，具體為糠醛抽出油。

1.2 瀝青調和比例

瀝青組分中的飽和分與芳香分會顯著影響改性劑的溶脹程度；瀝青質在影響瀝青感溫性的同時，也會影響改性劑與瀝青之間的相容性[8-10]。新疆克拉瑪依瀝青與塔河瀝青在組分上均存在一定缺陷。研究表明SK系列瀝青與SBS等多種摻劑改性效果較好[11-12]，高芳香烴、低瀝青質的瀝青與橡膠類改性劑具有良好的相容性[13-15]。為改善新疆瀝青與SBS、膠粉之間的相容性，參照SK-70、SK-90及與橡膠類改性劑相容性良好的組分對其進行調和，部分調和瀝青采用芳烴油對輕質組分進行調節，具體配比如表2所示。

表2 瀝青組分與調和比例

1.3 復合改性瀝青的制備

1.3.1 芳烴油作為助劑摻入

瀝青調和：將克拉瑪依90#瀝青與塔河60#瀝青在135 ℃條件下加熱至流淌，取出瀝青；按比例加入2種瀝青，一邊加熱一邊攪拌，至150 ℃±5 ℃；在1 000～1 500 r·min-1轉速下將達到設定溫度的瀝青攪拌60 min，靜置30 min，消泡后得到調和瀝青。

瀝青改性：迅速使調和瀝青升溫至170 ℃，加入6%芳烴油、15%膠粉與3%SBS，以轉速1 000 r·min-1攪拌15～20 min至無明顯顆粒；將溫度升高到185 ℃，以轉速4 500 r·min-1剪切40 min，加入0.4%穩定劑繼續剪切5 min；將剪切完畢的復合改性瀝青置于150 ℃～160 ℃烘箱，溶脹發育1.0～1.5 h。

1.3.2 芳烴油作為調和組分摻入

瀝青調和：將克拉瑪依90#瀝青與塔河60#瀝青在135 ℃條件下加熱至流淌，取出瀝青；按比例加入瀝青與芳烴油，一邊加熱一邊攪拌，至150 ℃±5 ℃；將達到設定溫度的瀝青在1 000～1 500 r·min-1轉速下攪拌60 min，靜置30 min，消泡后得到調和瀝青。

瀝青改性：迅速使調和瀝青升溫至170 ℃，加入15%膠粉與3%SBS，以轉速1 000 r·min-1攪拌15～20 min至無明顯顆粒；將溫度升高到185 ℃，以轉速4 500 r·min-1剪切40 min，加入0.4%穩定劑繼續剪切5 min；將剪切完畢的復合改性瀝青置于150 ℃～160 ℃烘箱，溶脹發育1.0～1.5 h。

2 新疆調和瀝青性能

為分析克拉瑪依瀝青與塔河瀝青的調和狀況，對芳烴油作助劑時得到的調和瀝青性能進行測試，并與基質瀝青對比，結果見表3。

表3 調和瀝青基本性能指標

由表3可知，KL∶TH=4∶1時，調和瀝青的性能與90#瀝青較為接近，其軟化點相比KLMY90得到小幅度提升，但低溫延度明顯降低；當KL∶TH=2∶3時，高溫性能與KLMY90相比已得到較大幅度改善，表現出KLMY90與TH60性能互補的趨勢，瀝青針入度指數升高，對新疆寒冷地區具備適應性；當KL∶TH=2∶5時，瀝青性能接近70#瀝青，但低溫性能較差，瀝青稠度較大。當KL∶TH=2∶5時，調和瀝青具有最低的溫度敏感性，其針入度指數為0.8，而當KL∶TH =4∶1時，調和瀝青對溫度變化最為敏感，對寒冷地區的適應性較差。

綜上可知，3種調和瀝青在性能上均表現出KLMY90與TH60性能互補的趨勢，但性能偏向于調和占比較大的基質瀝青。當KL∶TH=2∶3時，調和瀝青兼具高、低溫性能優勢，同時其溫度敏感性相對較低，更符合新疆地區氣候要求。

3 復合改性新疆調和瀝青的性能

3.1 芳烴油作助劑的復合改性瀝青性能

對芳烴油作助劑時制備的調和瀝青進行復合改性試驗，結果見表4，瀝青性能相關參考規范見表5。

由表4可知，調和瀝青經SBS、膠粉改性后高、低溫性能普遍得到提高，但提升幅度存在差異。其中以2∶3、2∶5比例改性后針入度分別降低15.2、7.6(0.1 mm)，以4∶1比例改性后針入度反而升高；3組調和瀝青改性后軟化點均有提升，2∶3、2∶5比例下提升幅度顯著，增幅高達59.8%～64.6%，而以4∶1比例改性后軟化點提升幅度較低，僅9.4%；對于低溫延度，三者增幅分別為221%、84%、166%，2∶3比例下增幅最高，其延度值可達270 mm；對于彈性恢復，2∶3、2∶5比例均能滿足表5中膠粉相關規范的要求，而4∶1比例表現不佳。值得注意的是，對2∶5比例復合改性瀝青進行離析試驗中，上下部瀝青均發生了凝膠現象，結合調和瀝青組分與基本性能推測，可能是其瀝青質含量較高、稠度較大所致。

表4 復合改性調和瀝青基本性能試驗結果(芳烴油作助劑)

表5 復合改性調和瀝青性能參考規范

在3組調和比例下，改性劑對2∶3與2∶5比例調和瀝青的性能改善效果最為顯著，而4∶1比例與改性劑配伍性較差，難以大幅提升性能。造成上述差異的原因可能是KLMY90占比較大時瀝青稠度較低，其瀝青質組分較少，難以對改性劑起到“骨架”支撐的作用[16-17]。隨著TH60比例增加，瀝青質組分增多，改性劑能較為均勻地分散在瀝青中，但過高瀝青質含量易導致凝膠現象，應選取適當配比，使瀝青組分處于平衡狀態。

3.2 芳烴油作調和組分的復合改性瀝青性能

對芳烴油作調和組分制備的復合改性瀝青進行性能測試，結果見表6。

表6 復合改性調和瀝青基本性能試驗結果(芳烴油作調和組分)

膠體指數Ic為瀝青質、飽和分之和與芳香分、膠質之和的比值，可被用來評價改性瀝青的相容性。通常基質瀝青的Ic較低時，改性劑在其中具有較好的分散性[18-20]。幾種調和瀝青的Ic值從大到小排列為1∶2∶0.28調和瀝青>1∶2.5∶0.75調和瀝青>1∶6∶2調和瀝青>1∶3.5∶3調和瀝青。隨著Ic值減小，各調和瀝青制備的復合改性瀝青針入度增大，其中1∶3.5∶3調和瀝青最高，而1∶2∶0.28調和瀝青最低，分別為225.0、64.7(0.1 mm)；彈性恢復性能隨著Ic值的減小而提高，從1∶2∶0.28比例下的81.0%增長至1∶3.5∶3比例下的96.0%。軟化點、延度則與Ic值相關性不大，對于軟化點，1∶6∶2比例下最高，可達90 ℃，而1∶3.5∶3最低，僅73.4 ℃；對于低溫延度，1∶2.5∶0.75調和瀝青最大，為640 mm，而1∶2∶0.28調和瀝青最小，僅368 mm。對于儲存穩定性，各調和瀝青外觀上均發生顯著離析，而部分瀝青軟化點差較小，這可能是由于膠粉下沉、SBS上浮所致。

綜上所述，將芳烴油作為調和組分制備的復合改性瀝青性能缺陷明顯，無法兼具高、低溫性能優勢。此外，復合改性調和瀝青離析問題依舊顯著，應進一步針對新疆瀝青的特點優選助劑，以改善其儲存穩定性。

4 結 語

(1)將克拉瑪依瀝青與塔河瀝青調和，使新疆基質瀝青組分得到改善，從而制備出適用于瀝青改性的新疆調和瀝青，其中KLMY90∶TH60=2∶3時調和瀝青兼具高、低溫性能，溫度敏感性相對較低，更符合新疆地區氣候要求。

(2)當芳烴油作助劑時，SBS/膠粉復合改性調和瀝青的性能得到顯著提高，其中改性劑對2∶3調和瀝青的性能改善效果最為顯著，復合瀝青的軟化點和5 ℃延度分別可達82.3 ℃、270 mm，而4∶1比例調和瀝青與改性劑配伍性較低，軟化點僅為52.2 ℃；當芳烴油作調和組分時，制備的SBS/膠粉復合改性調和瀝青性能得到一定改善，但瀝青離析較為嚴重，綜合性能不如芳烴油作助劑時制備的復合改性瀝青。

(3)瀝青調和與復合改性的方法可使新疆瀝青高低溫性能提高，為攻克改性難題奠定了基礎，但試驗發現復合改性瀝青離析缺陷依舊突顯，后續應針對新疆瀝青改性特點優選助劑，對儲存穩定性做深入研究。