淺析膠粉/SBS復合改性瀝青現場濕法加工技術

摘? 要：本文開展了膠粉/SBS復合改性瀝青現場濕法加工技術研究，通過原材料選定、加工設備選擇、配比確定、加工工藝研究等環節，在施工現場成功配制生產出合格膠粉/SBS復合改性瀝青，該技術在項目的運用取得了良好的施工效果，為相關施工提供了參考。

關鍵詞：膠粉/SBS;復合改性;長途運輸;離析;現場加工

中圖分類號：TU19 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）12-0000-00

京蔚高速，地處河北北部張家口地區，路面工程全長66km，合同工程量中水泥穩定碎石基層232萬t、瀝青面層90萬t，其中中面層設計路面結構為ARHM-20，即膠粉/SBS復合改性瀝青混合料，工程量約為27.56萬t，最佳油石比為4.9%（外摻），需膠粉/SBS復合改性瀝青1.29萬t左右。

1 膠粉/SBS復合改性瀝青的性能與實用性

膠粉/SBS復合改性瀝青（SCMA）是指同時采用橡膠粉以及SBS兩種改性劑，按比例添加穩定劑及助劑后，在施工現場采用移動設備，通過高溫剪切、發育等工藝流程制作成復合改性瀝青產品的過程。此種工藝優點如下[1]：

（1）充分體現綠色、環保、低碳、降本、增效理念，利用廢輪胎制作膠粉，變廢為寶。

（2）SCMA混合料與單一SBS改性瀝青和普通基質瀝青相比，其高溫性能、低溫性能、抗疲勞性能等技術指標大幅提高。

1）ARHM-20復合改性瀝青混合料動穩定度可以達6000（次/mm）以上，與單一SBS改性瀝青混合料相比，ARHM-20改性混合料高溫性能提高幅度達70%，可大幅度提高瀝青路面在極端高溫和車輛重載作用下的抗車轍性能。

2）SCMA混合料低溫抗彎曲變形能力優于基質瀝青混合料SBS改性瀝青混合料。其低溫彎曲應變可達3847（με），與SBS改性瀝青混合料相比，低溫性能提高幅度超過30%，可大幅改善瀝青路面的低溫抗裂性。

3）SCMA混合料擁有良好彈性恢復能力（耐久性），說明其抗疲勞性能強于單一SBS改性瀝青和普通基質瀝青混合料。

2對膠粉/SBS復合改性瀝青使用材料的要求與選擇

2.1基質瀝青的選擇

加工膠粉/SBS復合改性瀝青在選擇基質瀝青時，并不能簡單的認為延度、軟化點、針入度三大指標符合瀝青技術標準就能符合所有改性劑適配，達到其要求的改性效果。我們要研究基質瀝青與改性劑之間存在的配比性問題，應從化學成分來考量，從瀝青質、膠質、芳香分、飽和分，每個組分之間的比例關系對改性劑的直接影響等方面來研究其配比性問題。

所謂的改性瀝青質量或等級高低是根據針入度（25℃）指標界定的，所以我們必須根據圖紙設計中規定的改性瀝青的類型和等級來挑選和確定基質瀝青類型和標號。本工程技術指南和設計給定膠粉/SBS復合改性瀝青的針入度為40～60（0.1mm），基質瀝青采用SBS改性后，其針入度（25℃）指標要下降20～25（0.1mm）。以此來計算，70#重交瀝青的針入度為60～80（0.1mm），加入改性劑后針入度一般在40～60（0.1mm），滿足本工程技術指南和設計膠粉/SBS復合改性瀝青技術指標要求，故本項目選用的是A級70號道路石油瀝青（齊魯石化和秦皇島石油化工），并通過各化學組分配比試驗。

2.2膠粉的選擇

為了實現綠色、環保、低碳、降本、增效目標，我們使用的膠粉采用廢舊輪胎制作，宜選用常溫研磨粉碎的輪胎膠粉，且無其他雜質，且盡量使用輪胎內部老化較輕的部分，路用橡膠粉細度宜在40～80目以內。

2.3 SBS改性劑的選擇

SBS聚合物改性劑屬于熱塑性橡膠類改性劑，根據分子結構型式的不同，SBS可分為線型和星型結構，綜合考慮生產簡易性和寒冷的氣候分區，建議選擇6302線型SBS改性劑。

2.4 相容劑的選擇

為保證SBS改性瀝青的質量穩定性，可適當添加相容劑和穩定劑。

2.5 穩定劑的選擇（表1）

3室內小樣的制備與檢驗

3.1 添加比例的確定

（1）橡膠粉摻量的確定。選擇橡膠粉細度40目，SBS摻量為0%，通過實驗可以看出，在橡膠粉細度及制備條件不變的情況下，隨著膠粉摻量的產量變化，瀝青的黏度、軟化點、彈性恢復等指標也會隨之變化。綜合考慮技術經濟、張家口氣候特點和工程交通重載需求，暫時確定SCMA中膠粉摻量不低于內摻17%。

（2）SBS摻量的確定。我們從SBS摻量與軟化點、粘度、彈性恢復、針入度、延度等指標的關系來綜合分析，通過試驗得知，SBS 改性劑在摻量變化的條件下，ARHM瀝青混合料的軟化點和粘度也會產生變化。當SBS摻量達到1.5%（內摻），軟化點和黏度已達到較高值，綜合考慮其經濟性，暫時確定SCMA中SBS摻量內摻不小于1.5%。

綜上所述，根據試驗室各項試驗結果可知，膠粉/SBS復合改性瀝青的添加比例暫定內摻比例為基質瀝青：膠粉：SBS改性劑：穩定劑為82.2﹕16.4﹕1.2﹕0.1，外產比例為100﹕20﹕1.5﹕0.15。

3.2 投料順序的確定

在確定好SBS改性劑和膠粉的摻加比例后，緊接著要確定投料順序，我們通過四種投料方式的試驗，即（1）SBS改性劑和膠粉先分別研磨、發育后再混合一起;（2）先投入SBS改性劑，浸泡溶脹后再投入膠粉一起研磨、發育。（3）先投入膠粉，浸泡溶脹后再投入SBS改性劑一起研磨、發育;（4）膠粉和SBS一起混合、溶脹、研磨、發育四種方式，然后通過各自方式各項指標的檢測對比，確定最佳的投料順序。

將4種投入方式的SCMA數據進行統計，試驗結果顯示，暫時確定按（2）工藝即先投入SBS，溶脹后投入膠粉的添加方式作為生產時投料順序。

3.3 剪切速率的確定

剪切速率的確定要根據改性瀝青的高溫流變、抗剪性能和低溫延度指標來確定，通過試驗，根據設定的幾個剪切速率與SBS改性瀝青軟化點、延度、針入度等指標之間的關系，確保改性瀝青的高溫流變、抗剪性能和低溫延度等指標，經過試驗對比，暫定以5500r/min做為SBS改性劑和膠粉的剪切速率。

3.4 剪切時間的確定

確定了剪切速率，還要確定剪切的工程時間，通過對15min、35min、60min和90min的剪切試驗，對復合改性瀝青針入度、軟化點和延度指標檢驗，經過指標對比，綜合確定以35min的時長為剪切最佳時間。

3.5 剪切溫度的確定

在確定剪切速率、剪切時間以后，我們就要確定剪切溫度，通過采用165℃、175℃、185℃和195℃四個溫度條件進行延度、軟化點、針入度試驗對比，綜合對比選取185℃為最佳剪切溫度。

3.6 穩定劑添加順序的確定

我們根據混合改性瀝青現場制作的特點，確定采用在發育過程中添加的生產方式。

3.7 發育時間的確定

根據現場和試驗室現有條件，我們采用170～180℃高溫靜置發育，并選擇了5種發育時間作為研究條件，通過各發育時間瀝青三大指標檢測值的差異，對比選取最佳發育時間。

通過實驗表明，改性瀝青在靜止儲存過程中，其性能也在不斷的發生變化，指標顯示，儲存時間為2.5h時，改性瀝青的高溫穩定性最好，故推薦改性瀝青發育采用高溫靜置2～2.5h的方式。

3.8試驗室制備膠粉/SBS復合改性瀝青樣品及指標檢驗

確定了膠粉/SBS復合改性瀝青試驗室制備各項參數后，我們嚴格按照上述原材料、添加比例、投料方式、剪切速率、最佳剪切時間、最佳剪切溫度、穩定劑最佳添加時間、發育方式和發育時間在試驗室制備復合改性瀝青成品小樣并進行性能檢測，試驗選用的SCMA中橡膠粉摻量17%，SBS摻量為1.5%。

通過實驗可知，試驗室室內所制備膠粉/SBS復合改性瀝青樣品，制作工藝符合要求，各項技術指標均符合要求。

4膠粉/SBS復合改性瀝青現場制作與驗證

4.1對膠粉/SBS復合改性瀝青現場加工設備的要求、選擇與布設

根據《瀝青混合料面層施工技術指南》關于對膠粉/SBS復合改性瀝青技術指標要求，結合京蔚段工程所處地理位置、氣候、水文條件和生產布置、進度計劃等要求，選取改性、膠粉瀝青一體成套設備（型號 35t/小時）2套、高剪切膠體磨（型號 ≥5500轉/min）4套、導熱油加熱系統（250萬大卡）2套、換熱器4臺、膠粉/SBS改性瀝青溶脹罐（10t）4個、瀝青泵（40m3）8臺、成品改性瀝青儲存（50t）4個、基質瀝青罐儲存罐（50t）2個。

因膠粉/SBS復合改性瀝青加工需使用膠粉、SBS改性劑、穩定劑等易燃產品，加工設備應與瀝青拌和站分開布設，且有獨立的加熱系統和添加劑倉庫，基質瀝青供應可以通過瀝青泵和管道與拌和站瀝青罐連接，成品膠粉/SBS復合改性瀝青可以通過瀝青泵和管道連接到拌合站儲存罐（需要儲存必須帶攪拌系統）。根據每日進度計劃的膠粉瀝青用量，做到現做現用，確保膠粉/SBS復合改性瀝青的技術指標和瀝青面層工程質量。

4.2制作工藝流程

（1）準備工作。檢查材料和加工設備是否滿足技術指標要求。

（2）投料預混。先將SBS改性瀝青投入預混罐后，溶脹發育6～10min后，開始投入膠粉及添加劑。根據生產線實踐生產，發現溫度損失較大，必須配備滿足溫度供給的導熱油換熱器設備。

（3）研磨剪切分散。通過確定好的剪切速率、時間、溫度等條件進行生產，驗證并確定研磨剪切速率5500r/min，溫度185℃左右，時間35min。

（4）溶脹發育。采用高溫間歇攪拌發育，溫度170～180℃，時間2～2.5h。

（5）穩定存儲。膠粉/SBS復合改性瀝青原則上應在24h內使用完畢，現場加工可以達到這個要求，但由于不可抗力，超過24h，必須進行降溫儲存。存儲成品復合改性瀝青設備必須由上下兩層攪拌裝置，對成品復合改性瀝青進行攪拌，保證改性瀝青的均勻性。

現場加工出小批量成品膠粉/SBS復合改性瀝青成品后，取樣做瀝青原材性能檢測驗證，各項指標均符合要求，并采用GTM法做ARHM-20瀝青混合料配合比，確定目標配合比設計結果為：10mm～20mm：5mm～10mm：3mm～5mm：機制砂：礦粉=37.0﹕26.0﹕6.0﹕27.0﹕4.0。最佳油石比為4.9%。并通過實際生產實踐運用，工程質量、進度、安全、成本等各項指標均達到良好效果。

5經驗總結

（1）原材料選擇及配置比例。基質瀝青選擇齊魯石化和秦皇島石油化工生產的重交70#道路石油瀝青、膠粉采用山東濱州膠粉廠生產的細度為40目TB膠粉、SBS改性劑采用獨山子石化的6302型（線性）。摻加比例內摻為基質瀝青：膠粉：SBS改性劑：穩定劑=82.2﹕16.4﹕1.2﹕0.1。外摻為100﹕20﹕1.5﹕0.15。

（2）投料順序。按先投入SBS，溶脹6～10min后再投入膠粉的添加方式作為生產時投料的順序。

（3）研磨剪切速率為5500 r/min、剪切時間為35min、剪切溫度為185℃。

（4）復合改性瀝青成品發育采用高溫間歇攪拌方式（170～180℃），時間為2～2.5h。

（5）穩定劑添加順序為成品復合改性瀝青發育時添加。

（6）現場濕法加工設備的選擇。

設備的選擇必須由足夠的加升溫、高速率剪切設施，充足的基質瀝青、成品改性瀝青存儲設施（必須帶攪拌設施），精準的稱量系統，加工區域相對獨立，有單獨的改性劑、膠粉倉庫。具體單套現場加工設備需要的設備如下：改性、膠粉瀝青一體成套設備（型號 35t/小時）1套、高剪切膠體磨（型號 ≥5500轉/min）2臺、導熱油加熱系統（250萬大卡）1套、換熱器2臺、膠粉/SBS改性瀝青溶脹罐（10t）2個、瀝青泵（40m3）4臺、成品改性瀝青儲存（50t）2個、基質瀝青罐儲存罐（50t）1個。

（7）創新點。通過本次膠粉/SBS復合改性瀝青現場濕法加工工藝的研究與運用，總結出以下兩個創新點。

1）此次工藝研究提出了膠粉/SBS復合改性瀝青的現場生產設備的配備方法。

2）提出了現場SBS膠粉復合改性瀝青生產配方、加工工藝和質量控制方法。

6應用效果

采用現場法膠粉/SBS改性瀝青工藝具有顯著的經濟效益和社會效益。通過采用本工藝，京蔚高速于11月13日順利完成瀝青面層全部鋪筑任務，經交通部道路國檢中心交工檢測，瀝青面層各項指標均符合規范和設計要求，成績優良，獲得了社會的廣泛認可和各方一致好評。

參考文獻

[1] 費豪斌.膠粉與SBS復合改性瀝青混合料的試驗及應用研究[J].公路交通科技（應用技術版），2018，14（7）：148-151.

收稿日期：2020-10-18

作者簡介：魯澤建（1972—），男，河南濮陽人，本科，高級工程師，研究方向：路橋隧、水利水電工程施工。