SBS-膠粉復合改性新疆瀝青性能的影響因素

孫澤強，周曉蕾，宋 亮，李永剛

(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

隨著西部大開發戰略的深化推進及國家“十三五”規劃、“一帶一路”等政策的陸續推出，新疆作為中國西北門戶，其公路工程建設將迎來新一輪高峰[1]。SBS改性瀝青在新疆的應用已十分廣泛，但大多來自內地，運輸成本較高，而新疆本地瀝青(如克拉瑪依瀝青及塔河瀝青)中的瀝青質、芳香烴等組分較少，SBS等改性劑難以在瀝青中充分溶脹，不能明顯地提升瀝青性能[2]，無法滿足建設需求。因此，如何解決新疆瀝青改性難題，成為當地瀝青路面發展的重要研究方向。

目前，眾多學者從新疆瀝青的制備工藝、微觀機理及助劑等方面進行了相關研究。范維玉等[3]采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)對克拉瑪依瀝青進行改性，發現瀝青質含量低是導致其車轍因子等指標較低的主要因素。彭煜等[4]通過元素組成、紅外光譜等手段分析克拉瑪依瀝青改性前后的差異，指出芳香分和瀝青質含量少是其與SBS相容性較差的重要原因。羅來龍等[5]采用富含芳烴的石油烴類膠溶劑、偶聯劑和穩定劑對克拉瑪依瀝青改性，制備的SBS改性瀝青達到PG76-34等級。袁野等[6]指出克拉瑪依瀝青中瀝青質和芳香分含量偏低，濕法制備的改性瀝青在高溫儲存時穩定性差，而采用干法制備的SBS瀝青性能優良。周巧英等[7]在熒光測試中發現SBS改性克拉瑪依瀝青有明顯的SBS聚團現象，其原因為克拉瑪依瀝青中的瀝青質和輕質油分含量偏低。柴志杰[8]通過對比試驗篩選出合適的穩定劑、相容劑，制備的SBS改性塔河瀝青符合PG76-28分級要求。綜上，目前國內有關新疆瀝青改性的研究已取得一定成果，而新疆地區具有紫外線輻射強、晝夜溫差大等特殊環境特點[9]，單一的SBS或膠粉改性瀝青已無法滿足新疆特殊氣候的要求。然而，國內針對SBS-膠粉復合改性新疆瀝青的研究鮮有報道。應進一步優化制備工藝，揭示瀝青性能變化規律，促進SBS-膠粉復合改性瀝青在新疆地區的應用與推廣。

鑒于此，本文選取新疆地區常用的KLMY90和TH60基質瀝青制備SBS-膠粉復合改性瀝青，研究改性劑摻加順序對復合改性瀝青性能的影響，系統分析添加助劑前后復合改性瀝青性能指標的差異，探討復合改性瀝青性能影響因素及其作用規律，以期為制備性能優異的復合改性新疆瀝青奠定基礎。

1 試驗

1.1 原材料

SBS-膠粉復合改性瀝青的原材料主要包括基質瀝青、改性劑及助劑。采用TH60及KLMY90基質瀝青，其技術指標如表1、2所示；相容劑為SH及BH兩種富芳烴油(XR)；穩定劑為含硫化合物；改性劑為廢胎膠粉(JF)及SBS，其中廢胎膠粉為30目脫硫膠粉，SBS嵌段比為30/70，線形結構。

表1 TH60技術指標

表2 KLMY90技術指標

1.2 瀝青制備工藝

SBS可以提高基質瀝青的高、低溫性能，膠粉可以改善基質瀝青的高溫抗車轍和抗疲勞性能[10-11]。為制備溫度穩定、耐久的瀝青，根據前期試驗研究確定SBS-膠粉復合改性瀝青中的脫硫膠粉摻量為15%，SBS摻量為3%，復合改性瀝青的制備流程如圖1所示。

圖1 復合改性瀝青制備流程

(1)按比例準備好所需材料，將瀝青放入恒溫油浴鍋加熱到指定溫度，需保證改性瀝青溫度達到指定要求，且內部溫度均勻。

(2)利用高速剪切儀制備改性瀝青。

(3)高速剪切完成之后的改性瀝青需在指定溫度的烘箱中發育，使膠粉、SBS在基質瀝青中充分混合、溶脹[12]。

2 制備工藝影響研究

2.1 改性劑添加工藝

SBS-膠粉復合改性瀝青的性能受到制備工藝的顯著影響；因復合改性瀝青使用不止一種改性劑，除剪切速率、時間及溫度等基本因素外，添加改性劑的順序同樣是影響瀝青性能的重要因素。已有調查結果顯示：膠粉參與高速剪切，高速摩擦產生大量熱量，造成膠粉分子鏈斷裂，促進脫硫和裂解[13]，故選擇先膠粉后SBS與兩者同時加入的研究居多。但新疆基質瀝青輕質組分較低的特性使得復合改性工藝與普通瀝青有所區別。為達到最佳性能，需對現有工藝進行比選，確定適合新疆改性瀝青的最佳工藝。具體方案如下。

2.1.1 工藝一制備流程

采用先膠粉后SBS的添加順序，具體步驟如下。

(1)將基質瀝青加熱至流淌，取出瀝青。

(2)迅速將基質瀝青升溫至170 ℃，按比例加入富芳烴油(SH)，攪拌均勻后，以1 000 r·min-1轉速一邊攪拌，一邊加入15%膠粉(30目脫硫)，攪拌15～20 min，至無明顯顆粒。

(3)將溫度升高到180 ℃，以4 500 r·min-1轉速剪切15 min后加入3%SBS，攪拌均勻，繼續剪切30 min。

(4)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。

2.1.2 工藝二制備流程

同時加入膠粉和SBS，具體步驟如下。

(1)將瀝青加熱至流淌，取出瀝青。

(2)迅速將基質瀝青升溫至170 ℃，按比例加入富芳烴油(SH)，攪拌均勻，加入15%膠粉和3%SBS，以1 000 r·min-1轉速攪拌15～20 min，至無明顯顆粒。

(3)將溫度升高到180 ℃，以4 500 r·min-1轉速剪切45 min。

(4)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。

2.2 改性劑添加工藝對復合改性瀝青性能的影響

為評價不同工藝下復合改性瀝青的基本性能，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，分別測試瀝青針入度、軟化點、延度，考察制備工藝對瀝青性能的影響。為制備性能優良的改性瀝青，2種復合改性瀝青改性劑均采用15%膠粉+3%SBS配比。按工藝制備瀝青后，相應的性能測試結果如圖2所示。

圖2 不同工藝的復合改性瀝青性能對比

制備復合改性瀝青時，KLMY90與TH60表現出不同的狀態，如圖3、4所示。對于KLMY90，先加入膠粉攪拌，開始剪切時產生大量氣泡。加入SBS后，有較大氣泡，這可能是改性劑正在溶解，且KLMY90稠度較低所致；TH60采用先膠粉后SBS的工藝時，加入膠粉攪拌剪切產生的氣泡比KLMY90更少。加入SBS，剪切10 min左右顆粒感消失。當TH60采用同時加入膠粉和SBS的工藝時剪切氣泡最少，此時改性劑已基本溶于瀝青中。在制備過程中，KLMY90與TH60在加入15%膠粉后初始黏度略增大，加入3%SBS后均明顯變稠，TH60尤為明顯。

圖3 KLMY90復合改性瀝青制備過程

圖4 TH60復合改性瀝青制備過程

由圖2可知，TH60改性后針入度下降，KLMY90改性后針入度上升，其原因可能是KLMY90本身輕組分較多，加入的芳香烴油除了被改性劑吸收之外，多余油分起到了稀釋作用，導致稠度下降；TH60改性后，軟化點提升比KLMY90更明顯；KLMY90改性后，延度提升比TH60更顯著，由131 mm提升至332 mm，低溫性能得到極大改善。

在采用工藝二時，KLMY90各指標均比工藝一優越，延度表現尤為明顯；TH60復合改性瀝青在采用工藝一時針入度更低，延度更好，而軟化點相當，都能超過90 ℃，且滿足交通部JT/T 798—2011對熱區膠粉瀝青的要求。

造成上述結果的原因可能是工藝二的SBS與瀝青混合、剪切時間更長，SBS溶脹較充分。對于KLMY90，采用工藝二后SBS溶脹充分，瀝青性能更佳，且因SBS對瀝青低溫性能的改善效果比膠粉更明顯，5 ℃延度提升最顯著；對于TH60，采用工藝二雖然會讓SBS溶脹更充分，但是因輕組分較少，致使部分膠粉無法溶解，延度試件受拉時，會在膠粉顆粒和基質瀝青界面產生應力集中，使試件較早被拉斷，延度反而下降。

綜上可知，KLMY90與TH60在改性過程中表現出不同的特點，具體表現為：TH60制備的改性瀝青比KLMY90更稠，剪切過程氣泡更少；TH60改性后高溫性能與彈性恢復性能提升顯著，而KLMY90改性后低溫性能提升顯著；對于TH60，工藝一表現更佳，對于KLMY90,則采用工藝二更適當，但由于工藝一對TH60的提升效果并不突出，而工藝二生產制備更加便利，且利于精確控制，故后續研究采用工藝二。

3 助劑影響研究

上述研究表明，采用同時加入膠粉與SBS工藝可改善瀝青的高低溫性能，且便于精確控制，故后續采用此工藝制備復合改性瀝青，但得到的瀝青出現了改性劑溶脹不充分、高低溫性能不足等問題。前期調查與研究發現，在制備SBS-膠粉復合改性瀝青時，多項研究采用了相容劑與穩定劑改善瀝青性能[14]，其中相容劑常用富芳烴油，穩定劑常用含硫化合物[15-17]。基于此，本節采用工藝二制備復合改性瀝青，并探究相容劑與穩定劑對復合改性新疆瀝青性能的影響。

3.1 富芳烴油對復合改性瀝青性能的影響

選取SH、BH兩種富芳烴油(XR)，對比分析兩者對KLMY90復合改性瀝青性能的影響，并研究加入XR與否對復合改性瀝青基本性能的影響。同時，出于對溶解性的考慮，參考已有調查研究，確定富芳烴油摻量為6%，結果見圖5。

圖5 相容劑對KLMY90復合改性瀝青性能的影響

由圖5可知，KLMY90基質瀝青的針入度為85.0(0.1 mm)，加入15%脫硫膠粉與3%SBS后降低至57.1(0.1 mm)。加入富芳烴油后，針入度表現為急劇上升，其中SH對富芳烴油針入度的影響最大，其針入度上升至120.5(0.1 mm)。相比之下，BH富芳烴油對針入度的影響略低，但也使其針入度升至102.9(0.1 mm)，顯著降低了KLMY90的稠度；加入15%脫硫膠粉與3%SBS后，軟化點從基質瀝青的45.5 ℃上升至54.7 ℃，然而加入富芳烴油后，軟化點下降較大幅度，其中摻入BH富芳烴油后下降至48.9 ℃。對于5 ℃延度，KLMY90加入15%脫硫膠粉與3%SBS后得到顯著改善，其值可達206 mm，提升幅度達57%；加入富芳烴油進一步提高了低溫性能，其值可達332 mm。

綜上可知，KLMY90的高溫性能在加入改性劑后可得到顯著改善，加入富芳烴油后瀝青低溫性能大幅提升，但稠度降低。究其原因，可能是富芳烴油含有較多輕質組分，在一定程度上起到稀釋改性劑的作用，此外，富芳烴油屬外摻油源，與基質瀝青在成分與分子結構上存在差異，導致瀝青稠度降低，高溫性能下降。

3.2 穩定劑對復合改性瀝青性能的影響

大量研究表明，穩定劑對改性瀝青的高、低溫性能有較大影響。在調查結果中，多數試驗的穩定劑摻量在0.3%～1.0%之間，0.4%～0.5%尤多。對此，本研究以穩定劑摻量為0.4%進行瀝青性能試驗。因TH60基質瀝青輕質組分較少，易凝膠，故摻入9%富芳烴油軟化瀝青，促進改性劑溶解，試驗結果如圖6所示。

圖6 穩定劑對TH60復合改性瀝青性能的影響

由圖6可知，加入穩定劑后，瀝青的高溫性能提升幅度并不顯著，稠度略有增加，低溫性能提升明顯。5 ℃低溫延度從未加入穩定劑時的61 mm上升至158 mm，提升效果顯著；其次，彈性恢復得到明顯提高，從75.5%提高至81.0%；加入穩定劑后，針入度從54.5(0.1 mm)下降至49.4(0.1 mm)；加入穩定劑并未使軟化點得到顯著提高。

綜上可知，穩定劑的加入可以有效改善復合改性瀝青的可恢復變形能力以及低溫性能，對瀝青稠度有一定提高作用，但是對高溫性能的改善并不明顯。其原因是穩定劑的主要成分為含硫復合物[18]，加入后硫與瀝青在硫化作用下發生一系列交聯反應, 產生交聯物質，使瀝青分子鏈從二維結構變為三維網狀結構，增強了改性瀝青的穩定性[19-20]。

4 結 語

(1)本文對比了采用不同改性劑添加順序制備的復合改性瀝青的性能。結果顯示：當基質瀝青為KLMY90時，復合改性瀝青采用同時加入膠粉和SBS工藝時，各指標表現更佳，延度提升最顯著；用TH60制備的復合改性瀝青采用先膠粉后SBS工藝，比同時加入兩者擁有更好的性能。

(2)在SBS-膠粉復合改性瀝青體系中，當基質瀝青為KLMY90時，摻入富芳烴油相容劑改善了瀝青的5 ℃延度(可達332 mm)，但降低了軟化點；對于TH60，摻入穩定劑可有效提升復合改性瀝青的低溫穩定性及可恢復變形能力，但高溫穩定性改善不明顯。

(3)當基質瀝青為KLMY90時，復合改性瀝青表現出良好的低溫穩定性，而高溫穩定性較差；用TH60制備的復合改性瀝青則相反，后續可考慮將2種基質瀝青進行調和，期望獲得性能更優異的復合改性瀝青。