SBS 對高摻量膠粉改性瀝青高溫性能的影響

李旭豪，高 杰，鄒 鵬，何杰忠

（1.廣州市高速公路有限公司營運分公司，廣東 廣州510030；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市 201804）

0 引言

將廢舊輪胎加工制作成膠粉，添加到瀝青當中，不僅可以改進瀝青各個方面的使用性能，而且還可以緩解廢舊輪胎帶來的污染問題。然而目前傳統(tǒng)橡膠瀝青的發(fā)展也存在著問題，即膠粉利用率低，在傳統(tǒng)制備工藝下膠粉摻量很難超過20%，不能更大程度上對廢舊膠粉合理利用。在本文中將膠粉摻量大于20%（內(nèi)摻）的膠粉改性瀝青稱為高摻量膠粉改性瀝青。

為了解決膠粉利用率低的問題，很多學者提出了不同的工藝來提高膠粉摻量，從而實現(xiàn)高摻量膠粉改性瀝青技術(shù)，使橡膠活化[1]、液化[2]或添加降粘劑[3]等是目前最為主流的方法，但是目前摻量超過33%（內(nèi)摻）的研究鮮有，以上工藝僅能一定程度上提高膠粉摻量，瀝青依舊存在粘度大和存儲穩(wěn)定性差的問題，為了進一步提高膠粉摻量，需要探究新的工藝。

Terminal Blend 技術(shù)的出現(xiàn)從“高溫熱解”的角度為高摻量膠粉改性瀝青的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)途徑，它使大部分的膠粉溶解于瀝青之中，從而可以從根本上解決高摻量膠粉改性瀝青粘度大等問題[4]。但是Zanzotto[5]和麥迪遜分校瀝青研究組[6]的研究均表明：高溫下膠粉深度脫硫降解后，將會導致改性瀝青的模量降低，彈性性能大幅降低，對力學性能產(chǎn)生不利影響。同時唐乃鵬[7]研究表明，向高溫制備的TB瀝青中摻入SBS 后可改善由于膠粉降解造成的高溫性能下降，這也一定程度上保證了高溫法制備高摻量膠粉改性瀝青的實現(xiàn)。

綜上，高溫法制備高摻量膠粉改性瀝青可能存在由于膠粉降解帶來的高溫性能差的問題，這會限制高摻量膠粉瀝青的實現(xiàn)，但是國內(nèi)外研究也表明，復配SBS 等交聯(lián)劑后可提高TB 瀝青的高溫性能，因此有必要研究高溫法制備的高摻量膠粉改性瀝青的高溫性能的優(yōu)劣以及SBS 摻量的影響，如果可以實現(xiàn)更高摻量的膠粉改性瀝青技術(shù)，將具有重大的環(huán)保和經(jīng)濟價值。

1 材料與試驗

1.1 原材料

瀝青選用的是埃索70# 基質(zhì)瀝青，膠粉選用江陰30 目橡膠粉，SBS 選用岳陽石化公司生產(chǎn)的線型SBS。將膠粉加入到基質(zhì)瀝青當中，在280℃下高速剪切6 h，制備膠粉摻量為35%的改性瀝青；復合改性瀝青則通過將高摻量膠粉改性瀝青加熱至180℃后，外摻相應質(zhì)量的SBS，攪拌1.5 h，再繼續(xù)加入穩(wěn)定劑（硫磺）攪拌0.5 h 制得。改性瀝青的制備方案見表1。

表1 改性瀝青制備方案及基本指標

1.2 試驗方法

1.2.1 基本性能指標試驗

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范內(nèi)容,對高摻量膠粉改性瀝青進行25℃針入度、軟化點、5℃延度試驗和180℃粘度試驗，探究高摻量膠粉改性瀝青的基本性能以及SBS 對復合改性瀝青基本性能的影響，確定SBS 的合適摻量。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗（RTFOT）

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范內(nèi)容，對高摻量膠粉改性瀝青進行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗即RTFOT 試驗，用來模仿改性瀝青短期老化的過程。

1.2.3 DS R 時間掃描試驗

利用動態(tài)剪切流變儀（DSR）進行時間掃描試驗，獲取原樣瀝青和短期老化瀝青樣品在不同溫度下的模量G* 與相位角δ，并以此計算Superpave 車轍因子G*/sinδ，從而得到瀝青樣品的高溫PG 分級；按照ASTM D7643 可以計算得到瀝青樣品的高溫連續(xù)分級溫度。

1.2.4 多應力重復蠕變回復試驗（MS CR）

多應力重復蠕變回復試驗MSCR（Multiple Stress Creep and Recovery）主要用來評價瀝青膠結(jié)料的高溫性能以及彈性響應，見圖1。在64℃下，對短期老化后的瀝青樣品進行MSCR 試驗，試驗方法參考AASHTO TP-70，首先在0.1 kPa 應力下實施20 次蠕變回復循環(huán)周期，緊接著在3.2 kPa 應力下實施10 次蠕變回復循環(huán)周期。

圖1 高溫P G 試驗及MS CR 試驗

每個循環(huán)周期由1 s 的蠕變和9 s 的回復組成。基于以下公式計算每個蠕變回復周期內(nèi)的回復率（R%）和不可回復蠕變?nèi)崃浚↗nr），對0.1 kPa 應力11～20 個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值可得回復率R0.1 和不可回復蠕變?nèi)崃縅nr0.1；對3.2 kPa 應力10 個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值可得到回復率R3.2 和不可回復蠕變?nèi)崃縅nr3.2。

式中：εp為每個周期內(nèi)，1 s 處的峰值應變；εu為每個周期內(nèi)，10 s 處未恢復應變；σ 為蠕變應力。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高摻量膠粉改性瀝青基本性能

對E70# 基質(zhì)瀝青以及SBS 摻量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%的高摻量膠粉改性瀝青進行三大指標試驗和180℃粘度試驗，見圖2，具體結(jié)果見表3。

圖2 基本性能指標試驗

表3 高摻量膠粉改性瀝青基本性能

加入35%膠粉后，改性瀝青的針入度大幅度增長，軟化點、延度和粘度均較低，性能較差，無法達到路面使用要求，這是由于橡膠分子高溫裂解為小分子造成的；復配SBS 后，隨著SBS 摻量的增加，復合改性瀝青的針入度不斷減小，軟化點不斷升高，5℃延度不斷增大，高低溫性能不斷改善；復合改性瀝青的180℃黏度也隨著SBS 摻量的提高不斷增大，當SBS 摻量為5%時，35+5S 瀝青的黏度為4.5 Pa·s，此時黏度過大，施工和易性較差。

2.2 高摻量膠粉改性瀝青的高溫P G 連續(xù)分級

對E70# 基質(zhì)瀝青以及SBS 摻量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%的高摻量膠粉改性瀝青進行DSR時間掃描試驗，獲得各個瀝青樣品原樣和短期老化后的車轍因子，進而得到各個瀝青樣品的高溫PG 連續(xù)分級，結(jié)果見圖3。

圖3 高摻量膠粉改性瀝青高溫P G 試驗結(jié)果

從圖3 中可以看出，高摻量膠粉改性瀝青在未復配SBS 時的高溫PG 連續(xù)分級為60.59，高溫性能較差（ESSO70# 基質(zhì)瀝青的PG 分級為63.3℃）。隨著SBS 摻量的提高，高摻量膠粉改性瀝青的原樣高溫PG 連續(xù)分級和短期老化后的高溫PG 連續(xù)分級都在逐漸增大，這說明隨著SBS 摻量的提高，改性瀝青的高溫性能不斷改善，SBS 的改性效果顯著，當SBS 摻量為3%時，復合改性瀝青的高溫PG 連續(xù)分級為79.63℃，高溫PG 分級為76℃，高溫性能優(yōu)越。

2.3 高摻量膠粉改性瀝青的MS CR 結(jié)果

對E70# 基質(zhì)瀝青以及SBS 摻量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%的高摻量膠粉改性瀝青進行MSCR試驗，獲得各個瀝青樣品短期老化后的回復率（R%）和不可回復蠕變?nèi)崃浚↗nr），結(jié)果見圖4。

從圖4 可以看出，回復率R0.1 和R3.2 均隨SBS摻量的提高逐漸增大，不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr0.1 和Jnr3.2 均隨SBS 摻量的提高逐漸減小，這說明高摻量膠粉改性瀝青的彈性性能隨著SBS 摻量的提高逐漸改善。

圖4 高摻量膠粉改性瀝青MS CR 試驗結(jié)果

當SBS 摻量較小時，R0.1、R3.2、Jnr0.1 和Jnr3.2變化幅度較大，說明此時SBS 摻量的提高對其彈性性能的改善很顯著；然而當SBS 摻量較高（4%）時再繼續(xù)增加SBS 摻量，R0.1、R3.2、Jnr0.1 和Jnr3.2 的變化幅度極小，這說明當SBS 摻量較高時繼續(xù)增加SBS 摻量對瀝青彈性性能的提升有限，從經(jīng)濟和性能角度綜合出發(fā)，SBS 摻量并不是越高越好。

3 結(jié)語

（1）從基本性能指標看，高溫法制備的高摻量膠粉改性瀝青（35%）性能較差，無法達到使用要求，SBS 的摻加可以降低高摻量膠粉改性瀝青的針入度，提高其軟化點、延度和黏度，使改性瀝青的基本性能指標達到路面使用要求；

（2）高摻量膠粉改性瀝青的高溫性能差，SBS 的摻加可以顯著改善其高溫性能：

從高溫PG 分級結(jié)果看，隨著SBS 摻量的提高，復合改性瀝青的高溫PG 連續(xù)分級逐漸提高，當SBS摻量為3%時，其高溫PG 連續(xù)分級為79.63℃，高溫PG 分級為76℃，高溫性能優(yōu)越；從MSCR 結(jié)果看，隨著SBS 摻量的提高，復合改性瀝青的R0.1、R3.2逐漸增大，Jnr0.1、Jnr3.2 逐漸減小，彈性性能不斷改善，當SBS 摻量為3%、4%時。

（3）當SBS 摻量較高時，復合改性瀝青的黏度較大，不利于施工，而且此時SBS 摻量的繼續(xù)增加對高溫性能的改善有限，所以從性能和經(jīng)濟角度綜合考慮，SBS 的摻量并不是越高越好，35%高摻量膠粉改性瀝青的最優(yōu)摻量為3%、4%。