高黏高彈TPE 薄層改性瀝青性能研究*

黃浩波，劉東杰，朱繼雙

（1 江西省高速公路物資有限公司，江西南昌 330000；2 江西百順瀝青應用新技術有限公司，江西南昌 330000；3 中路交建( 北京) 工程材料技術有限公司，北京 100176）

隨著我國經濟的快速發展，各種廢棄橡膠制品和塑料制品等數量逐年增加［1-2］。大量的廢棄橡膠制品和塑料制品等己經并且會逐漸加劇“黑色污染”和“白色污染”，必將造成日趨嚴重的環保問題。這種背景下，以廢橡膠和廢塑料為主對瀝青進行改性的研究被國內不少科研院所和高校青睞。當前，SBS 改性瀝青技術主要用于我國高速道路上，但SBS 由于自身材料性能存在著諸多問題，如與瀝青的配伍性差、易老化、儲存穩定性差等，同時，還需要施工單位具有很高的技術水平來保持其工藝的穩定性，防止改性瀝青的性能波動［3］。

近十幾年，對于高等級公路建設日新月異，通車里程日益增長，道路管理相關部門面臨巨大的養護壓力，翻修、加鋪等傳統養護方式需要耗費大量資金，由于資金缺口，目前有很多公路等待養護。在此情形下，我國公路進入養護時代，預防性養護理念開始被重視［4-5］。薄層瀝青罩面技術具有很大的優勢，例如覆蓋面積廣、降低成本、一次性修補到位等優點，可以有效延緩路面一些病害的產生及發展，可以提高路面的使用功能，延長路面使用壽命。針對路面養護技術，許多學者進行了微表處、超薄罩面、薄層罩面等預防性養護技術研究，但目前還存在易老化、儲存穩定性差、工序復雜等問題［6］。

東南大學劉芳［7-8］通過有限元軟件分析得到，由于薄層罩面表面溫度變化較快，導致薄層罩面的表面應力、位移較大。重慶交通大學王小慶［9］分析舊瀝青路面病害等產生原因，結合G319 沙-青段的養護工程，確定乳化瀝青加橡膠瀝青的養護方案，得出摻0.3%液體酰胺類抗剝落劑可以有效提高花崗巖破碎卵石與瀝青黏附性，橡膠瀝青混凝土路面具有良好的抗滑及抗滲水等性能。杜宇兵等［10］對比分析四種常用的瀝青路用性能，利用計算機程序Bisar3.0 和灰色關聯度理論分析得出高黏瀝青的性能最優，但由于成本昂貴，故將高黏瀝青、橡膠粉和SBS 進行復合，提出薄層罩面專用瀝青。

雖然國內外己對舊瀝青路面加鋪薄層罩面養護技術進行了多年的研究，然而對于薄層罩面技術還有很多問題亟待解決。TPE 薄層罩面與下承層的粘結力對薄層罩面的路用效果起著關鍵的作用，上述薄層罩面的研究對與下承層的結合方法研究甚少。本研究將廢橡膠粉、廢舊熱塑性塑料等材料加入到基質瀝青中，分析不同橡塑改性劑的摻量和拌和工藝對瀝青性能影響，提出高黏高彈TPE 改性瀝青制備工藝。在材料分子角度進行分析，提出與薄層罩面匹配的粘層方案，解決了薄層罩面常出現的強度低、施工周期長、成本高等問題，為后續薄層罩面專用改性瀝青的開發研究提供改進方向。

1 實驗部分

1.1 基質瀝青

采用秦皇島產中海油70# 基質瀝青，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)進行試驗，試驗結果見表1。該瀝青相關技術指標符合現行規范《公路瀝青路面施工技術規范》。

表 1 70# 基質瀝青技術指標及檢測數據Table 1 70# Matrix asphalt technical index and test data

1.2 TPE 改性劑原材料

①廢膠粉：本研究選用了廢膠粉(80 目)，其物理指標見表2。②廢舊塑料：選用目前用量最大的廢舊聚乙烯，熔融指數為 1.5g/10min(230℃，2.16kg)。③添加物為白色粉末狀增塑劑。穩定劑采用單質硫和一種市售改性瀝青穩定劑混合的復合穩定劑，相容劑采用富含芳香分的橡膠油類。

表 2 廢膠粉的物理性質Table 2 Physical properties of waste rubber powder

TPE 改性劑制備：以廢橡膠粉、廢舊熱塑性塑料、有機官能團接枝共聚物、降黏劑、脫硫活化助劑做合理配方搭配制備。配方見表3(A/B/C 為廢膠粉/廢舊熱塑性塑料/改性樹脂)。

表3 TPE 改性劑配方Table 3 TPE modifier formula

1.3 SBS 改性瀝青

SBS 改性瀝青采用市售的SBS 改性瀝青。

1.4 高黏高彈TPE 薄層改性瀝青的制備

將基質瀝青放入160℃烘箱中加熱，待瀝青烘化后，將瀝青放置在攪拌機中，然后添加改性劑。設定剪切條件為溫度 160～170 ℃，時間 15～20 min，剪切速率 4000r/min。將TPE 改性劑和基質瀝青在該條件下剪切混合，經過物理改性制成TPE 預制改性瀝青。然后在一定溫度下發育 30min，制得高黏高彈TPE 薄層改性瀝青。

2 高黏高彈TPE 改性瀝青性能研究

瀝青性能試驗以及混合料性能試驗均按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。將酸酐改性苯乙烯類嵌段型熱塑性彈性體（簡稱改性樹脂）加入到熱的瀝青中，在高溫及外力的作用下，端基逐漸軟化并流動，中間基吸收基質瀝青中的軟瀝青質，體積開始溶脹變大形成海綿狀的物質，在常溫狀態時改性瀝青體系中端基硬化形成物理交聯，形成穩定的彈性網絡體系。通過借助這類改性樹脂與瀝青的相互作用，對TPE 改性劑優化，從而提高改性瀝青的性能。樣品配方Y1～Y4 為高黏高彈TPE 改性瀝青，Y5～Y10 為優化后的高黏高彈TPE 改性瀝青。

2.1 高溫性能

按照交通運輸部行業標準，國內常用軟化點評價瀝青及改性瀝青的高溫性能。黏度是由于流體分子結構間引力形成內摩擦，外部則表現為抵抗流動的能力。軟化點及布氏黏度實驗結果見表4。

表4 軟化點及布氏黏度實驗檢測值Table 4 Test values of softening point and Brookfield viscosity

由表4 可以看出，在瀝青中摻入TPE 改性劑后，改性瀝青的軟化點呈上升趨勢，同時發現，隨著改性劑中廢舊熱塑性塑料含量的減少，改性瀝青軟化點值也隨之下降。隨著TPE 改性劑的加入，改性瀝青的布氏黏度值也呈大幅度的提升，同時發現，隨著改性瀝青中廢舊熱塑性塑料比例摻量的降低，改性瀝青的黏度值也隨之降低，另外網絡間形成的約束限制了瀝青膠質的流動，加大了瀝青抵抗高溫變形的能力，在相同的溫度條件下，為了使瀝青有相對位移，必須施加更大的力，結果導致瀝青高溫變形力的提高［11］。

2.2 低溫性能

通過針入度和延度來對改性瀝青進行低溫性能研究。針入度和延度試驗結果見表5。

表5 針入度和延度試驗檢測值Table 5 Test values of penetration and ductility test

由表5 可以看出，經TPE 改性劑改性后，針入度明顯降低，5℃延度值明顯增大。可能是由于加入的膠粉粒子因其尺寸小且數量多，在低溫條件下，模量與瀝青模量相差較大，從而使應力集中，消耗掉大量能量，出現許多剪切帶和銀紋，較大膠粉粒子可以阻止單個銀紋的生長和斷裂，提高了瀝青的可塑性，明顯改善瀝青的低溫抗裂性能。此外，由Y7 和Y10 的對比可以看出，雖然改性瀝青的軟化點和延度值相差不大，但在Y10 中廢舊熱塑性塑料含量大大降低，在一定程度上節約了成本。

2.3 流變性能

利用SHRP 規范中的動態剪切流變儀和彎曲梁流變儀，來評價TPE 改性瀝青的流變性能。實驗數據見表6和表7。

表6 TPE 改性瀝青DSR 試驗數據Table 6 DSR test data of TPE modified asphalt

表7 TPE 改性瀝青低溫參數Table 7 Low temperature parameters of TPE modified asphalt

由表6 可知，在隨著溫度的提升，TPE 改性瀝青和基質瀝青的車轍因子均呈大幅度下降趨勢，且在相同溫度下，TPE 改性瀝青的抗車轍因子明顯高于基質瀝青的抗車轍因子，說明TPE 改性瀝青具有較好的高溫抗變形能力。在熱機械力的作用下，TPE 改性劑吸收瀝青中的輕組分發生溶脹作用使體積增大，開始形成穩定的交聯結構，加大了抗瀝青膠體的流動性，提升TPE 改性瀝青的高溫變形能力。對比優化后Y7 與優化前Y3 配方的G*/sinδ，發現其車轍因子大小相當，說明優化前后的改性瀝青具有同樣好的高溫性能。

研究中Y7、Y8 和Y9 配方中廢膠粉含量相同，由表7 實驗數據可以看出，Y7 和Y9 配方改性瀝青的抵抗高低溫抗性能力都略優于Y8 改性瀝青。可能是在高溫情況下，改性樹脂和瀝青發生混合，改性樹脂中的端基-苯乙烯鏈段開始發生變化，作為中間基的二烯烴鏈段開始吸收瀝青中的瀝青質發生溶脹作用，使得體積增大，重新建立一個膠體體系，成為一種同時具有彈性和延伸性且穩定的網狀結構，明顯改善瀝青的性能［12-13］。BBR測試結果表明優化后瀝青材料的蠕變勁度S變小，且蠕變勁度斜率m變大，說明優化后的瀝青柔性和松弛能力均強于優化前的，優化后低溫性能越好。

2.4 儲存性能研究

離析實驗是分析瀝青儲存穩定性的一個指標。離析實驗結果見表8。

表8 TPE 改性瀝青離析結果Table 8 Segregation results of TPE modified asphalt

隨著TPE 配方中廢舊熱塑性塑料摻量的減少，上下軟化點差先是基本保持不變，之后迅速下降到 3.5℃。主要原因是TPE 與瀝青體系中存在著明顯的相界面，TPE分子鏈之間排列緊密，分子間作用力加大，廢舊熱塑性塑料中存在結晶現象，溶劑分子很難打破界面通過熱塑性塑料，分子受到晶格的約束作用，難溶于瀝青［14］。

通過優化前后的對比，可以看出只有 Y7、Y8 和Y10 三個配方的改性瀝青，上下軟化點差值小于2.5℃，可以形成穩定體系。主要是由于穩定劑的加入使改性樹脂發生交聯反應和接枝反應，降低了改性樹脂和瀝青之間的表面張力和體系中的吉布斯自由能，在改性樹脂和瀝青間生成改性樹脂瀝青，使得改性樹脂和瀝青更好地結合。

3 結論

（1）高黏高彈TPE 改性瀝青主要應用在薄層罩面中，與市面常用的高黏改性瀝青相比，具有良好的高低溫性能，可顯著地提高車輛在公路上行駛時穩定性，減少公路噪音，提高車輛行駛的舒適性。

（2）使用高黏高彈TPE 改性瀝青進行施工，無需特殊設備，施工具有速度快、使用壽命長等優點，不僅可以周期性地恢復原路面被磨耗的厚度，還可以處理路面的一般性破損，尤其在封閉路面龜網裂、防水抗滑、改善路容和增強耐磨性等方面，效果十分良好。

（3）TPE 改性劑吸收瀝青中的輕組分發生溶脹作用使體積增大，形成穩定的交聯結構，加大了抗瀝青膠體的流動性，提升TPE 改性瀝青的高溫變形能力和低溫抗裂能力。

（4）穩定劑可以使改性樹脂發生交聯反應和接枝反應，降低了改性樹脂和瀝青之間的表面張力和體系中的吉布斯自由能，在改性樹脂和瀝青間生成改性樹脂瀝青，使得改性樹脂和瀝青更好地結合，改善瀝青的儲存穩定性。