SBS-CR復合改性瀝青制備及其路用性能研究

作者簡介：王自宇（1976—），工程師，主要從事道路日常養護作業管理工作。

摘要：為研究不同SBS與CR摻量的復合改性瀝青制備過程中，剪切時間與剪切溫度對復合瀝青改性效果的影響，文章基于正交試驗，以抗車轍因子（G^*/sinδ）及60 s蠕變勁度模量對復合改性瀝青的高低溫性能進行評價，同時采用了動態蠕變試驗及低溫小梁試驗對瀝青混合料的高溫穩定性及低溫抗裂性進行分析。推薦SBS-CR復合改性瀝青的制備參數為：SBS摻量為6%、CR摻量為12%、剪切溫度為175 ℃、剪切時間為45 min，該參數下SBS-CR復合改性瀝青混合料表現出較好的高溫穩定性及低溫抗裂性。

關鍵詞：復合改性瀝青；抗車轍因子；蠕變勁度模量；正交試驗；低溫小梁試驗

中圖分類號：U416.03

0 引言

截至2023年上半年，我國機動車保有量已達到4.26億輛，每年產生大量的廢舊橡膠輪胎。橡膠輪胎是一種高分子聚合物，不易降解，也不可焚燒，故導致廢舊輪胎巨量堆積，嚴重污染環境。許多道路工程研究者將橡膠輪胎磨細成膠粉（CR），并將其作為改性劑摻入瀝青中制成CR改性瀝青，這種瀝青具備良好的高溫性能，可提高瀝青混合料的抗車轍能力。楊溧^[1]將橡膠瀝青應用于瀝青碎石封層，發現其有效提高瀝青路面的抗滑性能、防滲性能；丁維建等^[2]對橡膠瀝青的流變性能及機理進行研究，發現溫度是影響橡膠瀝青性能的最主要因素；不同反應溫度下，LMS和橡膠瀝青宏觀性能具有良好的相關性；CR改性瀝青因其改性過程中，CR顆粒大量吸附輕質組分導致瀝青稠度增大，因此為保證CR瀝青混合料施工和易性，需提高施工溫度。呂悅晶等^[3]研究不同溫拌劑對橡膠瀝青性能的影響，發現溫拌劑對瀝青低溫性能有不利影響。近年來，許多研究者發現在CR改性瀝青制備過程中，摻入適量的SBS改性劑，即可改善瀝青高溫性能，同時也能在保證瀝青低溫性能的同時，降低施工溫度^[4-5]。因此本文針對膠粉與SBS復合改性瀝青展開研究，以期制得技術性與經濟性均優良的新型瀝青混合料膠結料。

1 原材料與評價方法

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

飽和分和芳香分是瀝青中的輕質組分，其含量越高越利于SBS或者CR在瀝青中的溶解或分散，本文選擇輕質組分含量較高的殼牌70^#A級瀝青，性能指標如表1所示。

1.1.2 SBS

相對于分子結構為星型的SBS，線型SBS較易與瀝青發生融合反應，因此本文采用線型SBS作為改性劑，其主要性能指標如表2所示。

1.1.3 CR

膠粉（CR）采用由橡膠輪胎磨細的40目膠粉，其主要性能指標如表3所示。

1.2 評價方法

本文采用DSR試驗的單點測試模式，測試復合改性瀝青的車轍因子G^*/sinδ以評價其高溫性能，采用BBR試驗測定瀝青在-12 ℃條件下的蠕變勁度模量以評價其低溫性能。

2 SBS-CR復合改性瀝青制備研究

改性瀝青制備一般經歷改性劑調配、改性劑與瀝青混合研磨及分散、靜置發育三個階段。本文SBS-CR復合改性瀝青制備研究將從改性劑調配及改性劑與瀝青混合研磨兩個階段展開。復合改性瀝青制備流程為：先將基質瀝青加熱至熔融狀態，然后在瀝青中加入試驗摻量的SBS與CR，并采用高速剪切機在試驗溫度與時間條件下充分剪切分散，最后在180 ℃條件下保溫發育45 min。SBS試驗摻量為：4%、5%、6%（占瀝青質量百分比），CR試驗摻量為：12%、18%、24%（占瀝青質量百分比），試驗剪切溫度為165 ℃、175 ℃、185 ℃，剪切時間為30 min、45 min、60 min。

2.1 正交試驗設計

若采用全面試驗法，試驗數量較大，效率較低。因此本研究采用正交試驗法對試驗因素水平進行高效設計，正交試驗方案見表4。

2.2 試驗結果分析

按照表4試驗方案分別進行DSR試驗、BBR試驗及黏度試驗，試驗結果見表5。

對表5結果采用均值分析法進行分析，以相同因素不同水平下的試驗結果均值表征該因素水平對試驗結果的影響，結果見圖1～2。

2.2.1 高溫性能

隨剪切溫度的提高或剪切時間的延長，SBS-CR改性瀝青的高溫性能出現先改善后減小的現象。由圖1可知，隨剪切溫度和剪切時間水平的提高，瀝青的車轍因子曲線先上升后降低，這是因為隨著剪切溫度升高或剪切時間的延長，瀝青中的分子鏈和膠粉顆粒及SBS鏈段更易結合，且結合得更加充分，使得瀝青高溫性能得到提高，而隨剪切溫度和剪切時間水平進一步提高，膠粉顆粒裂解反應增強，同時SBS與瀝青形成的網絡結構也被弱化，導致瀝青的高溫性能發生輕微下降。

在試驗摻量范圍內，提高SBS和CR摻量，SBS-CR改性瀝青的高溫性能得到持續改善。由圖1可知，隨SBS和CR摻量的提高，瀝青的車轍因子曲線持續上升，這是因為SBS摻量提高，SBS在瀝青中形成更多的網絡結構限制了瀝青流動，而膠粉摻量提高，吸附了瀝青中大量的輕質組分，導致瀝青變得濃稠，從而表現出瀝青高溫性能得到提高。

2.2.2 低溫性能

隨剪切溫度的提高，SBS-CR改性瀝青的低溫性能先提升后劣化。由圖2可知，隨剪切溫度提高，瀝青的勁度模量先減小后增大，說明提高剪切溫度有利于SBS與膠粉在瀝青中的分散，SBS更易形成網絡結構，抵抗低溫應力，低溫性能得到提升，而隨剪切溫度進一步提高，瀝青可能出現結構破壞，從而低溫性能降低。

提高SBS摻量及延長剪切時間，均有利于改善SBS-CR改性瀝青的低溫性能，但是當剪切時間從45 min延長至60 min時，改善效果有所降低。隨SBS摻量及剪切時間提高，改性瀝青勁度模量均在持續下降。這是由于提高SBS摻量，瀝青中會形成更多SBS網絡結構，提高了瀝青在低溫條件下的應力分散能力，而延長剪切時間可提高SBS與膠粉在瀝青中的分散情況，當剪切時間達到45 min時，改性瀝青與分散的改性劑已形成相對穩定的體系，因此延長剪切時間，對改性瀝青低溫性能改善不明顯。

2.3 影響因素顯著性分析

采用極差分析法，評定各試驗因素對瀝青改性效果影響的顯著性。極差分析法是指每一因素三個影響水平下的平均值的極大值與極小值之差，差值愈大，該因素對試驗結果影響程度越顯著。對表5試驗結果進行極差分析，結果如表6所示。

由表6可知：

根據車轍因子的極差分析結果可知，各因素對高溫性能影響顯著性排序為SBS摻量＞剪切溫度＞剪切時間＞CR摻量；根據60 s蠕變勁度模量的極差分析結果可知，各因素對低溫性能影響顯著性排序為SBS摻量＞剪切時間＞剪切溫度＞CR摻量。結合考慮本研究成果主要應用于西南地區，因此以高溫性能指標作為確認SBS-CR復合改性瀝青制備參數確定的主控指標，故推薦制備參數為：SBS摻量為6%，CR摻量為12%，剪切溫度為175 ℃，剪切時間為45 min。

3 SBS-CR復合改性瀝青混合料路用性能分析

為探討采用上述研究制備的SBS-CR復合改性在混合料中的應用效果，采用SBS改性瀝青（SBS摻量為6%）、CR改性瀝青（CR摻量為12%）及基質瀝青（70^#A級）制備的同一級配瀝青混合料作為對照組，對四種瀝青混合料進行高溫穩定性及低溫抗裂性研究。

瀝青混合料路面在高溫條件下的工況為反復作用的豎向行車荷載，本文采用動態蠕變試驗對該工況進行模擬，并以試驗過程中的蠕變穩定發展階段的模型方程和流變次數對瀝青混合料的高溫穩定性進行評價。同時，采用低溫小梁彎曲試驗的最大彎拉應變對瀝青混合料的低溫抗裂性能進行評價，試驗結果見表7。

由表7可知：

SBS-CR復合改性瀝青料的流變次數FN最大，且斜率K最小，CR改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料結果相近，而基質瀝青混合料的流變次數最小，且斜率最大，說明瀝青混合料高溫穩定性排序為SBS-CR復合改性瀝青＞CR改性瀝青＞SBS改性瀝青＞基質瀝青，SBS與CR的單一改性瀝青混合料高溫性能均優于基質瀝青混合料，而SBS-CR復合改性瀝青的高溫性能最佳。

四種瀝青混合料的最大彎拉應變排序為SBS改性瀝青＞SBS-CR復合改性瀝青＞基質瀝青＞CR改性瀝青，說明試驗過程中CR改性瀝青混合料與基質瀝青混合料承受低溫應變能力較差，低溫抗裂性能一般，而摻入SBS與CR進行復合改性，復合改性瀝青混合料的最大彎拉應變與SBS改性瀝青接近，低溫抗裂性較好。

綜合本節分析，SBS-CR復合改性瀝青混合料的高溫穩定性優于單一改性瀝青或基質瀝青混合料，且其低溫抗裂性與SBS改性瀝青混合料接近，具備較好的低溫抗裂性能。

4 結語

（1）經過瀝青高低溫性能及影響因素分析，推薦SBS-CR復合改性瀝青的制備參數為：SBS摻量為6%，CR摻量為12%，剪切溫度為175 ℃，剪切時間為45 min。

（2）從對四種瀝青混合料的路用性能試驗可知，SBS-CR復合改性瀝青混合料的高溫穩定性均優于SBS或CR單一改性瀝青，且其低溫抗裂性幾乎與SBS改性瀝青混合料相當。

參考文獻：

[1]楊 溧.橡膠改性瀝青碎石封層在道路養護工程中的應用[J].交通世界，2023，647（17）：109-111.

[2]丁維建，何欣懌，楊艷華，等.基于反應參數的橡膠瀝青流變性能及機理研究[J].公路，2023，68（6）：403-409.

[3]呂悅晶，盧 冰，簡 川，等.溫拌劑對橡膠瀝青流變特性的影響研究[J].武漢理工大學學報，2023，45（3）：45-52.

[4]劉延軍.廢膠粉與SBS復合改性瀝青黏彈體系及其路用性能研究[D].青島：中國石油大學（華東），2017.

[5]許麗麗.橡膠粉/SBS/溫拌劑復合改性瀝青的制備及其性能研究[D].邯鄲：河北工程大學，2022.