大摻量脫硫膠粉改性瀝青性能分析

尹業豪 楊明

作者簡介：尹業豪（1989—），碩士，工程師，研究方向：道路材料。

文章介紹了35%摻量的脫硫膠粉改性瀝青的制備方法，并通過熱儲存試驗、離析試驗、老化試驗、DSR試驗等探究脫硫膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青、基質瀝青的性能差異，探討大摻量脫硫橡膠瀝青在路面工程中的應用前景。與SBS改性瀝青相比，35%脫硫膠粉改性瀝青的離析軟化點為1.3 ℃、針入度殘留比為93.4%、延度殘留比為81.7%，在老化耐久性、離析性、熱儲存穩定性等方面更優越。流變試驗表明，35%脫硫膠粉改性瀝青具有更高的復數剪切模量和更小的相位角，高溫穩定性較好。這些研究結果可為大摻量脫硫膠粉改性瀝青性能評估提供參考。

脫硫膠粉改性瀝青；老化耐久性能；離析性能；流變性能

U414.1A170613

0?引言

隨著社會對道路交通的需求不斷提高，行車舒適的瀝青路面已經成為城市交通基礎設施的重要組成部分［1］。然而，傳統的瀝青路面存在許多問題，如高溫車轍、低溫開裂、疲勞損壞等，這些問題嚴重影響了路面的使用性能和壽命。為了提高瀝青路面的性能，許多研究者將目光投向了新型的脫硫膠粉改性瀝青［2-3］。

脫硫膠粉改性瀝青是將通過脫硫工藝制得的橡膠粉融入瀝青中形成的一種新型材料。與傳統的瀝青相比，脫硫膠粉改性瀝青具有更好的高溫穩定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能，因此被認為是一種具有廣泛應用前景的道路建筑材料［4-5］。然而，盡管脫硫橡膠瀝青具有諸多優點，但對于其高低溫性能的研究仍存在一定的不足。針對這一問題，當前相關研究主要集中在探索膠粉的改性方法以及優化其摻量對瀝青性能的影響。其中，脫硫膠粉的制備過程是通過特殊工藝（如高溫、拉伸等）打斷膠粉中的部分化學鍵，從而生成短分子鏈的脫硫膠粉［6］。這種制備方法可以提高膠粉的活性，使其與基質瀝青中的分子發生交聯反應，形成更穩定的交聯結構。同時，研究者們也發現，適當增加膠粉的摻量可以進一步提高脫硫橡膠瀝青的性能。然而，過高的膠粉摻量會導致瀝青的流動性降低，產生離析等問題。因此，如何找到合適的膠粉摻量，是提高脫硫橡膠瀝青性能的關鍵［7］。

本文將研究大摻量脫硫橡膠瀝青的各項基礎性能與流變性能。通過熱儲存試驗、離析試驗、老化試驗、DSR試驗等探究脫硫膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青、基質瀝青的性能差異，綜合分析脫硫膠粉改性瀝青的高溫性能、低溫性能及抗老化性能表現，為大摻量脫硫膠粉改性瀝青的制備與推廣提供借鑒。

1?材料與試驗方法

1.1?原材料性能分析

1.1.1?基質瀝青

本研究采用了廣西地區生產的70#基質瀝青，其具體指標如表1所示。

1.1.2?膠粉

本研究采用的橡膠粉是由汽車子午胎經過粉碎篩分等工藝制成的。整個制備過程在常溫下進行，且只涉及物理處理，沒有涉及化學反應。本試驗中使用的橡膠粉顆粒為40目，其檢測結果如下頁表2所示。

脫硫膠粉的生產工藝流程如下：

（1）根據配方比例，將橡膠粉和橡膠軟化劑等原料準備好。

（2）將配好的橡膠粉顆粒投入脫硫罐中。

（3）將脫硫罐加熱至235 ℃，使橡膠粉在高溫狀態下發生裂解反應。

（4）2 h后，待脫硫罐壓力降低，將裂解脫硫后的橡膠粉通過冷卻裝置排出進行試驗。

1.2?大摻量脫硫膠粉改性瀝青配方及制備方法

經過前期多次試驗后確定了最終35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的制備配比。配方中各組分的摻量如表3所示。

制備方法為：基質瀝青加熱到180 ℃后，投入脫硫膠粉和SBS助劑，攪拌30 min后剪切10 min，之后加入穩定劑，繼續攪拌80 min后完成制備。整個制備過程溫度控制在175 ℃～185 ℃。

2?大摻量脫硫膠粉改性瀝青性能分析

2.1?熱儲存穩定性性能分析

膠粉改性瀝青在推廣方面面臨的一大挑戰是膠粉與基質瀝青之間的相容性問題。由于其相容性不佳，運輸和儲存過程中容易出現指標變化，因此研究脫硫膠粉改性瀝青的熱儲存穩定性具有重要意義。將SBS改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青置于163 ℃烘箱中保存8 h、16 h、32 h和64 h，然后進行三大指標試驗，通過試驗數據來評估改性瀝青的熱儲存穩定性。試驗數據如表4所示。

根據表4的試驗結果，SBS改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青在不同時間段內的性能表現有明顯差異。首先，軟化點方面，SBS改性瀝青初始軟化點較高，為73.4 ℃，而脫硫橡膠改性瀝青的軟化點則更高，為75.1 ℃，表明脫硫橡膠改性瀝青具有更好的高溫性能。然后，隨著時間的推移，SBS改性瀝青的軟化點變化較小，＞32 h后，軟化點有相對較大的降幅，而脫硫橡膠改性瀝青的軟化點雖逐漸下降，但最終降幅小于SBS改性瀝青，說明脫硫橡膠改性瀝青的高溫儲存性能略好。

SBS改性瀝青的初始針入度較高，表明其抗變形性能較差，而脫硫橡膠改性瀝青的初始針入度較低，表明其更耐高溫變形。在64 h后，SBS改性瀝青的針入度明顯上升，而脫硫橡膠改性瀝青的針入度穩步上升但仍小于SBS改性瀝青，表現出更好的耐老化性能。SBS改性瀝青的初始延度較高，表明其韌性較好，而脫硫橡膠改性瀝青的初始延度較低，但隨時間增加，SBS改性瀝青的延度逐漸下降，而脫硫橡膠改性瀝青的延度逐漸增加，尤其在64 h后，兩者的延度差距減小。這意味著脫硫橡膠改性瀝青具有更好的耐老化性能，可以在長期使用中維持較好的延度性能。

2.2?離析現象分析

軟化點差是評估不同類型瀝青性能的重要參數之一。對3種瀝青進行163 ℃的離析軟化點差試驗，試驗結果見圖1。基質瀝青內部組成相對單一穩定，在軟化點差方面表現穩定，而SBS改性瀝青和35%摻量脫硫膠粉改性瀝青均摻入了外在的改性物質，導致離析程度均大于基質瀝青。然而，脫硫膠粉改性瀝青的離析程度要低于SBS改性瀝青。這種差異的主要原因是，SBS改性瀝青是通過物理共混SBS與瀝青，而在持續高溫環境下，部分SBS顆粒會攜帶基質瀝青中的輕質組分沉淀到底部，導致SBS改性瀝青上下部含有的SBS顆粒不均勻，這在指標上顯示為軟化點差較大。

脫硫膠粉改性瀝青也會產生沉淀效應，因為在制作過程中加入了少量SBS，這導致改性瀝青有輕微沉淀。此外，還有一部分膠粉顆粒未與基質瀝青完全共融溶脹或未發生降解反應，導致脫硫膠粉改性瀝青出現沉淀離析。然而，在制備脫硫膠粉改性瀝青時加入的SBS相對較少，且加入了穩定劑，這提高了脫硫膠粉改性瀝青的高溫穩定性。因此，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的軟化點差僅為SBS改性瀝青的43.3%。

2.3?老化耐久性分析

在氧氣和高溫的作用下，瀝青內部的輕質油分比例會減少，導致瀝青的性能發生變化，這就是瀝青的老化。本文研究了3種瀝青老化前后的針入度、延度、軟化點的變化，具體結果見表5。對于基質瀝青，老化前針入度為68，老化后降至45，針入度殘留比為66.2%，表明老化后仍保持較高的針入度，表現出一定的耐老化性能。對于SBS改性瀝青，老化前針入度為53.3，老化后下降至38.4。針入度殘留比為72.0%，比基質瀝青的殘留針入度比高。對于脫硫膠粉改性瀝青，老化前針入度為44.1，老化后變為41.2，針入度殘留比為93.4%，耐老化性能較為出色。

對于老化前后的延度指標，SBS改性瀝青老化后衰減至16.8 cm，延度殘留比僅為52.7%，表明老化作用對其影響很大。脫硫膠粉改性瀝青老化后僅減小了2.8 cm，延度殘留比為81.7%，表明老化后延度性能保持得非常好。

軟化點增量的大小反映了瀝青老化前后高溫穩定性的好壞。基質瀝青老化前后的軟化點增量為4.7 ℃，是3種瀝青中最大的。而脫硫膠粉改性瀝青老化前后的軟化點增量僅為2.2 ℃，是3種瀝青中最小的，表明其具備較好的抗老化性能。

2.4?高溫流變性能分析

本試驗通過測定3種瀝青的動態剪切流變性能來評估其抵抗車轍的能力，并采用復數剪切模量（G*）和相位角（δ）來描述膠改瀝青的黏性和彈性性質。試驗設定了6個溫度條件：88 ℃、82 ℃、76 ℃、70 ℃、64 ℃和58 ℃進行動態剪切流變試驗。通過這些測試，可以進一步了解在不同溫度下3種瀝青的動態剪切性能，從而評估其在抵抗車轍方面的性能。

2.4.1?復數剪切模量

復數剪切模量（G*）是用于評估改性瀝青抵抗變形能力的重要指標。根據圖2的試驗數據，隨著試驗溫度的升高，基質瀝青、SBS改性瀝青和35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的G*都呈下降趨勢。這種現象主要由于在高溫下，這3種瀝青類型都表現出較高的流動性和較低的黏性，從而減弱了其抵抗剪切應力的能力。

需要特別注意的是，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在各個溫度下都展現出比SBS改性瀝青和基質瀝青更出色的抗剪切性能。舉例來說，在58 ℃溫度下，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的G*值是SBS改性瀝青的1.20倍，是基質瀝青的3.34倍；而隨著溫度升高，這種差距進一步擴大。在70 ℃時，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的G*值是SBS改性瀝青的1.55倍，是基質瀝青的6.15倍。這清楚地表明，在相同溫度條件下，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在抗剪切方面具有顯著的優勢，表現了35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在高溫條件下具有卓越的抗變形性能。

2.4.2?相位角

相位角δ是用來評估瀝青內部摩擦力和對剪切作用的抵抗能力的重要參數。根據圖3中的試驗結果，隨著溫度的上升，3種瀝青的相位角δ逐漸增大。這表明隨著溫度升高，瀝青中的黏性成分相對增多，而彈性成分減少，導致瀝青由原本的粘彈性逐漸轉變為粘流性。

值得注意的是，在比較兩種改性瀝青的相位角δ時，可以看到其變化幅度相對較小。從58 ℃到88 ℃，脫硫膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的相位角變化都不大，分別增加了0.93和1.17。這表明這兩種改性瀝青在抵抗變形方面都有所提高，且提高幅度相近。此外，在相同溫度下，基質瀝青的相位角δ最大，SBS改性瀝青次之，而35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的相位角δ最小。這進一步證實了在這3種改性瀝青中，黏性成分比例最高的是基質瀝青，最低的是35%摻量脫硫膠粉改性瀝青。這一結

果強化了35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在高溫下具有更強的抵抗變形的性能。隨著溫度升高，3種瀝青的相位角δ逐漸增大，而35%摻量脫硫膠粉改性瀝青表現出最小的增加量。這進一步驗證了35%摻量脫硫膠粉改性瀝青在高溫下具有更好的抵抗變形的性能，對于改性瀝青材料的研究和應用具有重要的指導意義。

3?結語

通過對大摻量脫硫膠粉改性瀝青各項指標進行相關試驗，得到以下結論：

（1）與SBS改性瀝青相比，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青具有更高的軟化點，更小的存儲性能變化，具有較好的高溫儲存穩定性。

（2）由于膠粉的活性增加，使得脫硫膠粉改性瀝青的離析只有1.3 ℃。這表明其耐儲存離析情況良好。

（3）3種瀝青老化后的性能數據顯示，35%摻量脫硫膠粉改性瀝青最接近老化前的性能，而其他兩種瀝青在老化后都受到了一定程度的影響，其中基質瀝青受影響更大。這表明35%摻量脫硫膠粉改性瀝青的抗老化性能更加優良。

（4）35%摻量脫硫膠粉改性瀝青具有更高的復數剪切模量和更小的相位角，在高溫流變試驗中表現出良好的性能。

參考文獻

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