杜西西，牛振方

(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 鄭州市 450006)

季凍地區(qū)特殊的氣候條件和不斷增加的汽車荷載對瀝青路面使用性能提出更高的要求，尤其是對低溫抗裂和高溫抗車轍要求更高。目前橡膠粉單一改性瀝青存在易離析、高溫黏度大以及施工質(zhì)量難以控制等問題，與之相比廢橡膠粉與 SBS 復(fù)合改性瀝青(CR/SBSCMA)改善了上述問題而且混合料具有良好的路用性能，是一項兼具經(jīng)濟效益和社會效益的改性技術(shù)，但現(xiàn)場加工面臨著性能變異、成本投入高及儲存穩(wěn)定性差等問題。在這種背景下，圍繞季凍地區(qū)工廠化 CR/SBSCMA 生產(chǎn)、CR/SBSCMA 常規(guī)性能以及流變特性等方面開展系統(tǒng)的研究。

1 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青原材料的優(yōu)選

CR/SBSCMA的性能是瀝青性能與橡膠粉和SBS兩種改性劑性能的綜合體現(xiàn)，當(dāng)橡膠粉、SBS改性劑與基質(zhì)瀝青之間摻配比例合理時，CR/SBSCMA將會具有良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。試驗中選擇低溫性能較好的遼河90#基質(zhì)瀝青，SBS改性劑采用中國石化集團生產(chǎn)的YH-791型SBS改性劑，橡膠粉采用山東某廠商生產(chǎn)的廢舊輪胎膠粉。在已有研究的基礎(chǔ)上采用40目的橡膠粉，反應(yīng)溫度確定為180℃，發(fā)育時間確定為70min，并根據(jù)實際情況在復(fù)合改性瀝青中加入穩(wěn)定劑和助劑，研究CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的相關(guān)特性。

2 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青基本性能研究

根據(jù)目前國內(nèi)外對加入橡膠粉的復(fù)合改性瀝青的研究現(xiàn)狀，選擇軟化點、25℃針入度、5℃延度、175℃黏度、25℃彈性恢復(fù)、48h離析等6大常規(guī)指標(biāo)以及美國SHRP路用性能PG分級指標(biāo)兩種評價方法來確定CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的性能。

采用40目的橡膠粉，橡膠粉的摻量分別為11%、14%、17%、20%、23%、26%，SBS的摻量分別為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，配置CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青，研究其6大常規(guī)指標(biāo)性能，其結(jié)果如下圖所示。

圖1 SBS改性瀝青常規(guī)指標(biāo)

圖2 SBS改性瀝青黏度

由圖1中的變化趨勢可以看出：SBS改性瀝青軟化點、針入度、延度、彈性恢復(fù)等指標(biāo)隨著SBS改性劑摻量的增加而呈增長趨勢。其中5℃延度、彈性恢復(fù)、軟化點等指標(biāo)增長明顯，這說明在CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青中SBS改性劑對瀝青的延度、彈性恢復(fù)、軟化點等指標(biāo)改善明顯。

由圖2可以看出：隨著SBS改性劑摻量的增加，改性瀝青的黏度明顯增大，這一方面由于SBS的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在瀝青中起到加筋作用增強了瀝青抗剪切變形的能力，另一方面由于SBS改性劑在瀝青中吸收基質(zhì)瀝青的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹反應(yīng)，從而使瀝青變得更加黏稠。

圖3 橡膠粉改性瀝青常規(guī)指標(biāo)

圖4 橡膠粉改性瀝青粘度、穩(wěn)定性指標(biāo)

由圖3中各指標(biāo)的變化趨勢可以知道，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的彈性恢復(fù)能力逐漸增強，但隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青延度的變化沒有規(guī)律性，這是由于橡膠粉顆粒的加入，使瀝青試樣在拉伸過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而表現(xiàn)出延展性無規(guī)律性，但并不能說明瀝青的低溫延展性就變差。

由圖4中橡膠粉改性瀝青的黏度以及48h穩(wěn)定性指標(biāo)的變化規(guī)律可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的黏度迅速增加，其改善效果遠大于SBS改性劑的作用效果。隨著橡膠粉摻量的增加，其48h穩(wěn)定性逐漸變好，這是由于橡膠粉摻量增大后瀝青變得更加黏稠，橡膠粉顆粒在基質(zhì)瀝青中的分散狀況趨于穩(wěn)定。

圖5 CR/SBSCMA軟化點指標(biāo)

圖6 CR/SBSCMA 針入度指標(biāo)

由圖5可以看出在CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青中隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點在不斷升高，說明橡膠粉和SBS的加入明顯改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性，且橡膠粉和SBS改性劑的效果是疊加的。從曲線的變化趨勢可以看出，SBS對瀝青高溫穩(wěn)定性的改善效果要優(yōu)于橡膠粉。

在圖6中CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的針入度隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加，呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化趨勢，這可能是由于橡膠粉和SBS的加入使瀝青的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，故采用傳統(tǒng)的針入度方法測試復(fù)合改性瀝青的針入度已經(jīng)不適用，由此對于摻加橡膠粉的改性瀝青推薦采用錐入度的方法測試瀝青的針入度。

圖7 CR/SBSCMA 5℃延度指標(biāo)

圖8 CR/SBSCMA 175℃黏度指標(biāo)

在圖7中CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的5℃延度，整體上隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，在局部地區(qū)出現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢，這可能是由于橡膠粉的加入使得瀝青在拉伸過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況導(dǎo)致對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

由圖8CR/SBSCMA的175℃黏度可以看出，橡膠粉和SBS改性劑的加入，大大增加了瀝青的黏度，從其變化規(guī)律可以看出，橡膠粉對黏度的改善效果要優(yōu)于SBS改性劑。由此可以根據(jù)工程的需要適當(dāng)調(diào)節(jié)橡膠粉的摻量，配制出復(fù)合工程實際的CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青。

圖9 CR/SBSCMA 25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)

圖10 CR/SBSCMA 48h離析指標(biāo)

由圖9中CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)可以看出，隨著橡膠粉和SBS改性劑摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的彈性恢復(fù)性能不斷得到改善，在局部點出現(xiàn)變化規(guī)律異常的情況，但其整體變化規(guī)律比延度指標(biāo)的變化規(guī)律明顯，由此可知彈性恢復(fù)指標(biāo)比延度更適合評價CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青延展性。

由圖10可知CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的48h離析性能指標(biāo)變化較大，沒有明顯的規(guī)律性，采用保溫48h后分段測復(fù)合改性瀝青軟化點的方法來評價還需要改進。

3 PG分級方法及結(jié)果

本節(jié)采用美國SHPR瀝青路用性能規(guī)范中PG分級方法對上述6種膠粉摻配比例和4種SBS摻配比例的膠粉SBS復(fù)合改性瀝青進行性能等級劃分。

PG分級采用的主要儀器有動態(tài)剪切流變儀DSR、低溫彎曲梁流變儀 BBR、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)、壓力老化箱(PAV)。

(1)DSR試驗研究

采用DSR動態(tài)剪切流變儀測試CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的原樣瀝青、RTFOT老化后的瀝青試樣、RTFOT和PAV老化后瀝青試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，從而計算出復(fù)合改性瀝青的高溫車轍因子，根據(jù)PG 分級的條件要求：原樣瀝青G*/sinδ≥1.0kPa；RTFOT 之后的瀝青殘留物G*/sinδ≥2.2kPa。當(dāng)瀝青能夠同時滿足以上兩個條件的最高溫度，確定為瀝青的高溫等級。

(2)BBR試驗研究

BBR試驗主要用于評價復(fù)合改性瀝青的低溫流變特性。通過低溫彎曲梁蠕變試驗，測試RTFOT老化和PAV老化后的復(fù)合改性瀝青試樣的勁度模量和蠕變速率，根據(jù)PG分級的要求當(dāng)勁度模量S<300MPa、蠕變速率m>0.3時瀝青所能達到的最低溫度，確定瀝青的低溫等級。根據(jù)上述要求和試驗方法確定CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的PG分級結(jié)果如表1所示。

表1 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青PG分級結(jié)果

根據(jù)表1的PG分級數(shù)據(jù)可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，結(jié)合料的高溫等級逐漸提高，低溫等級有所下降。當(dāng)SBS摻量為 2.0%、膠粉摻量為20%時，PG等級可達PG82-28，比SBS改性瀝青PG70-28高溫高出2個等級，比基質(zhì)瀝青PG58-22高溫高出4個等級，低溫低1個等級?？梢姡珻R/SBSCMA高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

根據(jù)以上對CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)的分析研究和PG分級的研究結(jié)果，可以知道，當(dāng)橡膠粉摻量為20%、SBS改性劑摻量為2.0%時復(fù)合改性瀝青的綜合性能表現(xiàn)較好。同時根據(jù)季凍地區(qū)的氣候特點以及上述對CRSBSCMA復(fù)合改性瀝青性能的研究，在現(xiàn)有規(guī)范要求的基礎(chǔ)上提出了CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青在實際應(yīng)用中的控制參數(shù)，如表2所示。

表2 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青控制標(biāo)準(zhǔn)

4 CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青微觀性能研究

4.1 掃描電子顯微鏡細觀形態(tài)分析

根據(jù)上文中確定的摻配參數(shù)，采用40目的橡膠粉，20%的橡膠粉摻量和2%的SBS改性劑摻量制備CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青，分別在掃描電子顯微鏡下對基質(zhì)瀝青、橡膠粉顆粒、橡膠粉改性瀝青以及CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青細觀形態(tài)進行分析。如圖11～圖14所示。

圖11 橡膠粉顆粒放大500倍照片

圖12 基質(zhì)瀝青放大100倍照片

圖13 橡膠瀝青放大2000倍照片

由圖11中橡膠粉顆粒在掃描電子顯微鏡放大500倍的照片可以看出橡膠粉表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的粗糙斷面，斷面上出現(xiàn)較多的細小空隙，由此可以推斷橡膠粉顆粒在基質(zhì)瀝青中可以吸收輕質(zhì)組分，且其表面較大，有利于橡膠粉和基質(zhì)瀝青之間的溶脹反應(yīng)。對比圖12和圖13可以看出，橡膠粉在基質(zhì)瀝青中被基質(zhì)瀝青裹覆，并吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分，發(fā)生溶脹反應(yīng)，使基質(zhì)瀝青的表面出現(xiàn)突起等小顆粒，與基質(zhì)瀝青形成作用力較強的結(jié)合界面，使基質(zhì)瀝青的性能得到改善。

由圖14中的掃描圖像可知：橡膠粉吸收瀝青中的輕質(zhì)組分后溶脹更為充分，表現(xiàn)出表面凸起更為均勻致密。而由于CR/SBSCMA 加工過程中穩(wěn)定劑的加入，引發(fā)了SBS 自身間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和SBS、橡膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青間的接枝反應(yīng)，C-S-C 鍵起到搭橋作用，使橡膠分子間產(chǎn)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硫化大分子網(wǎng)絡(luò)與硫化膠粉的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)同時對瀝青的流動、滑動變形等起約束作用，從而使CR/SBSCMA 改性瀝青的性能和熱穩(wěn)定性均有所提高，改性效果更好。

4.2 DSC差熱分析研究復(fù)合改性瀝青的溫度穩(wěn)定性

(DSC)可以通過測定瀝青在溫度發(fā)生變化過程中的熱效應(yīng)分析瀝青的溫度穩(wěn)定性。在DSC譜圖中，吸收峰的位置和吸熱量的多少可以表征瀝青中組分發(fā)生聚集態(tài)的微觀變化程度。吸熱峰的面積越大，說明瀝青在該溫度區(qū)間發(fā)生變化的組分比較多，對瀝青的特性產(chǎn)生的影響越大，即熱穩(wěn)定性越差。反之，吸熱峰面積很小或很少出現(xiàn)，反映為 DSC 曲線較為平坦，說明瀝青體系較為穩(wěn)定。

采用DSC差熱分析試驗對已經(jīng)制備好的CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青、橡膠粉改性瀝青、基質(zhì)瀝青等的溫度穩(wěn)定性進行分析。其試驗結(jié)果如圖15和表3所示。

圖15 DSC差熱掃描曲線

瀝青種類峰值溫度(℃)峰寬度(℃)峰高度(Mw/mg)遼河90#基質(zhì)瀝青55.222.80.02968橡膠粉改性瀝青54.032.50.05807CR/SBSCMA48.714.40.02620

對比三種瀝青的DSC掃描曲線可以看出，橡膠瀝青和CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的溫度穩(wěn)定性明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，通過對三種瀝青的DSC曲線和參數(shù)的綜合分析可以知道，CR/SBSCMA的吸收峰最小，且其吸收峰所圍成的面積最小，說明在掃描過程中其吸收的熱量最少，在這個過程中其溫度穩(wěn)定性最好。

5 結(jié)論

(1)采用常規(guī)指標(biāo)和PG分級的方法對CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的性能進行研究，確定了復(fù)合改性瀝青中各種改性劑的摻量，并且根據(jù)實際施工的需要，推薦了工程應(yīng)用中CR/SBSCMA的控制指標(biāo)。

(2)采用掃瞄電子顯微鏡，對橡膠粉、基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青以及CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的細觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青具有良好的穩(wěn)定性和更加優(yōu)異的性能。

(3)采用DSC差熱分析的方法，研究基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青以及CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青的溫度穩(wěn)定性，從而確定了CR/SBSCMA復(fù)合改性瀝青具有更好的溫度穩(wěn)定性，在加熱過程中并沒有太多的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。