周 慧 周開(kāi)利

大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料制備及路用性能研究

周 慧 周開(kāi)利

（昆明公路局，云南 昆明 650200）

為一定程度上解決膠粉摻量增加引起的粘度增加而使得膠粉改性瀝青摻量受限的問(wèn)題，依托在做項(xiàng)目，研究25%大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，并進(jìn)行瀝青及混合料性能研究。結(jié)果得到：TOR/HDPE的添加可以實(shí)現(xiàn)滿足性能要求的大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的制備；提出了一種25%膠粉/SBS改性瀝青的制備方法。

大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性；配合比設(shè)計(jì)；路用性能

1 概述

SBS常用于瀝青改性，但由于成本較高，無(wú)法大量摻入使用。廢舊輪胎處理為膠粉用作改性劑一定程度上降低了廢舊輪胎污染問(wèn)題，且成本較低；膠粉用于瀝青改性，摻量越高，效果越好，但瀝青粘度隨之提高。已有研究主要關(guān)注將膠粉和其它改性劑一同添加進(jìn)行復(fù)合改性，但膠粉摻量主要集中在20%以下[1]。本文依托在做項(xiàng)目，研究25%大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，并進(jìn)行瀝青及混合料性能研究。

2 原材料技術(shù)性能

2.1 石料

本研究粗、細(xì)集料及填料分別為玄武巖碎石、石灰?guī)r石屑和石灰?guī)r礦粉，技術(shù)性質(zhì)均滿足相應(yīng)指標(biāo)要求。

2.2 瀝青

一般SBS改性瀝青與20%摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，相應(yīng)指標(biāo)如下：

表1 瀝青性能指標(biāo)

2.3 大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青

為了后續(xù)的永久變形實(shí)驗(yàn)，需先制備出能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求的大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青。為降低膠粉摻量增大帶來(lái)的瀝青粘度增大的問(wèn)題，采取添加可降低粘度的添加劑。

2.3.1改性要點(diǎn)分析

（1）濕法改性，先將基質(zhì)瀝青加熱到合適的高溫狀態(tài)，然后加入已經(jīng)粉碎為粉末的膠粉，一邊加入一邊攪拌，使其充分融合，在經(jīng)過(guò)充分剪切后，放入烘箱發(fā)育，最后制備成為膠粉改性瀝青[2]。依據(jù)溶脹原理，膠粉在加入基質(zhì)瀝青后，會(huì)產(chǎn)生溶脹反應(yīng)，通過(guò)吸收基質(zhì)瀝青輕質(zhì)組分使膠粉被瀝青充分裹附，形成一層凝膠膜。在高溫條件下，膠粉自身也會(huì)產(chǎn)生裂解反應(yīng)，相互吸收輕質(zhì)組分，膠粉裂解后的物質(zhì)會(huì)進(jìn)入到瀝青中，而這些物質(zhì)可以改善基質(zhì)瀝青的各種性能，主要是高溫和抗老化性能。同時(shí)，兩者的相互滲透會(huì)使其形成一個(gè)聯(lián)系緊密的膠結(jié)料，這個(gè)膠結(jié)料可以表現(xiàn)出比基質(zhì)瀝青更好的性能，從而達(dá)到膠粉改性瀝青性能的目的。

（2）膠粉瀝青技術(shù)要點(diǎn)

合格的橡膠瀝青需要達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，而美國(guó)ASTMD8-88給出的要求已經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明具有重要的參考價(jià)值，主要有以下幾點(diǎn)規(guī)定：

①膠粉含量：為了使膠粉能夠較好發(fā)揮其改性作用，膠粉的摻量不能太低，規(guī)定其摻量至少要在15%以上；

②反應(yīng)時(shí)間：為實(shí)現(xiàn)膠粉與基質(zhì)瀝青充分交換組分，需保證溶脹時(shí)間在10min以上；

③溫度控制：為了提高膠粉在基質(zhì)瀝青中的活性以及裂解的高效性，應(yīng)該在基質(zhì)瀝青加熱到180℃后再加入膠粉進(jìn)行攪拌，在發(fā)生溶脹反應(yīng)時(shí)還要使溫度高于180℃使溶脹反應(yīng)更加迅速；

④材料特性：膠粉改性瀝青除了改善基質(zhì)瀝青一般性能，一般還具有較高的粘性和彈性。

2.3.2原材料選擇以及設(shè)備選擇

（1）膠粉

膠粉要形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮其良好性能，20~60目膠粉顆粒相對(duì)較為合適，本研究選擇60目膠粉顆粒，摻量為25%。

（2）SBS

SBS已普遍用于對(duì)基質(zhì)瀝青改性，主要表現(xiàn)為提高軟化點(diǎn)，增大延度；摻量提高，改性效果也會(huì)加強(qiáng)，但是其成本較高，無(wú)法大量添加，確定摻量為3%。

（3）添加劑

大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備的一個(gè)問(wèn)題是其過(guò)高的體系粘度，不利于分散以及施工。選用HDPE、TOR兩種添加劑[3]、[4]對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行降黏以及優(yōu)化復(fù)合改性瀝青性能。

（4）設(shè)備選擇高速剪切儀，并配備恒溫油浴鍋以及烘箱等相關(guān)設(shè)備。

2.3.3大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備

（1）要點(diǎn)

①基質(zhì)瀝青預(yù)熱，逐漸加入SBS，并不停攪拌，充分溶脹10min；

②恒溫水浴，加入改性瀝青，高速剪切，此過(guò)程快速加入膠粉及TOR或HDPE添加劑，剪切時(shí)間為1h，剪切速率逐漸加大至維持在4500r/min；

③185℃烘箱發(fā)育。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)

參考相關(guān)研究結(jié)論，選取TOR和HDPE摻量均為3.0%、4.5%、6.0%，兩者最佳摻量均為4.5%，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻量下復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)

從結(jié)果可以看出，選用4.5%摻量的HDPE改性瀝青性能要優(yōu)于4.5%摻量的TOR大摻量復(fù)合改性瀝青。

3 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合試驗(yàn)中所選用的瀝青有三種：①普通SBS改性瀝青，②20%膠粉摻量的膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，③自制25%膠粉摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青。

3.1 瀝青混合料級(jí)配組成

根據(jù)本研究特點(diǎn)，三種瀝青混合料均采用AC-13型級(jí)配。

3.2 馬歇爾試件制備

按照給定級(jí)配，使用精度較高的電子秤稱取粗細(xì)集料并充分混合，礦粉在稱取好質(zhì)量后需要單獨(dú)存放。在進(jìn)行攪拌時(shí)，首先加入的是粗細(xì)集料，再將達(dá)到預(yù)定溫度的一定質(zhì)量的瀝青均勻加入拌鍋中，充分?jǐn)嚢?0s，接下來(lái)倒入單獨(dú)裝盤的礦粉繼續(xù)攪拌，攪拌時(shí)間也是90s，一共攪拌3min。稱取一定質(zhì)量的瀝青混合料到馬歇爾擊實(shí)模具中，進(jìn)行雙面擊實(shí)，次數(shù)均為75次。

3.3 確定瀝青混合料最佳油石比

3.3.1 20%膠粉摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料

20%膠粉摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，一共選擇了五組油石比，油石比分別為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%。按照規(guī)范要求測(cè)定各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，每組四個(gè)試件，去掉異常值后，取平均值作為最后結(jié)果，按照順序依次通過(guò)性能指標(biāo)確定混合料最佳油石比。

表3 20%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表4 20%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青最佳油石比（%）確定

如表4所示，20%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青混合料所確定的最佳油石比為5.1%。

3.3.2 SBS改性瀝青混合料

SBS改性瀝青混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，選擇五組油石比分別為3.9%、4.2%、4.5%、4.8%、5.1%。按照規(guī)范要求測(cè)定五組各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，每組四個(gè)試件，取掉異常值后，取平均值作為最后結(jié)果，確定油石比過(guò)程與前面基本一致，此處不再贅述。

表5 SBS改性瀝青馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算得到，SBS改性瀝青混合料所確定的最佳油石比為4.8%。

3.3.3 25%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青混合料

25%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青混合料在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，選擇五組油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%。

表6 25%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算得到，25%膠粉摻量復(fù)合改性瀝青混合料所確定的最佳油石比為5.1%。

3.4 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能測(cè)試

3.4.1水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性是一個(gè)十分重要的路用性能指標(biāo)，它關(guān)系著瀝青混合料在水的作用下，保持性能穩(wěn)定的能力。水穩(wěn)性試驗(yàn)測(cè)試方法較多，我國(guó)主要使用試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便的凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)，這兩種評(píng)價(jià)方法有效且準(zhǔn)確。凍融劈裂法試驗(yàn)條件要求高，但是其結(jié)果能反映出集料不同以及膠結(jié)料粘附性不同所帶來(lái)的差別，其水穩(wěn)定性狀況反映較為完備。本文選擇凍融劈裂試驗(yàn)方法對(duì)三種不同瀝青類型的混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

表7 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明，AC-13型級(jí)配下三種改性瀝青混合料都具有良好的水穩(wěn)定性，三種改性瀝青混合料的最佳油石比都滿足水穩(wěn)定性的要求。

3.4.2高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性關(guān)系著其是否能夠具有長(zhǎng)期使用壽命，更是與永久變形有聯(lián)系，一般配合比設(shè)計(jì)中選擇車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料是否滿足高溫性能。為了模擬實(shí)際行駛的情況，選擇好試驗(yàn)溫度，通過(guò)車輪在車轍板的反復(fù)行走產(chǎn)生永久變形，以此來(lái)反映混合料抗車轍性能。由于其試驗(yàn)結(jié)果能在一定程度上反應(yīng)實(shí)際路面車轍的情況，且設(shè)備操作簡(jiǎn)單直接，應(yīng)用廣泛。本文選擇車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)三種瀝青混合料最佳油石比下的高溫性能。

表8 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓0.7MPa。檢驗(yàn)結(jié)果表明，AC-13型級(jí)配下三種改性瀝青混合料都具有良好的抗車轍能力，最佳油石比滿足車轍的規(guī)范要求，滿足實(shí)際項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)。

3.4.3抗?jié)B性能

滲水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。檢驗(yàn)結(jié)果表明，用輪碾法成型的三種改性瀝青混合料試件的抗?jié)B水能力較好，最佳油石比滿足抗?jié)B水性能的要求。滿足實(shí)際項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)。

表9 瀝青混合料滲水試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)可知，三種類型的瀝青混合料在最佳油石比下均滿足路用性能要求。

4 總結(jié)

（1）分析并提出了復(fù)合改性瀝青制備要點(diǎn)，比較了不同摻量TOR、HDPE下復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)。

（2）為了驗(yàn)證大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的性能，分別選擇了普通SBS改性瀝青、20%膠粉摻量的膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青以及自制25%膠粉摻量的大摻量膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備瀝青混合料，采用馬歇爾法進(jìn)行三種改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。

（3）選用級(jí)配為AC-13型級(jí)配，通過(guò)馬歇爾法得到三種類型瀝青混合料最佳油石比，并且驗(yàn)證了其路用性能，三種改性瀝青混合料所得到的最佳油石比形成的混合料性能滿足規(guī)范以及項(xiàng)目技術(shù)要求。

[1]劉斌,胡省.廢橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù)性能研究[J].公路工程,2019,44(06):257-260.

[2]向麗. 廢橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的機(jī)理和性能研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（華東）,2011.

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