許 巍, 楊 斌

(湘潭九華經(jīng)濟建設投資有限公司, 湖南 湘潭 411100)

0 引言

截至2018年底，中國高速公路里程達14.26萬km，其中90%以上為瀝青路面。隨著瀝青路面的不斷建設，瀝青這種不可再生資源急劇減少，瀝青成本不斷上升，找到一種石油瀝青資源替代品具有重要的戰(zhàn)略意義。

生物瀝青作為一種新型的瀝青材料替代品已被道路科研人員廣泛關注，并取得了一系列研究成果，但目前生物瀝青的高溫性能很難滿足路用性能要求。為了改善生物瀝青的高溫性能，曾夢瀾等[1-2]將巖瀝青加入到生物瀝青中，通過復合改性瀝青3大指標和短期老化試驗，考察了巖瀝青對生物瀝青高溫性能的影響。丁湛等[3]采用在生物瀝青中加入合成樹脂的方式提高了瀝青的高溫性能。姜鑫[4]證明了多聚磷酸(PPA)和非晶態(tài)α烯烴共聚物(APAO)2種聚合物能夠改善生物瀝青的高溫性能。汪海年等[5]研究了Sasobit溫拌劑對生物瀝青高溫抗車轍性能的影響。高俊鋒等[6]通過摻加SBS至生物瀝青中提高其高溫流變特性。董澤蛟等[7]對生物瀝青進行SBS / 橡膠粉復合改性，表明兩者的摻入對混合生物瀝青的高溫穩(wěn)定性有較好的提升作用。

不難看出，大多數(shù)研究學者都通過添加外摻劑來改善生物瀝青的高溫性能，其中SBS因技術成熟、易加工、改性效果優(yōu)良等特點被廣泛應用于道路工程;其相容性、配伍性、貯存穩(wěn)定性、改性機理等方面已有較多研究[8-9]。由研究成果可知，SBS與瀝青可以很好地融合，對瀝青結合料的高溫性能有明顯地提升效果，但其成本相對昂貴。

橡膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青性能相近[10-11]，能改善瀝青混合料的高溫性能，而且成本低廉，同時為廢舊輪胎的處理提供了有效途徑，因此具有顯著的社會經(jīng)濟效益，已被廣泛應用于路面材料，但其與瀝青混合的均勻性難以得到保證[12]。

為了提升生物瀝青的高溫性能，通過添加SBS與橡膠粉進行復合改性，并采用高速剪切制備復合改性生物瀝青，利用溫度掃描試驗、多重應力蠕變恢復試驗對改性生物瀝青進行高溫性能評價。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青為環(huán)烷基原油生產(chǎn)的鎮(zhèn)海AH-70。生物油為植物油脂蒸餾下來的殘渣，是精餾脂肪酸生產(chǎn)過程中得到的副產(chǎn)品，約占植物油質(zhì)量分數(shù)的3%～5%，主要成分為60%～80%的脂肪酸和植物醇，常用于路面瀝青。SBS采用巴陵石化熱塑性丁苯橡膠SBSYH-791H(1301-1)，為線型、mS∶mB=30∶70、未充油、分子量≤ 10萬的SBS。橡膠粉為40目廢舊斜交輪胎橡膠粉。

1.1.2改性瀝青制備

將70#基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱至150 ℃，待基質(zhì)瀝青具有一定流動性后，摻入一定質(zhì)量的生物油，攪拌均勻，放入加熱爐中控溫，溫度保持在150 ℃～160 ℃，啟動高速剪切儀，使轉速緩慢增至3 000 r/min，勻速轉動30 min制得生物瀝青。在制得的生物瀝青中同時加入一定比例的SBS或廢舊橡膠粉或兩者的混合物，溫度控制在180 ℃左右，將剪切儀轉速增至5 000 r/min，勻速剪切90 min后，置于烘箱中發(fā)育30 min制得復合改性瀝青。

1.2 試驗方法

參考現(xiàn)有研究學者對生物油、SBS、橡膠粉改性瀝青的研究，選定生物油摻量為5%，SBS摻量1%、2%、3%，橡膠粉摻量5%、10%、15%(內(nèi)摻)進行旋轉黏度、溫度掃描和多重應力蠕變恢復試驗。

參考現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的試驗方法對改性瀝青進行T 0625-2011旋轉黏度(RV)試驗、溫度掃描試驗,參考2019年版《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(征求意見稿)》進行多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗。

旋轉黏度測試溫度為135 ℃，溫度掃描采用原樣瀝青，溫度設置40 ℃～90 ℃，采用應變控制模式，應變目標值12%，多重應力重復蠕變試驗采用短期老化(RTFOT)的瀝青試樣，短期老化試驗方法參考T 0610-2011瀝青旋轉薄膜加熱試驗，同樣采用應變控制，應變目標值10%。

2 試驗結果及討論

2.1 黏度試驗結果與分析

為了初步判斷SBS/橡膠粉復合改性與單獨摻入SBS或橡膠粉改性生物瀝青高溫性能效果，選用135 ℃旋轉黏度大致表征改性瀝青的施工拌和或壓實性能，試驗結果見表1，繪制柱狀圖如圖1所示。

表1 單獨摻入SBS或橡膠粉與SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青黏度對比瀝青種類瀝青組成旋轉黏度/(Pa·s)170#53625%Bio38035%Bio+1%SBS45645%Bio+5%CR48855%Bio+1%SBS+5%CR689

圖1 單獨摻入SBS或橡膠粉與SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青黏度對比

從表1和圖1可以看出，生物油的加入明顯降低了基質(zhì)瀝青的黏度，這與預期效果一致，因為生物油的加入使瀝青輕組分增加，達到降黏的效果[13]；在生物瀝青中加入1%的SBS，黏度有一定提升，因為SBS均勻分布在生物瀝青中，發(fā)生溶脹與瀝青形成三維網(wǎng)絡結構，增大了流動阻力；橡膠粉的加入與SBS的原理類似，兩者都是聚合物，本身有較相似的性質(zhì)，區(qū)別在于橡膠粉的摻量一般較SBS大。

當SBS / 橡膠粉復合改性之后，生物瀝青的旋轉黏度大幅度增加，甚至超過了基質(zhì)瀝青，這是因為SBS的密度比基質(zhì)瀝青小，產(chǎn)生離析懸浮于生物瀝青之上，而橡膠粉的密度比生物瀝青大，一般容易沉入混合物底部，當兩者混合形成新型結構，其密度基本接近生物瀝青，更易形成均相結構，故對生物瀝青的高溫黏度能產(chǎn)生有利影響[14]。

2.2 溫度掃描試驗結果及分析

先對70#基質(zhì)瀝青、單摻5%生物油(Bio)、單摻1%SBS、單摻5%橡膠粉(CR)的改性瀝青分別進行溫度掃描試驗，得出各改性材料對基質(zhì)瀝青的影響效果，試驗結果見表2，繪制曲線圖如圖2所示。

表2 不同改性材料對基質(zhì)瀝青車轍因子的影響溫度/℃以下材料對應的車轍因子/kPa70#5%Bio1%SBS5%CR469.4265.37812.41511.456523.9722.3795.4594.765581.8131.1342.5882.497640.8230.5221.3251.138700.4190.2980.7830.763760.2220.1680.4670.372820.1250.0940.2370.146

圖2 不同改性材料對基質(zhì)瀝青車轍因子影響效果對比

從圖2可以看出，摻入5%生物油之后，生物瀝青相比基質(zhì)瀝青車轍因子大幅度下降，驗證了生物瀝青高溫抗車轍能力不足；SBS改性劑的加入使得基質(zhì)瀝青的車轍因子增大，且1%的摻量就已經(jīng)具有較佳的效果；橡膠粉的摻入同樣使得基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性有所提升，但5%橡膠粉較1%SBS的改性效果有所欠缺，這是因為橡膠粉與基質(zhì)瀝青的反應主要是物理作用，以共混為主，化學反應較少，而SBS顆粒相對橡膠粉與基質(zhì)瀝青分子間作用更加明顯，形成物理交聯(lián)作用，使瀝青間組分發(fā)生比例性變化，形成穩(wěn)定的凝膠型結構，從而較好地提升基質(zhì)瀝青高溫性能[12]。

已有研究表明，SBS/橡膠粉復合改性對基質(zhì)瀝青產(chǎn)生較好的效果，可以綜合兩者各自的優(yōu)勢[14]，為了更好地提升生物瀝青的高溫性能，采用不同摻量的SBS/橡膠粉復合材料對生物瀝青進行改性，考慮可比性，固定生物油比例為5%，預先探究單一不同摻量SBS、橡膠粉對生物瀝青高溫性能提升效果，試驗結果見表3和表4，其規(guī)律如圖3和圖4所示。

表3 SBS對生物瀝青車轍因子影響溫度/℃以下材料對應的車轍因子/kPa70#5%Bio5%Bio+1%SBS5%Bio+2%SBS5%Bio+3%SBS469.4265.3786.2397.4548.432523.9722.3792.6662.8793.256581.8131.1341.3191.4341.676640.8230.5220.6280.6220.713700.4190.2980.3650.3980.548760.2220.1680.2040.2160.22820.1250.0940.1130.1180.12

表4 橡膠粉對生物瀝青車轍因子影響溫度/℃以下材料對應的車轍因子/kPa70#5%Bio5%Bio+5%CR5%Bio+10%CR5%Bio+15%CR469.4265.3786.458.36410.293523.9722.3792.7633.5374.233581.8131.1341.5621.6821.945640.8230.5220.6330.7430.855700.4190.2980.3540.4130.576760.2220.1680.1940.2210.25820.1250.0940.1080.1210.14

圖3 SBS對生物瀝青高溫性能提升效果

圖4 橡膠粉對生物瀝青高溫性能提升效果

從圖3可以看出，加入SBS對生物瀝青的車轍因子有明顯提高，且隨著SBS摻量增加，效果愈加明顯。這是因為SBS一方面可以吸收瀝青里面的輕組分，增加黏性；另一方面，SBS的線型鏈狀結構可以與瀝青纏繞在一起，形成網(wǎng)絡空間結構。但加入3%SBS，其改善后的高溫性能仍不如基質(zhì)瀝青，這是因為生物油的加入使得瀝青輕組分增加、黏度降低、變得更軟，導致高溫性能變差，3%SBS摻量改善效果不足以抵消5%生物油產(chǎn)生的高溫性能下降[9,13]。

橡膠粉與SBS同是聚合物，具有類似性質(zhì)，從圖4可以看出，摻入橡膠粉后，生物瀝青車轍因子明顯增大，且隨著摻量增加，改性效果更加突出。當摻量達到15%時，高溫性能已經(jīng)超過基質(zhì)瀝青，究其原因是橡膠粉的摻入使其與瀝青質(zhì)產(chǎn)生接觸，在高溫剪切作用下發(fā)生溶脹，膠粉與瀝青嵌擠在一起形成三維結構，增大了生物瀝青的黏度和模量，從而改善生物瀝青高溫性能[10]。

與SBS不同，橡膠粉的摻量相對SBS較多，而SBS由于顆粒大小較橡膠粉占優(yōu)勢，更容易均勻分散在瀝青中，橡膠粉改性瀝青的特點就在于經(jīng)濟性好[7]。與圖3相比，15%橡膠粉改性效果較3%SBS改性效果更好，但眾所周知，橡膠粉在實際生產(chǎn)過程中很難形成均相結構，故在生物瀝青中摻入一定量的SBS，再摻入一定量的橡膠粉，可以綜合兩者優(yōu)勢，達到經(jīng)濟環(huán)保、高溫性能優(yōu)良的效果。

2.3 多重應力重復蠕變恢復試驗結果及分析

為了論證SBS/橡膠粉相比單獨摻入更能提升生物瀝青高溫性能，根據(jù)不同瀝青種類溫度掃描試驗結果，綜合確定PG高溫等級，選用58 ℃進行多重應力重復蠕變恢復試驗(MSCR)，以恢復率、不可恢復蠕變?nèi)崃孔鳛樵u價指標，對復合改性瀝青進行彈性恢復和應力效應分析，結果見表5和表6，不同SBS / 橡膠粉摻量復合改性生物瀝青和基質(zhì)瀝青高溫性能對比如圖5和圖6所示。其中：1為70#基質(zhì)瀝青，2為5%Bio生物瀝青,3為5%Bio+1%SBS+5%CR改性生物瀝青，4為5%Bio+2%SBS+5%CR改性生物瀝青，5為5%Bio+3%SBS+5%CR改性生物瀝青,6為5%Bio+1%SBS+10%CR改性生物瀝青，7為5%Bio+2%SBS+10%CR改性生物瀝青，8為5%Bio+3%SBS+10%CR改性生物瀝青,9為5%Bio+1%SBS+15%CR改性生物瀝青，10為5%Bio+2%SBS+15%CR改性生物瀝青，11為5%Bio+3%SBS+15%CR改性生物瀝青。

表5 SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青恢復率對比種類以下應力水平(kPa)對應的恢復率/%0.13.216.532.67224.160.54636.192.54747.752.837510.76.376614.28.128719.39.248823.5511.539930.4715.211035.718.331142.526.78

表6 SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃繉Ρ确N類以下應力水平(kPa)對應的不可恢復蠕變?nèi)崃?(kPa-1)0.13.211.22 1.3122.64 2.9331.39 1.6741.13 1.2050.96 1.1260.86 0.9970.65 0.7680.44 0.5390.32 0.37100.25 0.33110.19 0.27

圖5和圖6的MSCR試驗結果表明：兩種應力水平下，SBS/橡膠粉聚合物改性瀝青隨著摻量增加，其恢復率具有明顯增長趨勢，不可恢復蠕變?nèi)崃烤哂忻黠@減小規(guī)律。

與生物瀝青相比，摻入SBS/橡膠粉復合改性瀝青后，復合改性后的生物瀝青恢復率大幅提升，SBS摻量3%+橡膠粉摻量15%的情況，0.1 kPa應力水平下提升程度為改性生物瀝青之前的10倍以上，3.2 kPa應力水平下提升50倍以上；從不可恢復蠕變?nèi)崃縼砜矗啾?%生物油摻量的生物瀝青，3%SBS+15%橡膠粉摻量時，0.1 kPa應力水平下，不可恢復蠕變?nèi)崃拷档椭猎瓉淼?5.36%，3.2 kPa應力水平下降低至原來的9.32%。

圖5 SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青恢復率對比

圖6 SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青不可恢復蠕變?nèi)崃繉Ρ?/p>

與基質(zhì)瀝青相比，恢復率和不可恢復蠕變?nèi)崃?個指標表明，當SBS摻量2%+橡膠粉摻量5%時，復合改性生物瀝青高溫抗變形能力已經(jīng)超過基質(zhì)瀝青，這與溫度掃描得出的結果一致，且隨著摻量增加，改性效果更加明顯，且一直呈現(xiàn)增長趨勢。

SBS/橡膠粉聚合物改性生物瀝青之間相比，控制SBS摻量不變，增加橡膠粉摻量，復合改性生物瀝青的高溫性能呈提高趨勢；控制橡膠粉摻量不變，增加SBS摻量可以得到同樣的結果。相比SBS，提高橡膠粉摻量，復合改性生物瀝青高溫性能提高更明顯，但同時不可恢復蠕變?nèi)崃坑袦p緩趨勢，說明3%SBS和15%橡膠粉的復合已接近最佳摻量。

與單一摻入SBS或橡膠粉相比，SBS/橡膠粉復合改性瀝青可以綜合兩者的優(yōu)勢，MSCR試驗結果驗證了這一點。兩者的復合可以將改性效果進行疊加，原因在于一方面兩者同屬于聚合物，具有類似的性質(zhì)，另一方面，兩者顆粒大小不一致，可以更好地與瀝青混合形成骨架結構，且兩者的密度結合起來更接近于基質(zhì)瀝青，易在混合物中均勻分布[4,6]。經(jīng)濟性方面，SBS成本高，加工復雜，故摻量較少；橡膠粉制作工藝相對簡單，且能對廢棄物進行有效處理，故摻量較高。用一定摻量橡膠粉替代部分SBS，不僅可以節(jié)約SBS的成本，還可以處理掉廢舊輪胎。更為重要的是，兩者復合之后對生物瀝青的高溫性能提升效果極佳，同時為生物瀝青廣泛用于道路工程提供了有效途徑。

3 結論

1) 根據(jù)黏度、溫度掃描和多重應力重復蠕變恢復試驗結果，SBS/橡膠粉復合改性瀝青對生物瀝青的高溫性能提升效果優(yōu)于單一SBS改性生物瀝青或橡膠粉改性生物瀝青。

2) 在研究的SBS/橡膠粉復合改性生物瀝青摻量范圍內(nèi)，2%SBS+5%橡膠粉摻量改性的生物瀝青高溫穩(wěn)定性已經(jīng)超過70#基質(zhì)瀝青，高溫性能最佳的摻量為3%SBS+15%橡膠粉。

3) 根據(jù)車轍因子、恢復率、不可恢復蠕變?nèi)崃康?個高溫指標的試驗結果，用一定摻量的橡膠粉代替部分SBS改性生物瀝青，不僅可以疊加兩者改性生物瀝青高溫穩(wěn)定性效果，使生物瀝青滿足路用性能要求，還可以節(jié)約SBS經(jīng)濟成本，有效處理廢舊橡膠輪胎。

4) 本文通過復合改性來改善生物瀝青的高溫性能，為生物瀝青在道路工程中廣泛應用提供了有效途徑和試驗依據(jù)，但未涉及到復合改性瀝青混合料的路用性能研究，因此后續(xù)應進行復合改性生物瀝青混合料的路用性能試驗研究。