李旭豪，高 杰，鄒 鵬，何杰忠

（1.廣州市高速公路有限公司營(yíng)運(yùn)分公司，廣東 廣州510030；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 201804）

0 引言

將廢舊輪胎加工制作成膠粉，添加到瀝青當(dāng)中，不僅可以改進(jìn)瀝青各個(gè)方面的使用性能，而且還可以緩解廢舊輪胎帶來(lái)的污染問(wèn)題。然而目前傳統(tǒng)橡膠瀝青的發(fā)展也存在著問(wèn)題，即膠粉利用率低，在傳統(tǒng)制備工藝下膠粉摻量很難超過(guò)20%，不能更大程度上對(duì)廢舊膠粉合理利用。在本文中將膠粉摻量大于20%（內(nèi)摻）的膠粉改性瀝青稱為高摻量膠粉改性瀝青。

為了解決膠粉利用率低的問(wèn)題，很多學(xué)者提出了不同的工藝來(lái)提高膠粉摻量，從而實(shí)現(xiàn)高摻量膠粉改性瀝青技術(shù)，使橡膠活化[1]、液化[2]或添加降粘劑[3]等是目前最為主流的方法，但是目前摻量超過(guò)33%（內(nèi)摻）的研究鮮有，以上工藝僅能一定程度上提高膠粉摻量，瀝青依舊存在粘度大和存儲(chǔ)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，為了進(jìn)一步提高膠粉摻量，需要探究新的工藝。

Terminal Blend 技術(shù)的出現(xiàn)從“高溫?zé)峤狻钡慕嵌葹楦邠搅磕z粉改性瀝青的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)途徑，它使大部分的膠粉溶解于瀝青之中，從而可以從根本上解決高摻量膠粉改性瀝青粘度大等問(wèn)題[4]。但是Zanzotto[5]和麥迪遜分校瀝青研究組[6]的研究均表明：高溫下膠粉深度脫硫降解后，將會(huì)導(dǎo)致改性瀝青的模量降低，彈性性能大幅降低，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。同時(shí)唐乃鵬[7]研究表明，向高溫制備的TB瀝青中摻入SBS 后可改善由于膠粉降解造成的高溫性能下降，這也一定程度上保證了高溫法制備高摻量膠粉改性瀝青的實(shí)現(xiàn)。

綜上，高溫法制備高摻量膠粉改性瀝青可能存在由于膠粉降解帶來(lái)的高溫性能差的問(wèn)題，這會(huì)限制高摻量膠粉瀝青的實(shí)現(xiàn)，但是國(guó)內(nèi)外研究也表明，復(fù)配SBS 等交聯(lián)劑后可提高TB 瀝青的高溫性能，因此有必要研究高溫法制備的高摻量膠粉改性瀝青的高溫性能的優(yōu)劣以及SBS 摻量的影響，如果可以實(shí)現(xiàn)更高摻量的膠粉改性瀝青技術(shù)，將具有重大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

瀝青選用的是埃索70# 基質(zhì)瀝青，膠粉選用江陰30 目橡膠粉，SBS 選用岳陽(yáng)石化公司生產(chǎn)的線型SBS。將膠粉加入到基質(zhì)瀝青當(dāng)中，在280℃下高速剪切6 h，制備膠粉摻量為35%的改性瀝青；復(fù)合改性瀝青則通過(guò)將高摻量膠粉改性瀝青加熱至180℃后，外摻相應(yīng)質(zhì)量的SBS，攪拌1.5 h，再繼續(xù)加入穩(wěn)定劑（硫磺）攪拌0.5 h 制得。改性瀝青的制備方案見(jiàn)表1。

表1 改性瀝青制備方案及基本指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 基本性能指標(biāo)試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范內(nèi)容,對(duì)高摻量膠粉改性瀝青進(jìn)行25℃針入度、軟化點(diǎn)、5℃延度試驗(yàn)和180℃粘度試驗(yàn)，探究高摻量膠粉改性瀝青的基本性能以及SBS 對(duì)復(fù)合改性瀝青基本性能的影響，確定SBS 的合適摻量。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范內(nèi)容，對(duì)高摻量膠粉改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)即RTFOT 試驗(yàn)，用來(lái)模仿改性瀝青短期老化的過(guò)程。

1.2.3 DS R 時(shí)間掃描試驗(yàn)

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）進(jìn)行時(shí)間掃描試驗(yàn)，獲取原樣瀝青和短期老化瀝青樣品在不同溫度下的模量G* 與相位角δ，并以此計(jì)算Superpave 車(chē)轍因子G*/sinδ，從而得到瀝青樣品的高溫PG 分級(jí)；按照ASTM D7643 可以計(jì)算得到瀝青樣品的高溫連續(xù)分級(jí)溫度。

1.2.4 多應(yīng)力重復(fù)蠕變回復(fù)試驗(yàn)（MS CR）

多應(yīng)力重復(fù)蠕變回復(fù)試驗(yàn)MSCR（Multiple Stress Creep and Recovery）主要用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高溫性能以及彈性響應(yīng)，見(jiàn)圖1。在64℃下，對(duì)短期老化后的瀝青樣品進(jìn)行MSCR 試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參考AASHTO TP-70，首先在0.1 kPa 應(yīng)力下實(shí)施20 次蠕變回復(fù)循環(huán)周期，緊接著在3.2 kPa 應(yīng)力下實(shí)施10 次蠕變回復(fù)循環(huán)周期。

圖1 高溫P G 試驗(yàn)及MS CR 試驗(yàn)

每個(gè)循環(huán)周期由1 s 的蠕變和9 s 的回復(fù)組成。基于以下公式計(jì)算每個(gè)蠕變回復(fù)周期內(nèi)的回復(fù)率（R%）和不可回復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr），對(duì)0.1 kPa 應(yīng)力11～20 個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值可得回復(fù)率R0.1 和不可回復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1；對(duì)3.2 kPa 應(yīng)力10 個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值可得到回復(fù)率R3.2 和不可回復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2。

式中：εp為每個(gè)周期內(nèi)，1 s 處的峰值應(yīng)變；εu為每個(gè)周期內(nèi)，10 s 處未恢復(fù)應(yīng)變；σ 為蠕變應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高摻量膠粉改性瀝青基本性能

對(duì)E70# 基質(zhì)瀝青以及SBS 摻量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%的高摻量膠粉改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)和180℃粘度試驗(yàn)，見(jiàn)圖2，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 基本性能指標(biāo)試驗(yàn)

表3 高摻量膠粉改性瀝青基本性能

加入35%膠粉后，改性瀝青的針入度大幅度增長(zhǎng)，軟化點(diǎn)、延度和粘度均較低，性能較差，無(wú)法達(dá)到路面使用要求，這是由于橡膠分子高溫裂解為小分子造成的；復(fù)配SBS 后，隨著SBS 摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的針入度不斷減小，軟化點(diǎn)不斷升高，5℃延度不斷增大，高低溫性能不斷改善；復(fù)合改性瀝青的180℃黏度也隨著SBS 摻量的提高不斷增大，當(dāng)SBS 摻量為5%時(shí)，35+5S 瀝青的黏度為4.5 Pa·s，此時(shí)黏度過(guò)大，施工和易性較差。

2.2 高摻量膠粉改性瀝青的高溫P G 連續(xù)分級(jí)

對(duì)E70# 基質(zhì)瀝青以及SBS 摻量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%的高摻量膠粉改性瀝青進(jìn)行DSR時(shí)間掃描試驗(yàn)，獲得各個(gè)瀝青樣品原樣和短期老化后的車(chē)轍因子，進(jìn)而得到各個(gè)瀝青樣品的高溫PG 連續(xù)分級(jí)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 高摻量膠粉改性瀝青高溫P G 試驗(yàn)結(jié)果

從圖3 中可以看出，高摻量膠粉改性瀝青在未復(fù)配SBS 時(shí)的高溫PG 連續(xù)分級(jí)為60.59，高溫性能較差（ESSO70# 基質(zhì)瀝青的PG 分級(jí)為63.3℃）。隨著SBS 摻量的提高，高摻量膠粉改性瀝青的原樣高溫PG 連續(xù)分級(jí)和短期老化后的高溫PG 連續(xù)分級(jí)都在逐漸增大，這說(shuō)明隨著SBS 摻量的提高，改性瀝青的高溫性能不斷改善，SBS 的改性效果顯著，當(dāng)SBS 摻量為3%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的高溫PG 連續(xù)分級(jí)為79.63℃，高溫PG 分級(jí)為76℃，高溫性能優(yōu)越。

2.3 高摻量膠粉改性瀝青的MS CR 結(jié)果

對(duì)E70# 基質(zhì)瀝青以及SBS 摻量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%的高摻量膠粉改性瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，獲得各個(gè)瀝青樣品短期老化后的回復(fù)率（R%）和不可回復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr），結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4 可以看出，回復(fù)率R0.1 和R3.2 均隨SBS摻量的提高逐漸增大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1 和Jnr3.2 均隨SBS 摻量的提高逐漸減小，這說(shuō)明高摻量膠粉改性瀝青的彈性性能隨著SBS 摻量的提高逐漸改善。

圖4 高摻量膠粉改性瀝青MS CR 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)SBS 摻量較小時(shí)，R0.1、R3.2、Jnr0.1 和Jnr3.2變化幅度較大，說(shuō)明此時(shí)SBS 摻量的提高對(duì)其彈性性能的改善很顯著；然而當(dāng)SBS 摻量較高（4%）時(shí)再繼續(xù)增加SBS 摻量，R0.1、R3.2、Jnr0.1 和Jnr3.2 的變化幅度極小，這說(shuō)明當(dāng)SBS 摻量較高時(shí)繼續(xù)增加SBS 摻量對(duì)瀝青彈性性能的提升有限，從經(jīng)濟(jì)和性能角度綜合出發(fā)，SBS 摻量并不是越高越好。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）從基本性能指標(biāo)看，高溫法制備的高摻量膠粉改性瀝青（35%）性能較差，無(wú)法達(dá)到使用要求，SBS 的摻加可以降低高摻量膠粉改性瀝青的針入度，提高其軟化點(diǎn)、延度和黏度，使改性瀝青的基本性能指標(biāo)達(dá)到路面使用要求；

（2）高摻量膠粉改性瀝青的高溫性能差，SBS 的摻加可以顯著改善其高溫性能：

從高溫PG 分級(jí)結(jié)果看，隨著SBS 摻量的提高，復(fù)合改性瀝青的高溫PG 連續(xù)分級(jí)逐漸提高，當(dāng)SBS摻量為3%時(shí)，其高溫PG 連續(xù)分級(jí)為79.63℃，高溫PG 分級(jí)為76℃，高溫性能優(yōu)越；從MSCR 結(jié)果看，隨著SBS 摻量的提高，復(fù)合改性瀝青的R0.1、R3.2逐漸增大，Jnr0.1、Jnr3.2 逐漸減小，彈性性能不斷改善，當(dāng)SBS 摻量為3%、4%時(shí)。

（3）當(dāng)SBS 摻量較高時(shí)，復(fù)合改性瀝青的黏度較大，不利于施工，而且此時(shí)SBS 摻量的繼續(xù)增加對(duì)高溫性能的改善有限，所以從性能和經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，SBS 的摻量并不是越高越好，35%高摻量膠粉改性瀝青的最優(yōu)摻量為3%、4%。