馬慶偉， 郭忠印， 李文博， 郭平， 王光輝

(1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市 201804； 2.西安公路研究院, 陜西 西安 710065； 3.西安科技大學(xué)， 陜西 西安 710054； 4.中北工程設(shè)計咨詢有限公司， 陜西 西安 710068)

橡膠瀝青在低溫性能方面具有優(yōu)良特性，且已被用于一些路面的建設(shè)，但其在高溫性能方面存在的穩(wěn)定性問題還未被完全解決，因此橡膠瀝青還未被大面積推廣應(yīng)用[1-4]。有關(guān)專家已針對橡膠瀝青的高溫性能做了一些工作，夏瑋[5]探究了橡膠瀝青的路用及高溫性能與施工工藝的關(guān)系，得出了攪拌時間、膠粉目數(shù)和摻量對橡膠瀝青性能的影響規(guī)律；肖川[6]采用一系列試驗得到了橡膠瀝青的制備工藝方案，并經(jīng)過動態(tài)剪切流變試驗得出結(jié)論：一定程度上將橡膠瀝青粉膠比減小，且利用水泥作為填料將礦粉取代，能夠改善其混合料的高溫性能；郭平、彌海晨[7-8]等發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青混合料的高溫性能隨著橡膠瀝青的軟化點、黏度提高而增加；影響橡膠瀝青高溫性能的主要因素有膠粉的目數(shù)及摻量等，目數(shù)及摻量越大，橡膠瀝青及其混合料的高溫性能越好。

道路工作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SBS對于橡膠瀝青及其混合料的高溫性能有較大的改善。該文采用高溫指標(biāo)軟化點和黏度，通過8種不一樣的方法制備復(fù)合橡膠瀝青，通過高溫性能的試驗結(jié)果選擇最佳的制備工藝，最后通過正交試驗確定復(fù)合橡膠瀝青膠粉的目數(shù)和摻量以及SBS的摻量，并探究加熱次數(shù)對CR/SBS的性能影響。該文的研究將促進橡膠瀝青及混合料的廣泛應(yīng)用，促進廢舊輪胎的回收利用并提升路面性能，對構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的社會具有重要意義。

1 材料及試驗

1.1 材料

(1) 瀝青

基質(zhì)瀝青采用90#基質(zhì)瀝青，改性瀝青為SBS改性瀝青，相關(guān)試驗技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 瀝青相關(guān)性質(zhì)

(2) 膠粉

膠粉為福建某一橡膠廠生產(chǎn)的膠粉，目數(shù)為30目、40目和60目。膠粉外觀見圖1。所用的膠粉篩分結(jié)果見表2，膠粉的化學(xué)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 膠粉篩分結(jié)果

表3 膠粉化學(xué)技術(shù)指標(biāo) %

圖1 膠粉外觀

(3) SBS改性劑

岳陽某品牌4303星型改性劑。

1.2 試驗方案

(1) 復(fù)合橡膠瀝青制備工藝初定

對復(fù)合橡膠改性瀝青性能影響因素主要分為內(nèi)在和外在兩個原因，內(nèi)因是膠粉及SBS材料自身的性能，外因是復(fù)合橡膠制備方法的差異[9]。根據(jù)以往文獻[10-14]中提到的不同復(fù)合橡膠瀝青的加工工藝，該文設(shè)計了4類方案，具體見表4。

(2) 復(fù)合橡膠瀝青制備工藝確定

為更加準(zhǔn)確確定較好的試驗方案，不僅需要考慮瀝青的性能，也要注重混合料的性能[15-16]。故在方案1、2、3、4的結(jié)果上，以每個方案中高溫性能較好的工藝A制備復(fù)合瀝青，成型車轍板，進行相關(guān)試驗。

(3) 高溫性能較優(yōu)的復(fù)合橡膠瀝青材料組成研究

根據(jù)相關(guān)文獻[17-20]研究，膠粉摻量、SBS摻量和膠粉目數(shù)是主要影響復(fù)合橡膠瀝青高溫性能的3大主要因素。在之前確定的復(fù)合橡膠瀝青制備工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計正交試驗，對3種因素進行研究，分別為A、B、C，每個因素確定3種水平，正交表為L9(34)。

(4) 加熱次數(shù)對復(fù)合橡膠瀝青的性能影響研究

為了探究復(fù)合橡膠瀝青在經(jīng)過多次加熱后高溫性能及儲存穩(wěn)定性的變化，選取軟化點、黏度以及離析管頂部與底部的軟化點差為指標(biāo)，分別對比SBS改性瀝青、橡膠瀝青與復(fù)合橡膠瀝青3個指標(biāo)的改變情況，并通過熒光顯微圖進行微觀分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同方案制備的復(fù)合橡膠瀝青性能

根據(jù)表4的試驗方案制成的復(fù)合橡膠瀝青性能試驗結(jié)果如表5所示。

表4 不同的復(fù)合橡膠瀝青試驗方案

通過軟化點、黏度、針入度指數(shù)等指標(biāo)來選擇性能較優(yōu)的制備方案。從表5可看出：方案1中工藝A和B的軟化點和180 ℃黏度無顯著差別，即兩個工藝無明顯區(qū)別，也就是加入SBS改性劑前后，剪切與攪拌的次序?qū)?fù)合橡膠瀝青的高溫性能無明顯影響?？傮w上，方案1中工藝A制備的復(fù)合橡膠瀝青高溫性能稍好。方案2中兩種工藝的軟化點只相差了2.1 ℃，但工藝A的180 ℃黏度較工藝B提高了0.959 Pa·s，可看出二次剪切后，復(fù)合橡膠瀝青的軟化點無明顯變化，黏度會降低。重點考慮軟化點，方案2工藝A制備的復(fù)合橡膠瀝青高溫性能較好。方案3兩種工藝的軟化點相差了3.1 ℃，工藝A較工藝B的180 ℃黏度提高了1.052 Pa·s，可看出剪切時間對復(fù)合橡膠瀝青的軟化點無明顯影響，對黏度影響明顯，隨著剪切時間的變長，黏度會漸漸降低。重點考慮軟化點，方案3中工藝A制備的復(fù)合橡膠瀝青高溫性能較好。方案4中工藝A比工藝B的軟化點只高了1.4 ℃、180 ℃黏度只高了0.281 Pa·s，兩種工藝差別不大，即往橡膠瀝青中加SBS改性劑或往SBS改性瀝青中加膠粉對復(fù)合橡膠瀝青高溫性能無明顯影響。相比較而言，方案4中工藝A制備的復(fù)合橡膠瀝青高溫性能稍好。

表5 不同復(fù)合橡膠瀝青試驗方案的試驗結(jié)果

綜合針入度、延度等指標(biāo)來看，4種方案中工藝A的性能都要強于工藝B。SBS改性劑加入至橡膠瀝青后，復(fù)合橡膠瀝青的軟化點有了一定程度的提高，說明其高溫性能有了相應(yīng)的改善。由于在制備工藝中存在剪切的步驟，因此復(fù)合橡膠瀝青的黏度變小。復(fù)合橡膠瀝青的針入度指數(shù)都大于不添加SBS改性劑的橡膠瀝青，說明其對溫度的敏感性較小，低溫性能也有改善。綜合來看，復(fù)合橡膠瀝青的高低溫性能都有提高。

2.2 復(fù)合橡膠瀝青制備工藝確定

4種方案的復(fù)合橡膠瀝青混合料高溫性能如表6所示。

通過表6能夠看出：4種方案中，從軟化點、動穩(wěn)定度等指標(biāo)來分析，方案3工藝A制備的復(fù)合橡膠瀝青軟化點(75.1 ℃)、PI(2.69)、黏度(2.596 Pa·s)等性能表現(xiàn)較好，且混合料高溫性能優(yōu)良，動穩(wěn)定度(5 401次/mm)最高，相對變形(2.89%)最小。方案3工藝A的制備工藝流程也相對簡單。因此，以方案3工藝A為后文研究中復(fù)合橡膠瀝青的制備工藝。

表6 4種復(fù)合橡膠瀝青的試驗方案結(jié)果

2.3 復(fù)合橡膠瀝青材料組成確定

由于試驗變量較多，為簡化試驗次數(shù)，故采用正交試驗，試驗結(jié)果及方差分析如表7、8所示。

由表7、8可知：SBS摻量對復(fù)合橡膠瀝青的高溫性能指標(biāo)軟化點有顯著影響，軟化點會隨著SBS摻量的增大而增大；膠粉摻量以及膠粉目數(shù)對軟化點影響不大。膠粉摻量對黏度和針入度指數(shù)PI有顯著影響，黏度和針入度指數(shù)PI會隨著膠粉摻量的增大而增大；SBS摻量以及膠粉目數(shù)對黏度、PI影響不大。綜上，考慮到SBS改性劑及較細(xì)膠粉的成本較大等現(xiàn)實原因，確定復(fù)合橡膠瀝青材料組成為：17%膠粉、2% SBS和40目膠粉。

表7 正交試驗結(jié)果

表8 正交試驗方差分析結(jié)果

2.4 加熱次數(shù)對復(fù)合橡膠瀝青性能影響研究

(1) 加熱次數(shù)對高溫性能影響

加熱次數(shù)對3種瀝青軟化點、黏度的影響試驗結(jié)果見圖3、4。

由圖3可以看出：AR的軟化點隨加熱次數(shù)的變化相差不大，經(jīng)不同加熱次數(shù)后，AR的高溫性能保持不變。SBS改性瀝青加熱后，軟化點有了一定幅度的下降，第3次加熱后軟化點相比第一次降低了5.1 ℃，說明多次加熱后，瀝青的高溫性能有一定程度的變差。復(fù)合橡膠瀝青的軟化點保持得較為穩(wěn)定，多次加熱后，其高溫性能無較大變化。

圖3 多次加熱后軟化點變化圖

從圖4可以看出：加熱次數(shù)變多，橡膠瀝青的180 ℃黏度隨之變小，第3次加熱后，黏度相比第1次降低了0.5 Pa·s，AR的高溫性能略有降低。SBS的135 ℃黏度隨加熱次數(shù)的增加而減小，但降低幅度并不大，第2次與第3次加熱后相比第1次分別降低了0.152、0.173 Pa·s，加熱后SBS改性瀝青的高溫性能略有降低。隨著加熱次數(shù)的增加，復(fù)合橡膠瀝青的180 ℃黏度也隨之減小，第2次與第3次加熱后相比第1次分別降低了0.223、0.228 Pa·s。說明了經(jīng)不同加熱次數(shù)后，復(fù)合橡膠瀝青的高溫性能略有降低。

圖4 多次加熱后黏度變化圖

(2) 加熱次數(shù)對穩(wěn)定性能的影響

為研究CR/SBS的儲存穩(wěn)定性能，分別對比加入穩(wěn)定劑和不加穩(wěn)定劑的CR/SBS與AR、SBS改性瀝青多次加熱后的軟化點差，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 多次加熱后不同瀝青的軟化點差

由圖5可以看出：多次加熱后AR與SBS改性瀝青的穩(wěn)定性能仍較好。3次加熱后離析試驗頂部和底部的軟化點之差都在改性瀝青儲存穩(wěn)定性要求的2.5 ℃之內(nèi)。加與未加穩(wěn)定劑的CR/SBS在第一加熱后的軟化點溫度差尚符合要求,但第2次加熱及第3次加熱后，軟化點溫度差較大，超過了規(guī)定值，因此多次加熱后CR/SBS的穩(wěn)定性能較差，且由圖5可知：加入穩(wěn)定劑與未加穩(wěn)定劑，復(fù)合橡膠瀝青在經(jīng)過多次加熱后，軟化點都會在10 ℃以上，所以穩(wěn)定劑對于復(fù)合橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性的改善并無作用。

(3) 熒光顯微圖分析

為了分析復(fù)合橡膠瀝青多次加熱后穩(wěn)定性能差的原因，利用熒光顯微技術(shù)觀察3種瀝青在加熱3次后的熒光顯微圖，結(jié)果見圖6。

圖6 瀝青熒光顯微圖(SBS改性瀝青放大400倍，AR及CR/SBS放大100倍)

由圖6可看出：在橡膠瀝青中，可以明顯看到細(xì)長條的物質(zhì)，即膠粉在瀝青中的形狀為細(xì)長條，而不是顆粒狀。經(jīng)過加熱后，橡膠瀝青頂部和底部的顯微熒光無明顯差異，穩(wěn)定性較好，無離析現(xiàn)象發(fā)生，與前文試驗結(jié)果相符。復(fù)合橡膠瀝青中的SBS改性劑大部分位于底部，處于積聚狀態(tài)，在受到加熱后，SBS改性劑和膠粉相從聚集變?yōu)榉蛛x。SBS改性劑在圖中為黃色點狀物質(zhì)，從圖中可以明顯看到復(fù)合橡膠瀝青離析試驗中SBS改性劑凝聚在頂部，同時膠粉主要沉積在底部，表明穩(wěn)定劑對于復(fù)合橡膠瀝青作用不明顯，添加之后復(fù)合橡膠瀝青仍會發(fā)生離析，生產(chǎn)后應(yīng)盡快使用，避免長時間存放造成離析影響使用效果。

3 結(jié)論

(1) 從改善復(fù)合橡膠瀝青PI、軟化點、黏度及其混合料動穩(wěn)定度的角度考慮，得出了復(fù)合橡膠瀝青性能較好的制備工藝為：將膠粉與SBS一起加至燒熱瀝青中，然后攪拌均勻，溫度設(shè)為180 ℃下剪切30 min并攪拌30 min，最后在烘箱中溶脹30 min。

(2) 設(shè)計正交試驗，并進行方差分析，研究了SBS摻量、膠粉摻量和膠粉目數(shù)對復(fù)合橡膠瀝青高溫性能的影響，結(jié)果表明：SBS摻量對軟化點有顯著影響，膠粉摻量對黏度和PI有顯著影響。后續(xù)研究中復(fù)合橡膠瀝青確定材料組成為：17%膠粉、2%SBS和40目膠粉。

(3) 對復(fù)合橡膠瀝青、橡膠瀝青AR和SBS改性瀝青進行了加熱次數(shù)對高溫指標(biāo)和穩(wěn)定性的影響研究，3種瀝青經(jīng)多次加熱后，高溫性能都有下降的趨勢，但下降不顯著；復(fù)合橡膠瀝青(不加穩(wěn)定劑)的穩(wěn)定性較差，其他兩種瀝青的穩(wěn)定性較好。多次加熱后，通過顯微觀察，復(fù)合橡膠瀝青中SBS改性劑與膠粉從聚集變?yōu)榉稚顟B(tài)，并在底部積聚。