田伯科，趙 薇，李永明，曹昊楠，姚愛玲

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司,陜西 西安 710032;2.長安大學公路學院,陜西 西安 710064; 3.天津市市政工程設計研究院,天津 300051)

改性瀝青材料目前最常見的是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青和橡膠粉改性瀝青[1]。SBS改性瀝青具有良好的高低溫和疲勞性能,但是價格昂貴;廢舊橡膠粉作為廢舊輪胎的主要材料,添加在瀝青中不僅提高瀝青的高低溫流變性能和抗疲勞性,還可以有效減少環(huán)境污染,降低改性瀝青的生產(chǎn)成本[2]。研究橡膠瀝青符合當下循環(huán)經(jīng)濟和長壽命路面的核心[3],同時,重載交通的增加也對瀝青的高黏和高彈性能有較高的要求[4],這便需要將SBS與膠粉兩者復合用于改性瀝青。此時,不僅可以發(fā)揮兩種改性劑共同的優(yōu)勢,而且在循環(huán)經(jīng)濟的基礎上提高瀝青路面的綜合性能。國內(nèi)外學者針對膠粉/SBS復合改性瀝青及其混合料性能進行了相關研究,研究發(fā)現(xiàn)[5-9]SBS/膠粉復合改性瀝青性能優(yōu)于單一SBS改性瀝青,廢舊輪胎膠粉的加入不僅提高了SBS改性瀝青中的彈性成分,而且提高了改性瀝青的高低溫流變性能、抗老化性能,降低了溫度敏感性。周艷等[10]發(fā)現(xiàn)膠粉摻量的增加可以促進TB/SBS復合改性瀝青的交聯(lián)反應,從而增強瀝青的彈性恢復能力和高溫性能。目前膠粉/SBS復合改性瀝青的膠粉摻量約為18%～20%,王歌[11]發(fā)現(xiàn)當膠粉摻量為33%～45%時,與普通摻量膠粉改性瀝青相比,高摻量膠粉/SBS改性瀝青各項性能指標都有不同程度改善。研究表明[12-14],高摻量膠粉/SBS改性瀝青路面具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性,可以延長路面使用壽命。

鑒于此,本文以膠粉裂解脫硫的方式制備高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青,優(yōu)化制備工藝,確定膠粉、裂解劑最佳摻量,以單一膠粉改性瀝青、單一SBS改性瀝青和普通摻量膠粉/SBS復合改性瀝青為對照組,通過車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、四點彎曲疲勞試驗分析對比高摻量膠粉/SBS改性瀝青的高低溫性能及其混合料的綜合路用性能。

1 原材料性能與復合改性瀝青的制備工藝

1.1 原材料性能

基質(zhì)瀝青選用茂名石化生產(chǎn)的70號道路石油瀝青,瀝青技術指標均滿足JTG F40—2004規(guī)范要求,如表1所示。SBS改性劑是巴陵石化某公司生產(chǎn)的YH791型SBS(線形,嵌段比為30/70)。本文采用廢舊輪胎粉碎后的橡膠粉,細度為40目。本文選擇外加河北某公司生產(chǎn)的裂解劑RHT8501,增加膠粉在瀝青中的流動性和摻入量,采用河北某廠家生產(chǎn)的芳烴油提高裂解劑與橡膠粉和瀝青的相容性。

表1 基質(zhì)瀝青技術指標

1.2 膠粉/SBS復合改性瀝青制備工藝

1)普通摻量橡膠粉/SBS復合改性瀝青。本試驗以普通摻量橡膠粉/SBS復合改性瀝青為對比,確定改性瀝青剪切過程中的最佳溫度和時間、改性劑的添加順序和最佳摻量。通過試驗確定符合改性瀝青性能和經(jīng)濟型的最高橡膠粉摻量為21%,SBS摻量為3%(均為占基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比例)。普通膠粉/SBS復合改性瀝青最優(yōu)制備工藝如圖1所示。

2)高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青。將制備好的普通摻量的膠粉/SBS改性瀝青置于烘箱發(fā)育后,發(fā)現(xiàn)瀝青中存在一些較小、分布較為分散的顆粒,分析原因可能是SBS發(fā)育不夠充分形成的;同時由于高摻量膠粉會增加復合改性瀝青的黏度和軟化點,因此需要在最佳溫度下先用芳烴油使其溶脹,再添加裂解劑打開膠粉的硫化體系,提高膠粉在瀝青中的流動性和摻入量,使兩者反應更充分?；谶@兩點,在制備高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青前對改性劑進行以下的預處理:a.將SBS顆粒加入高速粉碎機中運行15 min;b.取相應比例的橡膠粉、芳烴油和RHT8501裂解劑,用電動攪拌器攪拌10 min,攪拌均勻后將盛樣缸在110 ℃的烘箱中下加熱60 min,對其進行預活化。然后按照圖1的工藝流程將預活化好的改性劑加入基質(zhì)瀝青中。

2 高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青中膠粉和裂解劑摻量的確定

2.1 試驗方案與試驗結果

目前大多數(shù)膠粉改性瀝青中膠粉摻量為基質(zhì)瀝青的20%左右,為了研究膠粉/SBS復合改性瀝青中膠粉的最高摻量和最佳裂解劑摻量,本文選定SBS摻量為3%,芳烴油摻量為3%,膠粉摻量為30%～46%,每種方案間隔4%,RHT8501裂解劑摻量1%～2%,每種方案間隔0.5%。選取瀝青三大指標、旋轉(zhuǎn)黏度、彈性恢復以及儲存穩(wěn)定性六個指標來分析,不同膠粉摻量和裂解劑摻量對膠粉/SBS復合改性瀝青性能的影響,試驗結果如圖2—圖7所示。

2.2 試驗結果分析

通過對上述試驗結果(如圖2—圖7所示)進行分析,可以得出以下結論:

1)隨著膠粉摻量的增加,瀝青的軟化點、180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度在增加,而25 ℃針入度和5 ℃延度都在減小,這可能是由于膠粉和SBS的充分溶脹使其與瀝青共同組成穩(wěn)定的連續(xù)網(wǎng)絡結構,提高了橡膠粉/SBS復合改性瀝青的高溫性能和黏度,增強了基質(zhì)瀝青的耐熱性、黏稠性,改善了瀝青的高溫性能;而過多的橡膠粉聚集成團,難以接觸瀝青,所以膠粉游離于體系中,瀝青低溫延展性變差;同時彈性恢復不斷增加,可能是膠粉吸附瀝青中的輕質(zhì)組分、油分而溶脹發(fā)育,形成網(wǎng)狀結構物,增強了橡膠瀝青的抗變形能力;當膠粉摻量低于42%時,48 h軟化點差值符合規(guī)范要求的2.5 ℃,復合改性瀝青具有較好的相容性和儲存穩(wěn)定性。

2)隨著裂解劑摻量的增加,軟化點、180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和彈性恢復性能降低,說明裂解劑的增加降低了高溫敏感性和黏度,切斷了膠粉“硫橋”化學鍵,使得瀝青的抗塑性變形能力減小,高溫變形恢復能力減弱;25 ℃針入度增強,5 ℃延度先增大后減小,說明裂解劑摻量的增加使得膠粉分子鏈從硫化體系中分離,分子鏈數(shù)量增加,瀝青塑性增加,延度隨之增加。但過多的裂解劑在一定程度上會破壞膠粉結構,瀝青的塑性變形能力變差,因此當裂解劑摻量從1.5%增加到2%時瀝青延度下降;48 ℃軟化點差先減小后增大,說明裂解劑將膠粉分解成細小顆粒,與SBS組成致密的交聯(lián)結構,延緩了改性劑的離析,但過多的裂解劑降低了復合改性瀝青的黏度,減小了改性劑下沉的阻礙,因此軟化點差變大。

3)綜合分析,當膠粉摻量小于42%時,瀝青各項指標性能較為優(yōu)異,因此確定膠粉摻量為42%;裂解劑摻量為1.5%時,瀝青的延度和儲存穩(wěn)定性較好,考慮性能和經(jīng)濟型,故最終確定的裂解劑最佳摻量為1.5%。

3 瀝青混合料的路用性能

3.1 瀝青混合料配合比

由于膠粉改性瀝青黏度較大,我國各個地區(qū)都有相應的橡膠瀝青施工標準,根據(jù)山西省地方標準DB14/T 160—2015公路改性瀝青路面施工技術規(guī)范[15]橡膠混合料級配選用間斷級配ARAC-13級配中值,級配范圍如表2所示。

表2 橡膠瀝青混合料礦料級配范圍

集料采用深灰色含硅質(zhì)板巖,為塊狀構造,粗細集料及礦粉相關指標均滿足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規(guī)范[16]要求。根據(jù)馬歇爾試驗配合比設計方法確定高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青的油石比及各個馬歇爾技術指標,基于各項技術指標的共同范圍得出最佳瀝青用量為6.6%,試驗結果如表3所示。按照相同方法得出其余幾種瀝青混合料的油石比,結果如表4所示。

表3 高摻量膠粉/SBS瀝青混合料馬歇爾試驗結果

表4 6種瀝青混合料最佳油石比

在表4中,基質(zhì)瀝青混合料和3%摻量的SBS改性瀝青混合料采用級配SMA-13,編號分別為A和B。其余瀝青混合料采用間斷級配ARAC-13,其中樣品編號C,D,F,G分別代表21%膠粉瀝青混合料、42%膠粉瀝青混合料、3%SBS+21%普通膠粉摻量瀝青混合料和3%SBS+42%高膠粉摻量的瀝青混合料。

3.2 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料高溫性能的優(yōu)異影響道路的安全性和舒適性,與道路的使用壽命息息相關,本文按照JTG E20—2011試驗規(guī)程[17]中T0919—2011瀝青混合料車轍試驗的動穩(wěn)定度指標評價6個混合料的高溫穩(wěn)定性。車轍試驗是通過輪碾法在壓強0.7 MPa,溫度60 ℃的試驗條件下將瀝青混合料成型于300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件中,試驗結果見表5。

表5 6種瀝青混合料的動穩(wěn)定度DS試驗結果

由表5可得以下結論:1)B類瀝青混合料的動穩(wěn)定度值高于C,D兩類混合料的動穩(wěn)定度值?？赡苁且驗槟z粉改性瀝青與集料的交互作用不如SBS改性瀝青,導致膠粉混合料抗高溫永久變形能力較弱,所以動穩(wěn)定度值不如SBS類的。2)兩種復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度值均高于相應的單一膠粉類混合料,但對比C,D類和E,F類混合料而言,膠粉摻量的增加并沒有明顯提高混合料的動穩(wěn)定度?？梢娀旌狭现蠸BS所提供的黏結力增強了結構瀝青與礦料的交互作用,占混合料高溫性能的主要影響因素,膠粉提供的內(nèi)聚力占高溫性能的次要影響因素。3)相比基質(zhì)瀝青混合料,高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青混合料顯著提升了混合料的高溫穩(wěn)定性,動穩(wěn)定度提高了309%,表明裂解后的改性瀝青中膠粉顆粒充分溶脹和降解,與SBS相互交聯(lián),從而提高了混合料的抗高溫變形能力。

3.3 瀝青混合料低溫抗裂性

本文按照JTG E20—2011試驗規(guī)程中T0715—2011瀝青混合料彎曲試驗測試6個混合料的低溫穩(wěn)定性,以試件破壞時的彎拉應變和勁度模量為評價指標。在最佳油石比下成型混合料的車轍板試件,然后將車轍板按要求切割成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件,在-10 ℃測試不同混合料的撓度-荷載曲線,其試驗結果如圖8,圖9所示。

從圖8,圖9可以得出結論:

1)相比較于A類混合料,B,C,D類混合料的彎拉應變分別提高49.5%,56.4%和61.5%,勁度模量分別降低了16.1%,25.8%和26.2%,發(fā)現(xiàn)膠粉瀝青混合料比SBS瀝青混合料的低溫抗裂效果更好,同時膠粉摻量的增加對低溫效果并沒有明顯改善,可能是由于膠粉自身特性,當混合料在受到較大的拉伸應力時,膠粉顆粒會產(chǎn)生大量的裂紋稀釋應力的作用,從而提高了低溫性能。

2)對比C,D和E,F兩種普通摻量膠粉和高摻量膠粉瀝青混合料,發(fā)現(xiàn)高摻量膠粉比普通摻量的膠粉彎拉應變大,說明膠粉在加入裂解劑后被硫化和降解,吸收瀝青的輕質(zhì)組分,充分溶脹形成網(wǎng)狀結構,而SBS的加入使得網(wǎng)狀結構更加緊密,提高了混合料的低溫抗裂性。

3.4 瀝青混合料水穩(wěn)性能

本文按照JTG E20—2011試驗規(guī)程中T0709浸水馬歇爾試驗、T0729凍融劈裂試驗測試6個瀝青混合料的水穩(wěn)定性,以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比為評價指標。浸水馬歇爾試驗是將成型好的瀝青混合料馬歇爾試件分別在60 ℃恒溫水浴中放置0.5 h和48 h,測量兩組試件的馬歇爾穩(wěn)定度,通過計算可得殘留穩(wěn)定度。凍融劈裂試驗是將成型的馬歇爾試件在溫度25 ℃的恒溫水浴中保持2 h,以50 mm/min的加載速度測試水損害前后的破壞荷載,計算得出劈裂強度比。其結果如圖10所示。

從圖10可以得出結論:

1)與A類混合料相比較,B,C,D類的殘留穩(wěn)定度分別提高了9.16%,7.33%和6.21%,凍融劈裂強度比分別提高了9.22%,5.51%和4.61%,發(fā)現(xiàn)單一SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性大于單一改性膠粉混合料,可能是SBS改性瀝青黏附性較強,而膠粉改性瀝青的膜層較厚,導致集料表面的瀝青較少,兩者之間的結合力不足,所以水穩(wěn)定性差。

2)與D類混合料相比,C類混合料殘留穩(wěn)定度提高了1.1%,凍融劈裂強度比提高了0.86%,與F類混合料相比,E類混合料殘留穩(wěn)定度提高了2.56%,凍融劈裂強度比提高了1.04%,發(fā)現(xiàn)無論是復合改性還是單一膠粉改性,高摻量膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性均小于普通摻量膠粉改性瀝青混合料,因為高摻量膠粉在裂解后形成了S-O化學鍵,硫氧化物對水較為敏感,當水侵入混合料后會降低集料與瀝青的黏附性。

3)復合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性均大于相對應的單一膠粉瀝青混合料,可能是SBS改性瀝青本身良好的黏附性及較厚的瀝青膜對水分入侵起了一定的阻擋作用,因此水穩(wěn)定性提高。

3.5 瀝青混合料抗疲勞性能

本文按照JTG E20—2011試驗規(guī)程中T0739四點彎曲疲勞壽命試驗測試瀝青混合料的疲勞性能,控制應力水平進行加載,應力比選取為破壞荷載的0.3倍,0.5倍和0.7倍,通過式(1)對瀝青混合料的疲勞壽命進行回歸計算,得到疲勞壽命和應力水平的雙對數(shù)關系,結果如圖11所示。

lnNf=k-nlnσ

(1)

其中,Nf為疲勞壽命;σ為小梁的應力水平;k,n均為與材料有關的系數(shù)。

從圖11可以得出以下結論:

1)疲勞方程中K值越大,則疲勞壽命越大。對比圖8中各個曲線疲勞方程的K值,高摻量膠粉瀝青混合料>普通摻量膠粉瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料,說明橡膠粉具有良好的自愈能力可以抵抗疲勞荷載和抗裂紋能力,改善混合料的疲勞性能。

2)高摻量復合改性瀝青混合料的疲勞方程K值>普通摻量復合改性瀝青混合料,可能是裂解后膠粉和SBS在瀝青中發(fā)育更加充分,形成了更加緊密的網(wǎng)狀結構,而且分子量的增多也提高了材料的抗疲勞及抗損傷能力,因此具有好的疲勞性能。

3)疲勞方程中n值越大則混合料應力敏感性越大。而高摻量復合改性瀝青n值較小,說明膠粉裂解后可以降低混合料的應力敏感性。

4 結論

1)綜合瀝青的三大指標、黏度、彈性恢復等試驗指標,確定了本文制備的高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青的最佳膠粉摻量為42%,裂解劑摻量為1.5%,瀝青的耐熱性、黏稠性和低溫延展性顯著提高,并且具有較好的彈性恢復能力和儲存穩(wěn)定性。

2)高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青混合料有優(yōu)異的高溫抗車轍、低溫抗開裂和水穩(wěn)定性能。相比于基質(zhì)瀝青混合料,其動穩(wěn)定度提升了309%,達到了7 150次/mm,彎拉應變提升了73.9%,勁度模量降低了27.3%,殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別提升了14.3%和11.1%,為進一步研究膠粉/SBS改性瀝青的應用起到了推廣作用。

3)高摻量膠粉/SBS復合改性瀝青加入裂解劑后,膠粉溶脹更加充分,膠粉顆粒吸收瀝青中的輕質(zhì)組分和油分,為SBS的著床提供了條件,膠粉和SBS接枝相連,形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡結構,最終提高了改性瀝青混合料優(yōu)異的路用性能。