作者簡(jiǎn)介：王自宇（1976—），工程師，主要從事道路日常養(yǎng)護(hù)作業(yè)管理工作。

摘要：為研究不同SBS與CR摻量的復(fù)合改性瀝青制備過(guò)程中，剪切時(shí)間與剪切溫度對(duì)復(fù)合瀝青改性效果的影響，文章基于正交試驗(yàn)，以抗車轍因子（G^*/sinδ）及60 s蠕變勁度模量對(duì)復(fù)合改性瀝青的高低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)采用了動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)及低溫小梁試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性進(jìn)行分析。推薦SBS-CR復(fù)合改性瀝青的制備參數(shù)為：SBS摻量為6%、CR摻量為12%、剪切溫度為175 ℃、剪切時(shí)間為45 min，該參數(shù)下SBS-CR復(fù)合改性瀝青混合料表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合改性瀝青；抗車轍因子；蠕變勁度模量；正交試驗(yàn)；低溫小梁試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U416.03

0 引言

截至2023年上半年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)到4.26億輛，每年產(chǎn)生大量的廢舊橡膠輪胎。橡膠輪胎是一種高分子聚合物，不易降解，也不可焚燒，故導(dǎo)致廢舊輪胎巨量堆積，嚴(yán)重污染環(huán)境。許多道路工程研究者將橡膠輪胎磨細(xì)成膠粉（CR），并將其作為改性劑摻入瀝青中制成CR改性瀝青，這種瀝青具備良好的高溫性能，可提高瀝青混合料的抗車轍能力。楊溧^[1]將橡膠瀝青應(yīng)用于瀝青碎石封層，發(fā)現(xiàn)其有效提高瀝青路面的抗滑性能、防滲性能；丁維建等^[2]對(duì)橡膠瀝青的流變性能及機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)溫度是影響橡膠瀝青性能的最主要因素；不同反應(yīng)溫度下，LMS和橡膠瀝青宏觀性能具有良好的相關(guān)性；CR改性瀝青因其改性過(guò)程中，CR顆粒大量吸附輕質(zhì)組分導(dǎo)致瀝青稠度增大，因此為保證CR瀝青混合料施工和易性，需提高施工溫度。呂悅晶等^[3]研究不同溫拌劑對(duì)橡膠瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫拌劑對(duì)瀝青低溫性能有不利影響。近年來(lái)，許多研究者發(fā)現(xiàn)在CR改性瀝青制備過(guò)程中，摻入適量的SBS改性劑，即可改善瀝青高溫性能，同時(shí)也能在保證瀝青低溫性能的同時(shí)，降低施工溫度^[4-5]。因此本文針對(duì)膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青展開(kāi)研究，以期制得技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)良的新型瀝青混合料膠結(jié)料。

1 原材料與評(píng)價(jià)方法

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

飽和分和芳香分是瀝青中的輕質(zhì)組分，其含量越高越利于SBS或者CR在瀝青中的溶解或分散，本文選擇輕質(zhì)組分含量較高的殼牌70^#A級(jí)瀝青，性能指標(biāo)如表1所示。

1.1.2 SBS

相對(duì)于分子結(jié)構(gòu)為星型的SBS，線型SBS較易與瀝青發(fā)生融合反應(yīng)，因此本文采用線型SBS作為改性劑，其主要性能指標(biāo)如表2所示。

1.1.3 CR

膠粉（CR）采用由橡膠輪胎磨細(xì)的40目膠粉，其主要性能指標(biāo)如表3所示。

1.2 評(píng)價(jià)方法

本文采用DSR試驗(yàn)的單點(diǎn)測(cè)試模式，測(cè)試復(fù)合改性瀝青的車轍因子G^*/sinδ以評(píng)價(jià)其高溫性能，采用BBR試驗(yàn)測(cè)定瀝青在-12 ℃條件下的蠕變勁度模量以評(píng)價(jià)其低溫性能。

2 SBS-CR復(fù)合改性瀝青制備研究

改性瀝青制備一般經(jīng)歷改性劑調(diào)配、改性劑與瀝青混合研磨及分散、靜置發(fā)育三個(gè)階段。本文SBS-CR復(fù)合改性瀝青制備研究將從改性劑調(diào)配及改性劑與瀝青混合研磨兩個(gè)階段展開(kāi)。復(fù)合改性瀝青制備流程為：先將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，然后在瀝青中加入試驗(yàn)摻量的SBS與CR，并采用高速剪切機(jī)在試驗(yàn)溫度與時(shí)間條件下充分剪切分散，最后在180 ℃條件下保溫發(fā)育45 min。SBS試驗(yàn)摻量為：4%、5%、6%（占瀝青質(zhì)量百分比），CR試驗(yàn)摻量為：12%、18%、24%（占瀝青質(zhì)量百分比），試驗(yàn)剪切溫度為165 ℃、175 ℃、185 ℃，剪切時(shí)間為30 min、45 min、60 min。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

若采用全面試驗(yàn)法，試驗(yàn)數(shù)量較大，效率較低。因此本研究采用正交試驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)因素水平進(jìn)行高效設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照表4試驗(yàn)方案分別進(jìn)行DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)及黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

對(duì)表5結(jié)果采用均值分析法進(jìn)行分析，以相同因素不同水平下的試驗(yàn)結(jié)果均值表征該因素水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1～2。

2.2.1 高溫性能

隨剪切溫度的提高或剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，SBS-CR改性瀝青的高溫性能出現(xiàn)先改善后減小的現(xiàn)象。由圖1可知，隨剪切溫度和剪切時(shí)間水平的提高，瀝青的車轍因子曲線先上升后降低，這是因?yàn)殡S著剪切溫度升高或剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青中的分子鏈和膠粉顆粒及SBS鏈段更易結(jié)合，且結(jié)合得更加充分，使得瀝青高溫性能得到提高，而隨剪切溫度和剪切時(shí)間水平進(jìn)一步提高，膠粉顆粒裂解反應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)SBS與瀝青形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也被弱化，導(dǎo)致瀝青的高溫性能發(fā)生輕微下降。

在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，提高SBS和CR摻量，SBS-CR改性瀝青的高溫性能得到持續(xù)改善。由圖1可知，隨SBS和CR摻量的提高，瀝青的車轍因子曲線持續(xù)上升，這是因?yàn)镾BS摻量提高，SBS在瀝青中形成更多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了瀝青流動(dòng)，而膠粉摻量提高，吸附了瀝青中大量的輕質(zhì)組分，導(dǎo)致瀝青變得濃稠，從而表現(xiàn)出瀝青高溫性能得到提高。

2.2.2 低溫性能

隨剪切溫度的提高，SBS-CR改性瀝青的低溫性能先提升后劣化。由圖2可知，隨剪切溫度提高，瀝青的勁度模量先減小后增大，說(shuō)明提高剪切溫度有利于SBS與膠粉在瀝青中的分散，SBS更易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抵抗低溫應(yīng)力，低溫性能得到提升，而隨剪切溫度進(jìn)一步提高，瀝青可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，從而低溫性能降低。

提高SBS摻量及延長(zhǎng)剪切時(shí)間，均有利于改善SBS-CR改性瀝青的低溫性能，但是當(dāng)剪切時(shí)間從45 min延長(zhǎng)至60 min時(shí)，改善效果有所降低。隨SBS摻量及剪切時(shí)間提高，改性瀝青勁度模量均在持續(xù)下降。這是由于提高SBS摻量，瀝青中會(huì)形成更多SBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了瀝青在低溫條件下的應(yīng)力分散能力，而延長(zhǎng)剪切時(shí)間可提高SBS與膠粉在瀝青中的分散情況，當(dāng)剪切時(shí)間達(dá)到45 min時(shí)，改性瀝青與分散的改性劑已形成相對(duì)穩(wěn)定的體系，因此延長(zhǎng)剪切時(shí)間，對(duì)改性瀝青低溫性能改善不明顯。

2.3 影響因素顯著性分析

采用極差分析法，評(píng)定各試驗(yàn)因素對(duì)瀝青改性效果影響的顯著性。極差分析法是指每一因素三個(gè)影響水平下的平均值的極大值與極小值之差，差值愈大，該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度越顯著。對(duì)表5試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表6所示。

由表6可知：

根據(jù)車轍因子的極差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)高溫性能影響顯著性排序?yàn)镾BS摻量＞剪切溫度＞剪切時(shí)間＞CR摻量；根據(jù)60 s蠕變勁度模量的極差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)低溫性能影響顯著性排序?yàn)镾BS摻量＞剪切時(shí)間＞剪切溫度＞CR摻量。結(jié)合考慮本研究成果主要應(yīng)用于西南地區(qū)，因此以高溫性能指標(biāo)作為確認(rèn)SBS-CR復(fù)合改性瀝青制備參數(shù)確定的主控指標(biāo)，故推薦制備參數(shù)為：SBS摻量為6%，CR摻量為12%，剪切溫度為175 ℃，剪切時(shí)間為45 min。

3 SBS-CR復(fù)合改性瀝青混合料路用性能分析

為探討采用上述研究制備的SBS-CR復(fù)合改性在混合料中的應(yīng)用效果，采用SBS改性瀝青（SBS摻量為6%）、CR改性瀝青（CR摻量為12%）及基質(zhì)瀝青（70^#A級(jí)）制備的同一級(jí)配瀝青混合料作為對(duì)照組，對(duì)四種瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性研究。

瀝青混合料路面在高溫條件下的工況為反復(fù)作用的豎向行車荷載，本文采用動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)該工況進(jìn)行模擬，并以試驗(yàn)過(guò)程中的蠕變穩(wěn)定發(fā)展階段的模型方程和流變次數(shù)對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)的最大彎拉應(yīng)變對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知：

SBS-CR復(fù)合改性瀝青料的流變次數(shù)FN最大，且斜率K最小，CR改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料結(jié)果相近，而基質(zhì)瀝青混合料的流變次數(shù)最小，且斜率最大，說(shuō)明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性排序?yàn)镾BS-CR復(fù)合改性瀝青＞CR改性瀝青＞SBS改性瀝青＞基質(zhì)瀝青，SBS與CR的單一改性瀝青混合料高溫性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，而SBS-CR復(fù)合改性瀝青的高溫性能最佳。

四種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變排序?yàn)镾BS改性瀝青＞SBS-CR復(fù)合改性瀝青＞基質(zhì)瀝青＞CR改性瀝青，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中CR改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料承受低溫應(yīng)變能力較差，低溫抗裂性能一般，而摻入SBS與CR進(jìn)行復(fù)合改性，復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變與SBS改性瀝青接近，低溫抗裂性較好。

綜合本節(jié)分析，SBS-CR復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于單一改性瀝青或基質(zhì)瀝青混合料，且其低溫抗裂性與SBS改性瀝青混合料接近，具備較好的低溫抗裂性能。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)瀝青高低溫性能及影響因素分析，推薦SBS-CR復(fù)合改性瀝青的制備參數(shù)為：SBS摻量為6%，CR摻量為12%，剪切溫度為175 ℃，剪切時(shí)間為45 min。

（2）從對(duì)四種瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)可知，SBS-CR復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性均優(yōu)于SBS或CR單一改性瀝青，且其低溫抗裂性幾乎與SBS改性瀝青混合料相當(dāng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊 溧.橡膠改性瀝青碎石封層在道路養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用[J].交通世界，2023，647（17）：109-111.

[2]丁維建，何欣懌，楊艷華，等.基于反應(yīng)參數(shù)的橡膠瀝青流變性能及機(jī)理研究[J].公路，2023，68（6）：403-409.

[3]呂悅晶，盧 冰，簡(jiǎn) 川，等.溫拌劑對(duì)橡膠瀝青流變特性的影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，45（3）：45-52.

[4]劉延軍.廢膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青黏彈體系及其路用性能研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2017.

[5]許麗麗.橡膠粉/SBS/溫拌劑復(fù)合改性瀝青的制備及其性能研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2022.