煤—石油基混合瀝青的SBS/CR 復合改性技術研究

楊麗麗 嚴 圓

（云南省公路科學技術研究院， 云南 昆明 650000）

近年來，我國公路事業(yè)發(fā)展迅速，路面承受的交通荷載日益增大，對道路瀝青的質(zhì)量提出了更高的要求，研究開發(fā)改性瀝青是重要的發(fā)展方向。SBS 改性瀝青性能優(yōu)良但是價格較高，橡膠瀝青環(huán)保而且成本低，但是性能不穩(wěn)定。煤瀝青與石油瀝青共混改性制成的煤一石油基混合瀝青（簡稱混合瀝青） 抗變形性能強、抗磨性高、粗糙性好、能增加行車安全[1]，但塑性變形能力與低溫抗裂性較差，經(jīng)長時間儲存或運輸后也易出現(xiàn)離析的現(xiàn)象。由此可以看出，單一改性劑的改性瀝青已逐漸不能滿足路面使用性能與國家可持續(xù)發(fā)展的要求。

本研究將SBS 與橡膠粉共同用于煤一石油基混合瀝青的復合改性，不僅可以彌補混合瀝青的固有缺陷，而且可以在改善混合瀝青路用性能的同時又能降低工程造價，大幅度提高廢舊材料在公路工程建設中的利用率，在創(chuàng)造經(jīng)濟價值的同時，也能滿足中國當前公路工程可持續(xù)發(fā)展的需求[2]。

1 混合瀝青的SBS/CR 復合改性工藝研究

為進一步改善煤—石油基混合瀝青的路用性能與熱儲存穩(wěn)定性，對制備的合瀝青進行SBS/橡膠粉復合改性，研究了改性工藝及改性劑摻量對復合改性瀝青性能的影響。

1.1 煤—石油基混合瀝青制備

基質(zhì)瀝青（BA） 采用SK-70# 石油瀝青，針入度68（25℃/0.1mm），軟化點52.2℃，15℃延度大于100cm。煤瀝青（CTP） 采用云南煤化工集團有限公司中溫煤焦油瀝青。SBS改性劑采用湖南岳陽巴陵石化生產(chǎn)的線型SBS 1301（YH791型）。廢輪胎橡膠粉(CR) 采用云南廢舊輪胎橡膠粉商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的60 目斜交胎膠粉。

將基質(zhì)瀝青與中溫煤瀝青共混制備煤—石油基混合瀝青：首先，將基質(zhì)瀝青與中溫煤瀝青分別加熱至160℃±5℃與130℃±5℃熔融狀態(tài)；其次，分別按中溫煤瀝青與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比10∶90、15∶85、20：80 稱重后轉(zhuǎn)移至恒溫容器；最后，采用自主開發(fā)混合瀝青的高效剪切分散設備進行共混，調(diào)置共混加熱溫度為135℃，剪切轉(zhuǎn)速為3000r·min-1，高速剪切30min 制備得到混合瀝青[2]。

1.2 復合改性瀝青制備工藝

為研究SBS 與橡膠粉添加改性過程的系統(tǒng)性與遞進性[3]，以中溫煤瀝青摻量（20%，質(zhì)量分數(shù)，內(nèi)摻，下同）的煤—石油基混合瀝青為基準，按不同順序添加3%的SBS與15%的CR 進行改性，設計了3 個改性方案：

方案1：煤—石油基混合瀝青→CR 溶脹→CR 剪切分散→SBS 溶脹→SBS 剪切分散→發(fā)育；

方案2：煤—石油基混合瀝青→SBS 溶脹→SBS 剪切分散→CR 溶脹→CR 剪切分散→發(fā)育；

方案3：煤—石油基混合瀝青→CR+SBS 溶脹→CR+SBS剪切分散→發(fā)育；

由此制備的復合改性瀝青的基本性能如表1 所示。

試驗數(shù)據(jù)表明，由方案2 摻加順序制備的復合改性瀝青各項指標較為優(yōu)異，其軟化點與彈性恢復指標明顯高于其它兩個方案。這說明：先進行的SBS 改性輕質(zhì)組分溶脹并形成交聯(lián)結構，后加入橡膠粉可吸附多余的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，進一步增加瀝青體系的稠度；若先進行CR 改性，輕質(zhì)組分不能完全溶脹后加入的SBS。結合前期試驗結果，確定煤—石油基混合瀝青的復合改性工藝為：

表1 改性劑摻加順序?qū)秃细男詾r青性能的影響

第一步：煤瀝青摻配。將基質(zhì)瀝青與中溫煤瀝青分別加熱至160℃±5℃與130℃±5℃熔融狀態(tài)后，按比例稱重后進行摻配，共混加熱溫度為130℃～140℃，剪切轉(zhuǎn)數(shù)為3000r·min-1，共混時間為30min；

第二步：SBS 改性。在煤—石油基混合瀝青中按比例加入SBS 后，在155℃±5℃條件下進行30min 的低速攪拌溶脹（200r?min-1），然后在165℃±5℃條件下進行15min 的高速剪切分散（6000r·min-1）；

第三部：CR 改性。在混合瀝青的SBS 改性后按比例加入橡膠粉，在165℃±5℃的條件下進行30min 的低速攪拌溶脹（200r·min-1），然后在175℃±5℃條件下進行15min 的高速剪切分散（6000r·min-1）；

第四部，復合改性瀝青發(fā)育。將制備的復合改性瀝青在155℃±5℃條件下進行60min～120 min 的低速攪拌發(fā)育（200r·min-1）。

1.3 改性劑摻加量確定

1） SBS 摻加量

以中溫煤瀝青摻加量20%的混合瀝青為基準，橡膠粉摻量為15%，SBS 摻量分別為2%、3%、4%，由此制備的復合改性瀝青的基本性能如表2 所示。

試驗數(shù)據(jù)表明，隨著SBS 摻量的增加，復合改性瀝青的針入度減小、軟化點與延度增加、彈性恢復先增大后減少，在SBS 摻量為3%時瀝青的綜合性能最好。

2） CR 摻加量

以中溫煤瀝青摻加量20%的混合瀝青為基準，固定SBS摻量為3%，橡膠粉摻量分別為10%、25%、20%，由此制備的復合改性瀝青基本性能如表3 所示。

試驗數(shù)據(jù)表明，隨著橡膠粉摻量的增加，復合改性瀝青針入度減小、軟化點與彈性恢復增加、延度先增大后減小但變化幅度較小，在CR 摻量為15%時瀝青的綜合性能最好。

表3 CR 摻量對復合改性瀝青性能的影響

3） CTP 摻加量

以SBS 摻量為3%、橡膠粉摻量為15%為基準，中溫煤瀝青摻量分別為10%、15%、20%，由此制備的復合改性瀝青的基本性能如表4 所示。

表4 CTP 摻量對復合改性瀝青性能的影響

試驗數(shù)據(jù)表明，隨著中溫煤瀝青摻量的增加，復合改性瀝青針入度下降、軟化點上升但變化幅度不大，延度和彈性恢復出現(xiàn)了明顯的下降。因此，綜合考慮復合改性瀝青各項路用性能及其經(jīng)濟性，確定CTP 摻量為20% （記為CTP-20），SBS 摻量為3% （記為SBS-3），橡膠粉摻量為15%（CR-15）。

2 復合改性瀝青流特性研究

2.1 高溫抗變形能力

采用《動態(tài)剪切流變儀(DSR) 測量瀝青膠結料的流變性質(zhì)標準試驗方法》中規(guī)定的方法獲得車轍因子G*/sinδ，試驗結果如表5 所示。

表5 混合瀝青車轍因子G*/sinδ 試驗結果

試驗數(shù)據(jù)表明：1） 中溫煤瀝青可以提高石油瀝青的高溫穩(wěn)定性；2） SBS 改性可提高混合瀝青的高溫穩(wěn)定性，CR改性可提高混合瀝青的車轍因子；3） 對混合瀝青進行SBS/CR 復合改性，可以大幅度提高其在高溫下抗永久變形能力，改性效果明顯優(yōu)于SBS 與CR 單獨改性。

2.2 常溫抗疲勞能力

采用疲勞因子G*?sinδ 表征瀝青材料常溫時抗疲勞的性能，該指標為瀝青PAV 老化后的粘性分量，試驗結果如表6 所示。

表6 疲勞因子G*·sinδ 試驗結果

試驗數(shù)據(jù)表明：1） 在中溫條件下， TCP、SBS、CR 改性劑均能改善混合瀝青的抗疲勞能力；2） 抗疲勞性能表現(xiàn)最優(yōu)的是復合改性瀝青，其次是CR 混合改性瀝青，再次是SBS 混合改性瀝青，最后是煤—石油基混合瀝青。

2.3 低溫抗裂能力

開展低溫彎曲流變試驗（BBR） 評價瀝青材料的低溫抗裂性能，采用《使用彎曲束流變儀測定瀝青粘結劑柔性蠕變硬度的試驗方法》中規(guī)定的方法，試驗結果如表7 所示。

表7 低溫彎曲流變試驗結果

試驗數(shù)據(jù)表明：1） 當基質(zhì)瀝青與煤瀝青共混后，混合瀝青的蠕變勁度升高，松弛速率降低，說明混合瀝青的低溫性能發(fā)生下降；2） SBS 與CR 改性劑都能有效降低混合瀝青的勁度模量，提高其松弛速率，改善瀝青的低溫性能；3）復合改性后的煤—石油基復合改性瀝青的低溫勁度值小，松弛速率值大，低溫性能優(yōu)于普通基質(zhì)瀝青，說明復合改性瀝青低溫抗裂性最優(yōu)。

綜合復合改性瀝青的DSR 與BBR 試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，SBS/CR 復合改性可以同時改善煤—石油基混合瀝青的高、中、低溫性能，優(yōu)于SBS 或CR 單獨改性。因此，在本研究原材料與試驗條件下綜合考慮各項路用性能及其經(jīng)濟性，建議復合改性瀝青中基質(zhì)瀝青、中溫煤瀝青、SBS、橡膠粉的質(zhì)量比為65.96∶16.49∶2.55∶15。

3 復合改性瀝青熱儲存穩(wěn)定性評價

為研究CTP/SBS/CR 復合改性瀝青在工廠化生產(chǎn)及長期儲存的過程中是否會出現(xiàn)離析的現(xiàn)象，通過動態(tài)剪切流變試驗，分別計算混合瀝青在5 個代表性儲存時間后的離析率Rs，考查混合瀝青離析后上下部流變性能的變化[6]，試驗結果如表8 所示。

表8 煤—石油基混合瀝青流變性能試驗結果

試驗結果表明，煤—石油基復合改性瀝青的Rs 均在±0.2 范圍之內(nèi)，而混合瀝青的離析率超出此范圍，這說明經(jīng)過SBS/CR 復合改性以后，瀝青膠結料的儲存穩(wěn)定性得到了明顯的改善，在72h 的熱儲存后上下部無明顯的離析現(xiàn)象。

4 結語

1） 通過比較3 種不同的SBS 與橡膠粉的摻加順序發(fā)現(xiàn)，先進行SBS 改性時，SBS 可吸收混合瀝青中的輕質(zhì)組分充分溶脹并形成交聯(lián)結構，后加入的橡膠粉則吸附多余的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，進一步增加瀝青體系的稠度，復合改性效果更優(yōu)。

2） 對煤一石油基混合瀝青進行SBS/CR 復合改性，可以提高瀝青膠結料的車轍因子，降低疲勞因子，改善改善混合瀝青的高溫抗永久變形能力和常溫抗疲勞能力。從PG 分級的角度出發(fā)，SBS/CR 復合改性對于混合瀝青膠結料的PG 高溫等級和PG 中溫等級的提升明顯。

3） CTP/SBS/CR 復合改性瀝青的Rs 均在±0.2 范圍之內(nèi)，瀝青膠結料的儲存穩(wěn)定性得到了明顯的改善，在72h 的熱儲存后上下部無明顯的離析現(xiàn)象。