CR/SBS 復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究

洪錦祥 ，朱劍南 ，熊子佳 ，程金梁 ，龔明輝

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.江蘇省建筑科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103）

0 引言

隨著交通行業(yè)的快速發(fā)展， 車輛軸載強度增大、渠化交通日益明顯，對瀝青路面性能要求逐步提高。

廢舊輪胎膠粉屬于橡膠類， 與瀝青有一定的結(jié)合能力，加入到瀝青后改善了道路抗疲勞、抗車轍等性能。 但由于膠粉的摻量較大，改性瀝青的穩(wěn)定性不好，易產(chǎn)生分層、離析，影響其使用性能。 因此，將膠粉與SBS 復(fù)合制備改性瀝青,在減少污染的同時可增加改性瀝青穩(wěn)定性，從而提高瀝青的綜合性能。

1 原材料與試樣制備

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青

采用70# 重交瀝青， 其性能指標(biāo)均滿足規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）要求，具體指標(biāo)見表1。

表1 70# 重交瀝青性能指標(biāo)

（2）SBS

SBS 采用岳陽石化生產(chǎn)的SBS 791 系列，其性能指標(biāo)見表2。

表2 SBS 791 性能指標(biāo)

（3）膠粉

膠粉為40 目廢舊輪胎的硫化膠粉， 其性能指標(biāo)見表3。

表3 膠粉性能指標(biāo)

1.2 試樣制備

（1）改性瀝青

基質(zhì)瀝青在140 ℃恒溫箱中保溫1 h， 取一定質(zhì)量放至攪拌筒中。 油浴溫度為170 ℃，將攪拌筒放至油浴中保溫0.5 h 至瀝青有較好的流動性。 然后將橡膠粉和SBS 分次邊攪拌邊加入瀝青中。 以2 000 r/min 的速度攪拌 30 min， 再以 4 500 r/min剪切30 min。攪拌完成后將改性瀝青存放在170 ℃環(huán)境下發(fā)育溶脹1 h 即完成改性瀝青的制備。樣品編號和配比如表4 所示。

表4 樣品編號和配比

（2）瀝青混合料

瀝青混合料級配采用AC-13 型級配， 油石比為5.0%，級配見表5。

表5 瀝青混合料AC-13 級配

2 CR/SBS 復(fù)合改性瀝青性能

2.1 基本性能

改性瀝青軟化點與針入度數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 改性瀝青軟化點與針入度數(shù)據(jù)

由圖1 可知， 加入膠粉后改性瀝青的軟化點有較明顯的提升， 且隨著膠粉含量的增加軟化點不斷增大。 由10%增加到15%時，軟化點增加了8.4 ℃；由15%增加到20%時，軟化點增加了1.6 ℃。說明當(dāng)膠粉摻量大于15%時，膠粉對改性瀝青的軟化點影響不大。從針入度曲線來看，當(dāng)膠粉摻量由10%變化到15%時， 針入度有較明顯的降低， 當(dāng)膠粉摻量由15%變化到20%時，針入度變化減緩，主要是因為膠粉摻量較低時，隨著其摻量的增加，瀝青中輕質(zhì)組分被其吸收溶脹，膠粉與SBS 膠連，在瀝青中逐漸形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溫度升高時，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了瀝青的流動，因而在膠粉摻量為10%~15%時改性瀝青軟化點提高速率較快。此時瀝青分子整體性較好，針入度有較明顯降低。當(dāng)膠粉進一步增加，瀝青中輕質(zhì)組分減少，溶脹逐漸趨近飽和，直至膠粉過剩。 此時，過剩的膠粉反而會破壞瀝青膠體的整體結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)膠粉摻量大于15%時，改性瀝青的軟化點只有略微增長，針入度降低趨勢也漸緩。

圖2 不同改性瀝青5 ℃延度

由圖2 可知，SBS 改性瀝青的延度最大，主要是因為SBS 在瀝青中形成了良好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，較大地增強了瀝青的柔韌性[1]。 隨著膠粉的加入，改性瀝青的延度降低， 當(dāng)膠粉摻量由10%增加至15%時， 延度降低較緩慢， 當(dāng)膠粉摻量由15%增加至20%時，延度有較明顯的降低。這是因為膠粉顆粒尺寸較大，在瀝青中易形成薄弱位點，拉伸力作用時，膠粉阻隔了力的傳遞，易發(fā)生斷裂破壞，因此，膠粉會降低SBS 改性瀝青的低溫延度。

2.2 流變性能

瀝青的流變性能是由SHRP 計劃提出的。 采用DSR 動態(tài)剪切流變儀評價瀝青流變性能。 測試改性瀝青在高溫區(qū)段（40~100 ℃）黏度隨溫度的變化曲線，反映高溫時瀝青的流變特性。 分別制備不同摻量膠粉改性瀝青測試其溫度-黏度曲線。 試驗采用應(yīng)力控制模式，瀝青試樣為直徑25 mm、厚1 mm 圓片，溫度為40~100 ℃，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 改性瀝青溫度-黏度曲線

由圖3 可知，加入膠粉后瀝青的粘度增加。當(dāng)膠粉摻量為10%~15%時，CR/SBS 改性瀝青的黏度在低溫時有較明顯的差異。而在70~100 ℃差異逐漸縮小。 但當(dāng)膠粉摻量為20%時， 溫度為60~100 ℃，CR/SBS 改性瀝青的黏度反而有微小的增長， 這主要是因為膠粉摻量過多，少量膠粉是以尺寸較大的顆粒形式存在于瀝青中，在剪切作用下，瀝青試樣內(nèi)部作用力不再只是粘結(jié)力，還有膠粉與瀝青分子的作用力，因此，此時的黏度值表現(xiàn)較大。說明當(dāng)膠粉摻量大于15%時，膠粉過剩，改性瀝青的性能有較小的變異現(xiàn)象，因此，膠粉摻量最佳值為15%。

3 CR/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料性能評價

3.1 高溫性能

采用室內(nèi)車轍試驗評定不同混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，車轍板尺寸為300 mm×300 mm×50 mm， 橡膠輪碾壓速度為（42±1）次/min，測試結(jié)果見表 6。

表6 不同改性瀝青混合料動穩(wěn)定度值

由表6 可知，隨著膠粉摻量的增加，CR/SBS 改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度值增大，車轍深度比SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青有明顯減小，說明膠粉能提高瀝青混合料的抗車轍性能。 膠粉摻量由15%增加到20%時，改性效果不明顯，因此，與前述瀝青性能相似，膠粉摻量最佳為15%。

3.2 低溫性能

通過低溫彎曲試驗測定瀝青混合料的低溫性能，瀝青小梁試件是由輪碾成型的車轍板切制而成的250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體， 試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，低溫彎曲試驗小梁的試驗結(jié)果見表7 和圖4。

由表7 可知， 當(dāng)膠粉摻量為10%時，CR/SBS 改性瀝青的最大彎拉應(yīng)變比SBS 改性瀝青大。 而當(dāng)膠粉摻量進一步增加時，最大彎拉應(yīng)變減小。當(dāng)膠粉摻量大于15%時， 瀝青中的輕質(zhì)組分大部分被溶脹吸收，瀝青黏度提高，低溫下硬脆性增強，因此低溫變形能力變差，更加容易開裂[2]。

圖4 不同改性瀝青混合料低溫抗彎拉強度與彎曲勁度模量

表7 不同瀝青混合料低溫彎曲試驗測試結(jié)果

由圖4 可知，在強度方面，膠粉的加入增加了瀝青混合料的強度性能，其抗彎拉強度和勁度模量均有提高。

3.3 抗水損性能

選用凍融劈裂試驗測試瀝青混合料的水穩(wěn)性，試驗溫度為25 ℃，加荷速度為50 mm/min，結(jié)果見表8。

表8 不同瀝青混合料TSR 值

從表8 可以看出，膠粉的加入提高了瀝青混合料凍融劈裂強度值， 這是因為膠粉與SBS 在高溫時吸收瀝青中的輕質(zhì)組分形成三維網(wǎng)絡(luò)，與礦料混合后在礦料均勻附著，使得改性瀝青與礦料之間形成聚合物膜，防止水分進入，增強了混合料的抗水穩(wěn)定性。 當(dāng)膠粉摻量增加到20%時，有一部分膠粉沒有充分溶脹，以顆粒形式存在，使骨料表面存在裹附缺陷， 有部分水分子通過此缺陷進入，TSR 值略有減小。 因此，膠粉摻量最佳為15%。

4 結(jié)論

（1）改性瀝青的軟化點隨膠粉摻量的增加而增大，由10%增加到15%時，軟化點增加了8.4 ℃，由15%增加到20%時，軟化點增加了1.6 ℃。 在低溫延度方面，膠粉降低了SBS 改性瀝青的低溫延度。

（2）改性瀝青的黏度隨膠粉的增加而增大，在膠粉摻量小于15%時， 不同改性瀝青高溫黏度相差不大。 而當(dāng)膠粉摻量為20%時，改性瀝青黏度較大，且在高溫時有較明顯的增長。

（3）改性瀝青的動穩(wěn)定度在膠粉摻量為20%時達到最大為7 412 次/mm，但比15%時增加不明顯。在低溫性能方面，10%摻量的膠粉對改性瀝青混合料的低溫最大彎拉應(yīng)變值略有增加， 摻量15%時與SBS 改性瀝青相當(dāng)。 在抗水損方面，當(dāng)膠粉摻量為15%時，抗水損性能最佳。

（4）綜合考慮改性瀝青性能和改性瀝青混合料高、低溫性能、抗水損性能，CR/SBS 復(fù)合改性瀝青的最佳膠粉摻量為15%。