高黏高彈TPE薄層改性瀝青性能研究*

黃浩波，劉東杰，朱繼雙

（1 江西省高速公路物資有限公司，江西南昌 330000；2 江西百順瀝青應(yīng)用新技術(shù)有限公司，江西南昌 330000；3 中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司，北京 100176）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種廢棄橡膠制品和塑料制品等數(shù)量逐年增加［1-2］。大量的廢棄橡膠制品和塑料制品等己經(jīng)并且會(huì)逐漸加劇“黑色污染”和“白色污染”，必將造成日趨嚴(yán)重的環(huán)保問題。這種背景下，以廢橡膠和廢塑料為主對(duì)瀝青進(jìn)行改性的研究被國內(nèi)不少科研院所和高校青睞。當(dāng)前，SBS改性瀝青技術(shù)主要用于我國高速道路上，但SBS由于自身材料性能存在著諸多問題，如與瀝青的配伍性差、易老化、儲(chǔ)存穩(wěn)定性差等，同時(shí)，還需要施工單位具有很高的技術(shù)水平來保持其工藝的穩(wěn)定性，防止改性瀝青的性能波動(dòng)［3］。

近十幾年，對(duì)于高等級(jí)公路建設(shè)日新月異，通車?yán)锍倘找嬖鲩L，道路管理相關(guān)部門面臨巨大的養(yǎng)護(hù)壓力，翻修、加鋪等傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式需要耗費(fèi)大量資金，由于資金缺口，目前有很多公路等待養(yǎng)護(hù)。在此情形下，我國公路進(jìn)入養(yǎng)護(hù)時(shí)代，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念開始被重視［4-5］。薄層瀝青罩面技術(shù)具有很大的優(yōu)勢，例如覆蓋面積廣、降低成本、一次性修補(bǔ)到位等優(yōu)點(diǎn)，可以有效延緩路面一些病害的產(chǎn)生及發(fā)展，可以提高路面的使用功能，延長路面使用壽命。針對(duì)路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)，許多學(xué)者進(jìn)行了微表處、超薄罩面、薄層罩面等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究，但目前還存在易老化、儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、工序復(fù)雜等問題［6］。

東南大學(xué)劉芳［7-8］通過有限元軟件分析得到，由于薄層罩面表面溫度變化較快，導(dǎo)致薄層罩面的表面應(yīng)力、位移較大。重慶交通大學(xué)王小慶［9］分析舊瀝青路面病害等產(chǎn)生原因，結(jié)合G319沙-青段的養(yǎng)護(hù)工程，確定乳化瀝青加橡膠瀝青的養(yǎng)護(hù)方案，得出摻0.3%液體酰胺類抗剝落劑可以有效提高花崗巖破碎卵石與瀝青黏附性，橡膠瀝青混凝土路面具有良好的抗滑及抗?jié)B水等性能。杜宇兵等［10］對(duì)比分析四種常用的瀝青路用性能，利用計(jì)算機(jī)程序Bisar3.0和灰色關(guān)聯(lián)度理論分析得出高黏瀝青的性能最優(yōu)，但由于成本昂貴，故將高黏瀝青、橡膠粉和SBS進(jìn)行復(fù)合，提出薄層罩面專用瀝青。

雖然國內(nèi)外己對(duì)舊瀝青路面加鋪薄層罩面養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行了多年的研究，然而對(duì)于薄層罩面技術(shù)還有很多問題亟待解決。TPE薄層罩面與下承層的粘結(jié)力對(duì)薄層罩面的路用效果起著關(guān)鍵的作用，上述薄層罩面的研究對(duì)與下承層的結(jié)合方法研究甚少。本研究將廢橡膠粉、廢舊熱塑性塑料等材料加入到基質(zhì)瀝青中，分析不同橡塑改性劑的摻量和拌和工藝對(duì)瀝青性能影響，提出高黏高彈TPE改性瀝青制備工藝。在材料分子角度進(jìn)行分析，提出與薄層罩面匹配的粘層方案，解決了薄層罩面常出現(xiàn)的強(qiáng)度低、施工周期長、成本高等問題，為后續(xù)薄層罩面專用改性瀝青的開發(fā)研究提供改進(jìn)方向。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基質(zhì)瀝青

采用秦皇島產(chǎn)中海油70#基質(zhì)瀝青，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。該瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》。

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及檢測數(shù)據(jù)Table 1 70# Matrix asphalt technical index and test data

1.2 TPE改性劑原材料

①廢膠粉：本研究選用了廢膠粉(80目)，其物理指標(biāo)見表2。②廢舊塑料：選用目前用量最大的廢舊聚乙烯，熔融指數(shù)為 1.5g/10min(230℃，2.16kg)。③添加物為白色粉末狀增塑劑。穩(wěn)定劑采用單質(zhì)硫和一種市售改性瀝青穩(wěn)定劑混合的復(fù)合穩(wěn)定劑，相容劑采用富含芳香分的橡膠油類。

表2 廢膠粉的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of waste rubber powder

TPE改性劑制備：以廢橡膠粉、廢舊熱塑性塑料、有機(jī)官能團(tuán)接枝共聚物、降黏劑、脫硫活化助劑做合理配方搭配制備。配方見表3(A/B/C為廢膠粉/廢舊熱塑性塑料/改性樹脂)。

表3 TPE改性劑配方Table 3 TPE modifier formula

1.3 SBS改性瀝青

SBS改性瀝青采用市售的SBS改性瀝青。

1.4 高黏高彈TPE薄層改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青放入160℃烘箱中加熱，待瀝青烘化后，將瀝青放置在攪拌機(jī)中，然后添加改性劑。設(shè)定剪切條件為溫度 160～170 ℃，時(shí)間 15～20 min，剪切速率 4000r/min。將TPE改性劑和基質(zhì)瀝青在該條件下剪切混合，經(jīng)過物理改性制成TPE預(yù)制改性瀝青。然后在一定溫度下發(fā)育 30min，制得高黏高彈TPE薄層改性瀝青。

2 高黏高彈TPE改性瀝青性能研究

瀝青性能試驗(yàn)以及混合料性能試驗(yàn)均按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。將酸酐改性苯乙烯類嵌段型熱塑性彈性體（簡稱改性樹脂）加入到熱的瀝青中，在高溫及外力的作用下，端基逐漸軟化并流動(dòng)，中間基吸收基質(zhì)瀝青中的軟瀝青質(zhì)，體積開始溶脹變大形成海綿狀的物質(zhì)，在常溫狀態(tài)時(shí)改性瀝青體系中端基硬化形成物理交聯(lián)，形成穩(wěn)定的彈性網(wǎng)絡(luò)體系。通過借助這類改性樹脂與瀝青的相互作用，對(duì)TPE改性劑優(yōu)化，從而提高改性瀝青的性能。樣品配方Y(jié)1～Y4為高黏高彈TPE改性瀝青，Y5～Y10為優(yōu)化后的高黏高彈TPE改性瀝青。

2.1 高溫性能

按照交通運(yùn)輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)常用軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)瀝青及改性瀝青的高溫性能。黏度是由于流體分子結(jié)構(gòu)間引力形成內(nèi)摩擦，外部則表現(xiàn)為抵抗流動(dòng)的能力。軟化點(diǎn)及布氏黏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 軟化點(diǎn)及布氏黏度實(shí)驗(yàn)檢測值Table 4 Test values of softening point and Brookfield viscosity

由表4可以看出，在瀝青中摻入TPE改性劑后，改性瀝青的軟化點(diǎn)呈上升趨勢，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著改性劑中廢舊熱塑性塑料含量的減少，改性瀝青軟化點(diǎn)值也隨之下降。隨著TPE改性劑的加入，改性瀝青的布氏黏度值也呈大幅度的提升，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著改性瀝青中廢舊熱塑性塑料比例摻量的降低，改性瀝青的黏度值也隨之降低，另外網(wǎng)絡(luò)間形成的約束限制了瀝青膠質(zhì)的流動(dòng)，加大了瀝青抵抗高溫變形的能力，在相同的溫度條件下，為了使瀝青有相對(duì)位移，必須施加更大的力，結(jié)果導(dǎo)致瀝青高溫變形力的提高［11］。

2.2 低溫性能

通過針入度和延度來對(duì)改性瀝青進(jìn)行低溫性能研究。針入度和延度試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 針入度和延度試驗(yàn)檢測值Table 5 Test values of penetration and ductility test

由表5可以看出，經(jīng)TPE改性劑改性后，針入度明顯降低，5℃延度值明顯增大?？赡苁怯捎诩尤氲哪z粉粒子因其尺寸小且數(shù)量多，在低溫條件下，模量與瀝青模量相差較大，從而使應(yīng)力集中，消耗掉大量能量，出現(xiàn)許多剪切帶和銀紋，較大膠粉粒子可以阻止單個(gè)銀紋的生長和斷裂，提高了瀝青的可塑性，明顯改善瀝青的低溫抗裂性能。此外，由Y7和Y10的對(duì)比可以看出，雖然改性瀝青的軟化點(diǎn)和延度值相差不大，但在Y10中廢舊熱塑性塑料含量大大降低，在一定程度上節(jié)約了成本。

2.3 流變性能

利用SHRP規(guī)范中的動(dòng)態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀，來評(píng)價(jià)TPE改性瀝青的流變性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6和表7。

表6 TPE改性瀝青DSR試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 DSR test data of TPE modified asphalt

表7 TPE改性瀝青低溫參數(shù)Table 7 Low temperature parameters of TPE modified asphalt

由表6可知，在隨著溫度的提升，TPE改性瀝青和基質(zhì)瀝青的車轍因子均呈大幅度下降趨勢，且在相同溫度下，TPE改性瀝青的抗車轍因子明顯高于基質(zhì)瀝青的抗車轍因子，說明TPE改性瀝青具有較好的高溫抗變形能力。在熱機(jī)械力的作用下，TPE改性劑吸收瀝青中的輕組分發(fā)生溶脹作用使體積增大，開始形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，加大了抗瀝青膠體的流動(dòng)性，提升TPE改性瀝青的高溫變形能力。對(duì)比優(yōu)化后Y7與優(yōu)化前Y3配方的G*/sinδ，發(fā)現(xiàn)其車轍因子大小相當(dāng)，說明優(yōu)化前后的改性瀝青具有同樣好的高溫性能。

研究中Y7、Y8和Y9配方中廢膠粉含量相同，由表7實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，Y7和Y9配方改性瀝青的抵抗高低溫抗性能力都略優(yōu)于Y8改性瀝青?？赡苁窃诟邷厍闆r下，改性樹脂和瀝青發(fā)生混合，改性樹脂中的端基-苯乙烯鏈段開始發(fā)生變化，作為中間基的二烯烴鏈段開始吸收瀝青中的瀝青質(zhì)發(fā)生溶脹作用，使得體積增大，重新建立一個(gè)膠體體系，成為一種同時(shí)具有彈性和延伸性且穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，明顯改善瀝青的性能［12-13］。BBR測試結(jié)果表明優(yōu)化后瀝青材料的蠕變勁度S變小，且蠕變勁度斜率m變大，說明優(yōu)化后的瀝青柔性和松弛能力均強(qiáng)于優(yōu)化前的，優(yōu)化后低溫性能越好。

2.4 儲(chǔ)存性能研究

離析實(shí)驗(yàn)是分析瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)。離析實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 TPE改性瀝青離析結(jié)果Table 8 Segregation results of TPE modified asphalt

隨著TPE 配方中廢舊熱塑性塑料摻量的減少，上下軟化點(diǎn)差先是基本保持不變，之后迅速下降到 3.5℃。主要原因是TPE與瀝青體系中存在著明顯的相界面，TPE分子鏈之間排列緊密，分子間作用力加大，廢舊熱塑性塑料中存在結(jié)晶現(xiàn)象，溶劑分子很難打破界面通過熱塑性塑料，分子受到晶格的約束作用，難溶于瀝青［14］。

通過優(yōu)化前后的對(duì)比，可以看出只有 Y7、Y8和Y10三個(gè)配方的改性瀝青，上下軟化點(diǎn)差值小于2.5℃，可以形成穩(wěn)定體系。主要是由于穩(wěn)定劑的加入使改性樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和接枝反應(yīng)，降低了改性樹脂和瀝青之間的表面張力和體系中的吉布斯自由能，在改性樹脂和瀝青間生成改性樹脂瀝青，使得改性樹脂和瀝青更好地結(jié)合。

3 結(jié)論

（1）高黏高彈TPE改性瀝青主要應(yīng)用在薄層罩面中，與市面常用的高黏改性瀝青相比，具有良好的高低溫性能，可顯著地提高車輛在公路上行駛時(shí)穩(wěn)定性，減少公路噪音，提高車輛行駛的舒適性。

（2）使用高黏高彈TPE改性瀝青進(jìn)行施工，無需特殊設(shè)備，施工具有速度快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以周期性地恢復(fù)原路面被磨耗的厚度，還可以處理路面的一般性破損，尤其在封閉路面龜網(wǎng)裂、防水抗滑、改善路容和增強(qiáng)耐磨性等方面，效果十分良好。

（3）TPE改性劑吸收瀝青中的輕組分發(fā)生溶脹作用使體積增大，形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，加大了抗瀝青膠體的流動(dòng)性，提升TPE改性瀝青的高溫變形能力和低溫抗裂能力。

（4）穩(wěn)定劑可以使改性樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和接枝反應(yīng)，降低了改性樹脂和瀝青之間的表面張力和體系中的吉布斯自由能，在改性樹脂和瀝青間生成改性樹脂瀝青，使得改性樹脂和瀝青更好地結(jié)合，改善瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。