SBR/PP復合顆粒在改性瀝青中的應用研究

劉 瀅，金運東，周 超，侯德華，彌 平

(1. 南京工業(yè)大學 浦江學院，江蘇 南京 211134；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學院，四川 德陽 618000；3. 河南省高遠公路養(yǎng)護技術(shù)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

瀝青作為一種有機黏結(jié)材料，廣泛應用于道路工程行業(yè)。然而，瀝青在低溫條件下易變脆，高溫條件下其可塑性會顯著提高，導致瀝青路面在冬季產(chǎn)生低溫開裂，夏季產(chǎn)生高溫車轍，嚴重影響瀝青路面的路用性能和耐久性，對其在我國夏熱冬冷地區(qū)的應用帶來很大的局限性。因此，針對基質(zhì)瀝青高低溫流變性能的不足，國內(nèi)外研究人員逐漸重視利用聚合物對基質(zhì)瀝青的性能進行改善[1～3]。

如今，使用廢塑料中回收的聚合物是瀝青改性領(lǐng)域的熱門話題之一。其中，聚丙烯(PP)是一種可回收利用的熱塑性聚合物，由于其強度高，耐熱性和耐腐蝕性好，在不同的領(lǐng)域中得到廣泛使用。DUGGAL[4]等將硬質(zhì)廢舊塑料PP應于濕法改性瀝青混合料，不僅可以改善瀝青混合料的溫度敏感性，還可以降低工程造價，形成環(huán)保綠色路面。JERIN[5]等研究指出，在瀝青中通過添加熱塑性聚丙烯可以顯著提高瀝青的高溫抗變形能力，但會使瀝青的延展性降低；針對該問題，魏巧[6]等通過使用生物柴油提高塑料裂解蠟改性瀝青的低溫延展性能。另一方面，丁苯橡膠(SBR)作為瀝青路面最有效的改性劑之一，可以顯著提高瀝青的黏度，改善瀝青的低溫延展性和彈性恢復，增強瀝青的黏聚性能，但SBR改性瀝青的高溫力學性能較弱[7-8]，限制了SBR改性瀝青在夏熱地區(qū)的應用。

綜上所述，針對聚合物改性瀝青的研究較多，且不同類型的聚合物對其性能改善的側(cè)重點也有所差別，僅通過單用一種聚合物很難同時改善瀝青的綜合力學性能。因此，可以采用不同類型聚合物混雜復配使用，以便更好地發(fā)揮不同類型聚合物對瀝青流變性能的改善[9-10],使其具有復配聚合物的雙重性和寬廣特性?；诖耍竟ぷ魇紫炔捎瞄_煉機將丁苯橡膠粉末與回收聚丙烯混煉成SBR/PP熱塑性彈體，并通過復配設計，研究不同配比和摻量的SBR/PP熱塑性彈體對瀝青流變性能的影響與其混合料的高溫抗變形能力和低溫抗開裂能力，推薦最佳復合配比，以使其更好地滿足相關(guān)工程標準的技術(shù)要求，為SBR/PP熱塑性彈體改性瀝青的工程應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 原材料

丁苯橡膠粉末為SBR 1502，廣東省東莞市樟木頭塑膠化工生產(chǎn)；聚丙烯為再生PP顆粒，湖南映宏新材料股份有限公司生產(chǎn)。相容劑為自制醋酸乙烯酯接枝；抗氧劑為2,6-二叔丁基對甲基苯酚；助劑為十八(烷)酸鋅鹽。

試驗選用SK 70號瀝青，主要性能指標見表1，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求。

表1 SK 70號瀝青技術(shù)指標Table 1 Technical indexes of SK 70 asphalt技術(shù)指標針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(15 ℃)/cm測量值6949>100規(guī)范要求60 ～ 80≥45≥100試驗方法T0604T0606T0605

1.2 SBR/PP復合改性瀝青的制備

a.將SBR粉末和PP顆粒分別按配比設計稱取，在混合機中混合1 min后添加適量的相容劑、抗氧劑和助劑；最后將共混物加入到螺桿擠出機中擠出，擠出機加料口溫度設定為180 ℃、機頭溫度設定為190 ℃，螺桿的轉(zhuǎn)速為150 r/min，制得SBR/PP熱塑性彈體。為改善SBR/PP熱塑性彈體在瀝青中的分散和溶脹，通過橡膠粉碎機對其進行磨碎處理，效果如圖1所示，通過熒光顯微鏡可以觀測到SBR/PP熱塑性彈體顆粒表面粗糙，形狀不規(guī)則，且SBR與PP混合均勻。

圖1 SBR/PP熱塑性彈體的宏觀與細觀圖像

b.將SK 70號基質(zhì)瀝青加熱至135 ℃，使其成為熱熔狀態(tài)，然后將不同摻量的SBR/PP熱塑性彈體緩慢加入到瀝青中，之后將改性瀝青升溫至170 ℃～180 ℃，機械攪拌30 min，以便SBR/PP熱塑性彈體在瀝青中充分溶脹；隨后采用高速剪切機以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速對改性瀝青進行剪切，剪切時間為40 min，最后得到SBR/PP復合改性瀝青。

熱拌瀝青混合料級配選用JTG F41-2004規(guī)范中AC-13范圍中值，并選用石灰?guī)r作為骨料，石灰石粉作為礦物填料，其主要技術(shù)指標符合JTG F40-2004要求。根據(jù)馬歇爾混合料設計方法對改性瀝青混合料進行設計，以確定混合料的最佳瀝青含量OAC。值得注意的是，為保證不同摻量和配比條件下瀝青混合料之間能夠有效合理的比對，需要建立共同的比較基準，所以在保證馬歇爾試件空隙率不小于4%且性能指標滿足規(guī)范要求的前提下，本次試驗的改性瀝青混合料均選擇OAC為5.25%(按混合料的質(zhì)量計)制備所需改性瀝青混合料試件。

1.3 分析與測試

試驗選用主要評價指標針入度、軟化點、延度和軟化點差對不同改性瀝青進行評價分析，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行。

根據(jù)美國在SHRP(Strategic Highway Research Program)計劃中基于瀝青流變性能的評價方法，試驗采用奧地利安東帕公司生產(chǎn)的Smart Pave102動態(tài)剪切流變儀，并根據(jù)AASHTO M 320(AASHTO 2017)對制備的改性瀝青進行PG分級。

高溫穩(wěn)定性是表征瀝青混合料抵抗永久變形的能力，試驗采用車轍試驗機，并參照JTG E20-2011試驗規(guī)程進行測試，試驗溫度60 ℃。

為評價改性瀝青混合料的低溫抗開裂能力，按照JTG F20-2011規(guī)范對不同改性瀝青混合料試件分別進行-10 ℃低溫彎曲試驗，試驗儀器采用UTM-25試驗機。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR/PP復合改性瀝青的技術(shù)指標

不同改性瀝青針入度、軟化點、延度和軟化點差的試驗結(jié)果見表2。

表2 SBR/PP復合改性瀝青的技術(shù)指標Table 2 Technical indexes of SBR / PP composite modi-fied asphalt摻量/%橡塑比針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(5 ℃)/cm軟化點差值/℃3:74362411.435:55161551.87:35959712.010:065431342.23:74167341.745:54964882.17:35460822.410:061481582.63:73970212.155:54265712.37:35067902.710:057501622.8注: 改性劑摻量以瀝青質(zhì)量為添加基數(shù)。

由表2可知，當MSBR∶MPP為3∶7時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度和延度逐漸降低，軟化點和軟化點差值逐漸升高，改性瀝青的總體性能偏“硬”，表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性，儲存穩(wěn)定性均滿足JTG F40-2004中Ⅰ類改性瀝青小于2.5 ℃的要求；當摻量達到5%時，延度降低48%，改性瀝青的低溫性能較差，容易產(chǎn)生脆斷。當MSBR∶MPP為5∶5時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點和軟化點差值逐漸升高，延度則先增加后降低，最大延度為88 cm，體現(xiàn)出較強的黏塑特性。當MSBR∶MPP為7∶3時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點、延度和軟化點差值逐漸提高，使得改性瀝青具有良好的延展特性，更能體現(xiàn)出丁苯橡膠的力學性能；當摻量達到5%時后，軟化點差值為2.7 ℃，已不滿足規(guī)范中Ⅰ類改性瀝青小于2.5 ℃的要求。

SBR/PP熱塑性彈體在相同摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青的總體性能表現(xiàn)為針入度、延度和軟化點差值逐漸升高，軟化點逐漸降低。說明當SBR/PP熱塑性彈體中以高柔韌性的SBR軟相為主時，改性瀝青體現(xiàn)出較好的低溫性能，但此時由于丁苯橡膠的黏聚性較大，在高溫儲存過程中易產(chǎn)生離析，致使高溫儲存穩(wěn)定性較差。因此，當橡塑比MSBR∶MPP大于7∶3時，SBR/PP熱塑性彈體的摻量不宜超過4%。

2.2 SBR/PP復合改性瀝青的流變性能PG分級

不同改性瀝青的PG分級見表3。

表3 SBR/PP復合改性瀝青流變性能PG分級參數(shù)Table 3 Rheological parameters of PG grading of SBR / PP composite modified asphalt摻量/%橡塑比動態(tài)剪切速率10 rad/s(1.59 Hz)彎曲蠕變(BBR試驗,60 s)未老化RTFOT老化PAV老化溫度/℃G*/sinδ(規(guī)范要求最小值1 kPa)/kPaG*/sinδ(規(guī)范要求最小值2.2 kPa)/kPa溫度/℃G*·sinδ(規(guī)范要求最大值5 MPa)/MPa溫度/℃勁度模量(規(guī)范要求最大值300 MPa)/MPa曲線斜率m(規(guī)范要求最小值0.3)PG分級3:7761.62.9311.7-12118.120.3PG 76-2235:5701.83.3282.2-1295.960.32PG 70-227:3701.22.5281.9-1279.230.34PG 70-2210:0642.14.5252.4-1244.910.39PG 64-223:7821.82.7372.1-6214.590.38PG 82-1645:5821.32.5342.0-12190.280.34PG 82-227:3761.73.4311.9-12174.530.38PG 76-2210:0701.13.0281.6-12128.370.42PG 70-223:7822.33.9402.00286.370.36PG 82-1055:5821.83.4342.1-6208.610.40PG 82-227:3762.44.6312.4-12207.820.39PG 76-2210:0762.04.3311.9-12189.350.46PG 76-22

表3總結(jié)了12種改性瀝青的PG分級，為保證黏結(jié)材料具有良好的高溫抗變形能力，要求未老化瀝青的車轍因子G*/sinδ不應小于1 kPa，RTFOT老化后瀝青的車轍因子G*/sinδ不應小于2.2 kPa，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，提取并確保每種改性瀝青的高溫PG均滿足Superpave規(guī)定要求。從試驗結(jié)果可以看出，在橡塑比MSBR∶MPP相同的情況下，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青整體發(fā)展趨勢是具有更高的PG分級，最高可以提高三級，抗車轍性得到改善；而隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青的高溫抗變形能力降低，高溫PG分級降低，說明聚丙烯塑料的高溫力學性能要優(yōu)于丁苯橡膠。

為保證黏結(jié)材料不產(chǎn)生疲勞開裂，在路面最高和最低設計溫度平均值4 ℃以上的G*·sinδ應不超過5 MPa，否則認為黏結(jié)材料易發(fā)生疲勞開裂破壞，而較低的G*·sinδ值是優(yōu)選的，此時改性瀝青具有更好的抵抗疲勞開裂的能力。對于表3中列出的PG分級可知，在中溫條件下，所有改性瀝青的疲勞因子都滿足規(guī)定要求。但是隨著聚丙烯的增加，改性瀝青的疲勞開裂風險提高。

根據(jù)BBR試驗，低溫勁度模量越大，瀝青表現(xiàn)得越硬脆，易產(chǎn)生低溫開裂；而勁度模量變化曲線斜率m表征了低溫下瀝青的蠕變變化率，m值越大，瀝青感溫性越好，隨著環(huán)境溫度驟降不易產(chǎn)生開裂。因此，Superpave 規(guī)定低溫勁度模量不能超過300 MPa，m值不能小于0.3。從試驗結(jié)果可知，當MSBR∶MPP為3∶7時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青在低溫條件下的PG分級逐漸提高，說明高摻量的SBR/PP熱塑性彈體不益于改性瀝青在低溫區(qū)域應用；當MSBR∶MPP為5∶5和7∶3時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青低溫PG分級保持不變，說明當SBR/PP熱塑性彈體中丁苯橡膠摻比占主導地位時，有利于改善SBR/PP復合改性瀝青的低溫抗開裂能力。

綜上所述，可以通過SBR/PP熱塑性彈體來改善瀝青的PG分級，以增強瀝青在高低溫環(huán)境下的適應性。當橡塑比MSBR∶MPP為5∶5時，SBR/PP熱塑性彈體明顯改善瀝青對車轍的抵抗力，且不同摻量的改性瀝青低溫性能沒有產(chǎn)生顯著負面影響，能夠改善累積的低溫應力，綜合性能相對最佳。

2.3 SBR/PP復合改性瀝青混合料的路用性能

不同改性瀝青混合料高低溫性能見圖2～圖4。

圖2 SBR/PP復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度變化規(guī)律

圖4 SBR/PP復合改性瀝青混合料的彎拉應變變化規(guī)律

由圖2可知，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸增大，且都滿足JTG F40-2004中改性瀝青混合料動穩(wěn)定度不小于2 400次/mm的要求。當SBR/PP熱塑性彈體摻加量相同時，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸減小，高溫穩(wěn)定性相對變差。此外，相對于丁苯橡膠，由于聚丙烯交聯(lián)結(jié)構(gòu)的力學性能強，對改性瀝青混合料的高溫抗變形能力的影響較為顯著，對于夏季炎熱區(qū)可以優(yōu)選橡塑比MSBR∶MPP為3∶7的SBR/PP熱塑性彈體對瀝青進行改性。

由圖3低溫彎曲試驗結(jié)果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，混合料的低溫勁度模量逐漸增大。當復配設計為5-(3∶7)時，勁度模量到達最大值3 525 MPa，相對于3-(3∶7)，其低溫勁度模量增幅16%。當SBR/PP熱塑性彈體摻量相同時，隨著橡塑比的減小，不同改性瀝青混合料的勁度模量逐漸增加，表明通過SBR/PP復配技術(shù)可以顯著改善混合料的低溫勁度模量，提升其低溫抗彎拉能力。但是勁度模量過大容易造成混合料的低溫脆斷，因此，規(guī)范要求冬嚴寒地區(qū)的破環(huán)應變不應小于3 000 με。從圖4可以看出，除5-(3∶7)改性瀝青混合料低于3 000 με，其余改性瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。同時，當SBR/PP熱塑性彈體摻量相同時，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，最大彎拉應變先略有增加，后又逐漸減小。說明適中的橡塑比，可以使改性瀝青混合料在抗拉伸的過程中充分發(fā)揮熱塑性彈體的黏韌性，從而改善混合料的低溫彎拉應變，這也體現(xiàn)了丁苯橡膠與聚丙烯的復配效應。

綜上所述，對于SBR/PP熱塑性彈體改性瀝青，PP的加入增強了瀝青膠結(jié)料的交聯(lián)凝結(jié)作用，使混合料具有優(yōu)良的抗變形能力。但是，這也造成體系的剛度較大，在荷載作用下的位移量相對較小，從而導致低溫抗變形能力降低。因此，考慮到混合料的抗裂性能，需限制聚丙烯的高摻量應用。

3 結(jié)論

a.通過SBR/PP熱塑性彈體的配比設計試驗表明，丁苯橡膠對改性瀝青的低溫延展性與黏聚性有著顯著影響，聚丙烯對改性瀝青的高溫抗變形能力、高溫儲存穩(wěn)定性和抗老化性能影響較大。因此，可以使用SBR/PP復合材料對瀝青的PG進行工程設計，以承受不同溫度環(huán)境下的交通荷載。且在橡塑比為MSBR∶MPP為5∶5時，熱塑性彈體可以顯著改善瀝青的高溫抗變形能力，低溫性能沒有產(chǎn)生顯著負面影響，PG分級綜合流變性能相對最佳。

b.隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，或橡塑比的提高，復合改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性逐漸變差。因此，當橡塑比MSBR∶MPP大于7∶3時，SBR/PP熱塑性彈體的摻量不宜超過4%。

c.SBR/PP復合改性瀝青混合料的綜合路用性能相對較好，當橡塑比為3∶7時，其改性瀝青混合料具有最佳的高溫性能，適用于國內(nèi)炎熱地區(qū)。此外，當需要考慮混合料在低溫環(huán)境下的抗裂性能時，聚丙烯的含量不易超過SBR/PP熱塑性彈體總質(zhì)量的50%。