干法改性劑與基質(zhì)瀝青配伍性研究

李平、張英澤、吳立強(qiáng)、王涵

［1.山東省濱州公路工程有限公司，山東 濱州 256600；2.濱州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東濱州 256600；3.國(guó)路高科（北京）工程技術(shù)研究院有限公司，北京100000］

0 引言

SBS 改性瀝青混合料具有優(yōu)異的高低溫性能和抗疲勞性能，在道路工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝可分為濕法工藝和干法工藝。濕法工藝是先將基質(zhì)瀝青與改性劑在工廠中制備成改性瀝青，再將其保溫運(yùn)輸至拌和廠與礦料拌和。干法工藝則是將基質(zhì)瀝青、改性劑和礦料統(tǒng)一在拌和廠進(jìn)行拌和。

與濕法工藝相比，干法工藝具有一定優(yōu)勢(shì)。首先，干法工藝能夠省略改性瀝青預(yù)制環(huán)節(jié)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，使改性瀝青的生產(chǎn)更加靈活、機(jī)動(dòng)。其次，干法工藝能夠減少改性瀝青混合料生產(chǎn)能耗，使生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保。最后，干法工藝能夠避免改性瀝青在運(yùn)輸過(guò)程中的離析，保證了改性瀝青的性能，使施工人員更容易控制改性瀝青的生產(chǎn)質(zhì)量[4-5]。

羅海松[6]等經(jīng)研究證明，干法改性劑摻量為5%時(shí)，改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度相比于普通瀝青混合料提高50%。代霞[7]等經(jīng)研究證明，干法改性瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍及低溫抗開裂性能。然而，由于干法工藝是直接將干法改性劑、基質(zhì)瀝青和石料混合，該過(guò)程不包含改性瀝青的制備環(huán)節(jié)，因此目前對(duì)干法改性劑與基質(zhì)瀝青的配伍性研究較少。

為研究干法改性劑與基質(zhì)瀝青的配伍性，研究選用遼河石化生產(chǎn)的干法改性劑SBS-T 和溫拌干法改性劑SBS-W 作為研究對(duì)象。結(jié)合干法瀝青混合料生產(chǎn)，設(shè)計(jì)室內(nèi)干法改性瀝青生產(chǎn)工藝，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種干法改性劑和基質(zhì)瀝青的配伍性。

1 原材料

基質(zhì)瀝青采用東海70#瀝青，該瀝青產(chǎn)自齊魯石化，其關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試結(jié)果和規(guī)范要求如表1 所示。干法改性劑SBS-T 和溫拌干法改性劑SBS-W 均產(chǎn)自國(guó)路高科（北京）工程技術(shù)研究院有限公司，SBS-T 和SBS-W 的外觀如圖1 所示。

圖1 干法改性劑外觀圖

表1 70#瀝青的技術(shù)性能

2 制備工藝

為研究干法改性劑與基質(zhì)瀝青的配伍性，并與工廠生產(chǎn)干法改性瀝青混合料的工藝相匹配，在室內(nèi)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了干法改性瀝青的制備工藝。

SBS-T 改性瀝青的制備工藝如下：其一，將基質(zhì)瀝青加熱到180℃，加入不同摻量的SBS-T 改性劑，用玻璃棒攪拌均勻；其二，將樣品置于高速剪切機(jī)下，調(diào)整轉(zhuǎn)速至5000 轉(zhuǎn)/min，剪切溫度為180℃，持續(xù)剪切20min。

采用SBS-W 制備改性瀝青與SBS-T 類似，僅將試驗(yàn)溫度降低20℃，設(shè)置為160℃。樣品制備完成后，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）要求進(jìn)行軟化點(diǎn)、延度等關(guān)鍵指標(biāo)分析。

3 改性瀝青性能

3.1 改性劑摻量?jī)?yōu)選

以SBS-T 改性劑為例，通過(guò)分析不同改性劑摻量制備的改性瀝青的軟化點(diǎn)和延度，得出與基質(zhì)瀝青配伍性最佳的SBS-T 摻量。SBS-T 改性劑摻量范圍為4.5%～7%，按0.5%逐步增加，制備6 組SBS-T 改性瀝青，改性劑均為內(nèi)摻。

圖2 為不同摻量的SBS-T 制備的干法改性瀝青的軟化點(diǎn)。由圖2 可知，隨著改性劑摻量的增加，SBS-T 改性瀝青的軟化點(diǎn)大幅度上升，其軟化點(diǎn)上升過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：

圖2 不同SBS-T 摻量下干法改性瀝青的軟化點(diǎn)

第一階段，緩慢增長(zhǎng)階段（改性劑摻量為4.5%～5.5%）。在該階段，SBS-T 改性瀝青的軟化點(diǎn)從77.5℃上升至81.3℃，軟化點(diǎn)增加了3.8℃。4.5%～5.5%的改性劑摻量是SBS 改性瀝青生產(chǎn)中改性劑的適宜摻量（3%～5.5%）。

第二階段，急速增長(zhǎng)階段（改性劑摻量為5.5%～6.5%）。在該階段，SBS-T 改性瀝青的軟化點(diǎn)大幅度上升，增幅達(dá)到19.68%，表明SBS-T 改性瀝青的高溫性能大幅提升。

第三階段，逐漸平穩(wěn)階段（改性劑摻量為6.5%～7%）。隨著改性劑摻量的增加，改性瀝青中的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸成熟。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加改性劑摻量，改性瀝青高溫性能的提升效果逐漸放緩，改性瀝青的性能逐漸穩(wěn)定。

我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中規(guī)定，SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)不得低于70℃，圖2 中所示軟化點(diǎn)均滿足規(guī)范要求。

SBS-T 改性瀝青的延度隨SBS-T 改性劑摻量變化規(guī)律如圖3 所示。改性瀝青延度的變化規(guī)律與軟化點(diǎn)的變化規(guī)律不同。SBS-T 改性劑摻量為7% 時(shí)，SBS-T 改性瀝青的延度僅比改性劑摻量為4.5%時(shí)高0.8cm。在SBS-T 改性劑摻量增加的過(guò)程中，SBS-T改性瀝青的延度出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為41.9cm（改性劑摻量為5.0%）和42.5cm（改性劑摻量為6.5%）。同時(shí)，延度可以反映瀝青的低溫性能。分析可知，改性劑摻量的變化未對(duì)SBS 改性瀝青的低溫性能產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)圖3 可知，幾種SBS-T 改性劑摻量下的延度值均大于40cm，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中要求的20cm。

圖3 不同SBS-T 摻量下干法改性瀝青的延度

綜合考慮改性瀝青的軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，選擇5%的SBS-T 作為SBS-T 改性瀝青的最佳摻量。此時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)可達(dá)到80.5℃，延度可達(dá)到41.9cm。后續(xù)試驗(yàn)均基于以該摻量制備的改性瀝青進(jìn)行研究。

采用類似方法，確定溫拌干法改性劑SBS-W 的最佳摻量為6%，此摻量下溫拌SBS-W 改性瀝青的技術(shù)性能如表2 所示。

表2 6%SBS-W 制備改性瀝青的軟化點(diǎn)和延度

對(duì)比圖2、圖3 和表2 數(shù)據(jù)可知，以改性劑最佳摻量制備的SBS-W 改性瀝青的軟化點(diǎn)高于SBS-T 改性瀝青，延度卻低于后者。整體而言，以兩種改性劑（5%SBS-T，6%SBS-W）制備的改性瀝青性能均滿足技術(shù)規(guī)范。

3.2 高溫性能

為對(duì)比改性瀝青的高溫流變性能，借助動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)SBS 改性瀝青、SBS-T 改性瀝青和SBS-W改性瀝青進(jìn)行溫度掃描。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)圖4 可知，無(wú)論在老化前還是老化后，三種改性瀝青的車轍因子均隨溫度降低而降低，這表明溫度升高會(huì)使瀝青向流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖4 改性瀝青的車轍因子

此外，對(duì)三種樣品的車轍因子進(jìn)行對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：在相同溫度下，未老化改性瀝青的車轍因子從大到小依次為：SBS-W 改性瀝青＞SBS-T 改性瀝青＞普通SBS 改性瀝青，老化瀝青依舊呈現(xiàn)這種規(guī)律。同溫度下，三種改性瀝青老化后的車轍因子相比老化前均有不同程度的提升。這是因?yàn)槔匣瘯?huì)使瀝青內(nèi)部的輕組分揮發(fā)，進(jìn)而使瀝青變硬，在高溫下變得更不易流動(dòng)。

3.3 低溫性能

為對(duì)比改性瀝青的低溫流變性能，借助彎曲梁流變儀對(duì)改性瀝青進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為-12℃和-18℃，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。分析表3 中數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：隨著試驗(yàn)溫度的降低，三種改性瀝青的S 值增加，m 值降低，這表明瀝青逐漸變脆。此外，在同一溫度下，SBS 改性瀝青的S 值略高于SBS-T 改性瀝青，但是兩者均低于SBS-W 改性瀝青。改性瀝青的m 值則呈相反的規(guī)律。S 值和m 值具有較好的一致性，表明在三種改性瀝青中，SBS-W 改性瀝青具有低溫性能優(yōu)勢(shì)。

表3 改性瀝青的低溫流變指標(biāo)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)干法改性劑SBS-T 和溫拌干法改性劑SBS-W 與基質(zhì)瀝青配伍性的研究，主要得出如下結(jié)論：第一，隨著SBS-T 改性劑摻量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)經(jīng)過(guò)緩慢增長(zhǎng)、急速增長(zhǎng)和逐漸平穩(wěn)三個(gè)階段。在設(shè)計(jì)摻量?jī)?nèi)，改性瀝青的軟化點(diǎn)均高于70℃。第二，SBS-T 改性瀝青的延度均高于40cm，但是該指標(biāo)并未隨著改性劑摻量變化呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。第三，結(jié)合改性瀝青性能，并考慮經(jīng)濟(jì)性，確定SBS-T的最佳摻量為5%，SBS-W 的最佳摻量為6%。第四，SBS-T 和SBS-W 改性瀝青的高溫性能優(yōu)于普通SBS改性瀝青。而在低溫性能方面，SBS-W 改性瀝青最優(yōu)，SBS-T 改性瀝青與普通SBS 改性瀝青相當(dāng)。