許 巍, 楊 斌

(湘潭九華經(jīng)濟(jì)建設(shè)投資有限公司, 湖南 湘潭 411100)

0 引言

截至2018年底，中國(guó)高速公路里程達(dá)14.26萬(wàn)km，其中90%以上為瀝青路面。隨著瀝青路面的不斷建設(shè)，瀝青這種不可再生資源急劇減少，瀝青成本不斷上升，找到一種石油瀝青資源替代品具有重要的戰(zhàn)略意義。

生物瀝青作為一種新型的瀝青材料替代品已被道路科研人員廣泛關(guān)注，并取得了一系列研究成果，但目前生物瀝青的高溫性能很難滿足路用性能要求。為了改善生物瀝青的高溫性能，曾夢(mèng)瀾等[1-2]將巖瀝青加入到生物瀝青中，通過(guò)復(fù)合改性瀝青3大指標(biāo)和短期老化試驗(yàn)，考察了巖瀝青對(duì)生物瀝青高溫性能的影響。丁湛等[3]采用在生物瀝青中加入合成樹(shù)脂的方式提高了瀝青的高溫性能。姜鑫[4]證明了多聚磷酸(PPA)和非晶態(tài)α烯烴共聚物(APAO)2種聚合物能夠改善生物瀝青的高溫性能。汪海年等[5]研究了Sasobit溫拌劑對(duì)生物瀝青高溫抗車(chē)轍性能的影響。高俊鋒等[6]通過(guò)摻加SBS至生物瀝青中提高其高溫流變特性。董澤蛟等[7]對(duì)生物瀝青進(jìn)行SBS / 橡膠粉復(fù)合改性，表明兩者的摻入對(duì)混合生物瀝青的高溫穩(wěn)定性有較好的提升作用。

不難看出，大多數(shù)研究學(xué)者都通過(guò)添加外摻劑來(lái)改善生物瀝青的高溫性能，其中SBS因技術(shù)成熟、易加工、改性效果優(yōu)良等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于道路工程;其相容性、配伍性、貯存穩(wěn)定性、改性機(jī)理等方面已有較多研究[8-9]。由研究成果可知，SBS與瀝青可以很好地融合，對(duì)瀝青結(jié)合料的高溫性能有明顯地提升效果，但其成本相對(duì)昂貴。

橡膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青性能相近[10-11]，能改善瀝青混合料的高溫性能，而且成本低廉，同時(shí)為廢舊輪胎的處理提供了有效途徑，因此具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，已被廣泛應(yīng)用于路面材料，但其與瀝青混合的均勻性難以得到保證[12]。

為了提升生物瀝青的高溫性能，通過(guò)添加SBS與橡膠粉進(jìn)行復(fù)合改性，并采用高速剪切制備復(fù)合改性生物瀝青，利用溫度掃描試驗(yàn)、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)對(duì)改性生物瀝青進(jìn)行高溫性能評(píng)價(jià)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青為環(huán)烷基原油生產(chǎn)的鎮(zhèn)海AH-70。生物油為植物油脂蒸餾下來(lái)的殘?jiān)?，是精餾脂肪酸生產(chǎn)過(guò)程中得到的副產(chǎn)品，約占植物油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%～5%，主要成分為60%～80%的脂肪酸和植物醇，常用于路面瀝青。SBS采用巴陵石化熱塑性丁苯橡膠SBSYH-791H(1301-1)，為線型、mS∶mB=30∶70、未充油、分子量≤ 10萬(wàn)的SBS。橡膠粉為40目廢舊斜交輪胎橡膠粉。

1.1.2改性瀝青制備

將70#基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱至150 ℃，待基質(zhì)瀝青具有一定流動(dòng)性后，摻入一定質(zhì)量的生物油，攪拌均勻，放入加熱爐中控溫，溫度保持在150 ℃～160 ℃，啟動(dòng)高速剪切儀，使轉(zhuǎn)速緩慢增至3 000 r/min，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)30 min制得生物瀝青。在制得的生物瀝青中同時(shí)加入一定比例的SBS或廢舊橡膠粉或兩者的混合物，溫度控制在180 ℃左右，將剪切儀轉(zhuǎn)速增至5 000 r/min，勻速剪切90 min后，置于烘箱中發(fā)育30 min制得復(fù)合改性瀝青。

1.2 試驗(yàn)方法

參考現(xiàn)有研究學(xué)者對(duì)生物油、SBS、橡膠粉改性瀝青的研究，選定生物油摻量為5%，SBS摻量1%、2%、3%，橡膠粉摻量5%、10%、15%(內(nèi)摻)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度、溫度掃描和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)。

參考現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的試驗(yàn)方法對(duì)改性瀝青進(jìn)行T 0625-2011旋轉(zhuǎn)黏度(RV)試驗(yàn)、溫度掃描試驗(yàn),參考2019年版《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(征求意見(jiàn)稿)》進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)。

旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試溫度為135 ℃，溫度掃描采用原樣瀝青，溫度設(shè)置40 ℃～90 ℃，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變目標(biāo)值12%，多重應(yīng)力重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)采用短期老化(RTFOT)的瀝青試樣，短期老化試驗(yàn)方法參考T 0610-2011瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)，同樣采用應(yīng)變控制，應(yīng)變目標(biāo)值10%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 黏度試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了初步判斷SBS/橡膠粉復(fù)合改性與單獨(dú)摻入SBS或橡膠粉改性生物瀝青高溫性能效果，選用135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度大致表征改性瀝青的施工拌和或壓實(shí)性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，繪制柱狀圖如圖1所示。

表1 單獨(dú)摻入SBS或橡膠粉與SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青黏度對(duì)比瀝青種類(lèi)瀝青組成旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)170#53625%Bio38035%Bio+1%SBS45645%Bio+5%CR48855%Bio+1%SBS+5%CR689

圖1 單獨(dú)摻入SBS或橡膠粉與SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青黏度對(duì)比

從表1和圖1可以看出，生物油的加入明顯降低了基質(zhì)瀝青的黏度，這與預(yù)期效果一致，因?yàn)樯镉偷募尤胧篂r青輕組分增加，達(dá)到降黏的效果[13]；在生物瀝青中加入1%的SBS，黏度有一定提升，因?yàn)镾BS均勻分布在生物瀝青中，發(fā)生溶脹與瀝青形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大了流動(dòng)阻力；橡膠粉的加入與SBS的原理類(lèi)似，兩者都是聚合物，本身有較相似的性質(zhì)，區(qū)別在于橡膠粉的摻量一般較SBS大。

當(dāng)SBS / 橡膠粉復(fù)合改性之后，生物瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度大幅度增加，甚至超過(guò)了基質(zhì)瀝青，這是因?yàn)镾BS的密度比基質(zhì)瀝青小，產(chǎn)生離析懸浮于生物瀝青之上，而橡膠粉的密度比生物瀝青大，一般容易沉入混合物底部，當(dāng)兩者混合形成新型結(jié)構(gòu)，其密度基本接近生物瀝青，更易形成均相結(jié)構(gòu)，故對(duì)生物瀝青的高溫黏度能產(chǎn)生有利影響[14]。

2.2 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果及分析

先對(duì)70#基質(zhì)瀝青、單摻5%生物油(Bio)、單摻1%SBS、單摻5%橡膠粉(CR)的改性瀝青分別進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，得出各改性材料對(duì)基質(zhì)瀝青的影響效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，繪制曲線圖如圖2所示。

表2 不同改性材料對(duì)基質(zhì)瀝青車(chē)轍因子的影響溫度/℃以下材料對(duì)應(yīng)的車(chē)轍因子/kPa70#5%Bio1%SBS5%CR469.4265.37812.41511.456523.9722.3795.4594.765581.8131.1342.5882.497640.8230.5221.3251.138700.4190.2980.7830.763760.2220.1680.4670.372820.1250.0940.2370.146

圖2 不同改性材料對(duì)基質(zhì)瀝青車(chē)轍因子影響效果對(duì)比

從圖2可以看出，摻入5%生物油之后，生物瀝青相比基質(zhì)瀝青車(chē)轍因子大幅度下降，驗(yàn)證了生物瀝青高溫抗車(chē)轍能力不足；SBS改性劑的加入使得基質(zhì)瀝青的車(chē)轍因子增大，且1%的摻量就已經(jīng)具有較佳的效果；橡膠粉的摻入同樣使得基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性有所提升，但5%橡膠粉較1%SBS的改性效果有所欠缺，這是因?yàn)橄鹉z粉與基質(zhì)瀝青的反應(yīng)主要是物理作用，以共混為主，化學(xué)反應(yīng)較少，而SBS顆粒相對(duì)橡膠粉與基質(zhì)瀝青分子間作用更加明顯，形成物理交聯(lián)作用，使瀝青間組分發(fā)生比例性變化，形成穩(wěn)定的凝膠型結(jié)構(gòu)，從而較好地提升基質(zhì)瀝青高溫性能[12]。

已有研究表明，SBS/橡膠粉復(fù)合改性對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生較好的效果，可以綜合兩者各自的優(yōu)勢(shì)[14]，為了更好地提升生物瀝青的高溫性能，采用不同摻量的SBS/橡膠粉復(fù)合材料對(duì)生物瀝青進(jìn)行改性，考慮可比性，固定生物油比例為5%，預(yù)先探究單一不同摻量SBS、橡膠粉對(duì)生物瀝青高溫性能提升效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4，其規(guī)律如圖3和圖4所示。

表3 SBS對(duì)生物瀝青車(chē)轍因子影響溫度/℃以下材料對(duì)應(yīng)的車(chē)轍因子/kPa70#5%Bio5%Bio+1%SBS5%Bio+2%SBS5%Bio+3%SBS469.4265.3786.2397.4548.432523.9722.3792.6662.8793.256581.8131.1341.3191.4341.676640.8230.5220.6280.6220.713700.4190.2980.3650.3980.548760.2220.1680.2040.2160.22820.1250.0940.1130.1180.12

表4 橡膠粉對(duì)生物瀝青車(chē)轍因子影響溫度/℃以下材料對(duì)應(yīng)的車(chē)轍因子/kPa70#5%Bio5%Bio+5%CR5%Bio+10%CR5%Bio+15%CR469.4265.3786.458.36410.293523.9722.3792.7633.5374.233581.8131.1341.5621.6821.945640.8230.5220.6330.7430.855700.4190.2980.3540.4130.576760.2220.1680.1940.2210.25820.1250.0940.1080.1210.14

圖3 SBS對(duì)生物瀝青高溫性能提升效果

圖4 橡膠粉對(duì)生物瀝青高溫性能提升效果

從圖3可以看出，加入SBS對(duì)生物瀝青的車(chē)轍因子有明顯提高，且隨著SBS摻量增加，效果愈加明顯。這是因?yàn)镾BS一方面可以吸收瀝青里面的輕組分，增加黏性；另一方面，SBS的線型鏈狀結(jié)構(gòu)可以與瀝青纏繞在一起，形成網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)。但加入3%SBS，其改善后的高溫性能仍不如基質(zhì)瀝青，這是因?yàn)樯镉偷募尤胧沟脼r青輕組分增加、黏度降低、變得更軟，導(dǎo)致高溫性能變差，3%SBS摻量改善效果不足以抵消5%生物油產(chǎn)生的高溫性能下降[9,13]。

橡膠粉與SBS同是聚合物，具有類(lèi)似性質(zhì)，從圖4可以看出，摻入橡膠粉后，生物瀝青車(chē)轍因子明顯增大，且隨著摻量增加，改性效果更加突出。當(dāng)摻量達(dá)到15%時(shí)，高溫性能已經(jīng)超過(guò)基質(zhì)瀝青，究其原因是橡膠粉的摻入使其與瀝青質(zhì)產(chǎn)生接觸，在高溫剪切作用下發(fā)生溶脹，膠粉與瀝青嵌擠在一起形成三維結(jié)構(gòu)，增大了生物瀝青的黏度和模量，從而改善生物瀝青高溫性能[10]。

與SBS不同，橡膠粉的摻量相對(duì)SBS較多，而SBS由于顆粒大小較橡膠粉占優(yōu)勢(shì)，更容易均勻分散在瀝青中，橡膠粉改性瀝青的特點(diǎn)就在于經(jīng)濟(jì)性好[7]。與圖3相比，15%橡膠粉改性效果較3%SBS改性效果更好，但眾所周知，橡膠粉在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中很難形成均相結(jié)構(gòu)，故在生物瀝青中摻入一定量的SBS，再摻入一定量的橡膠粉，可以綜合兩者優(yōu)勢(shì)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高溫性能優(yōu)良的效果。

2.3 多重應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了論證SBS/橡膠粉相比單獨(dú)摻入更能提升生物瀝青高溫性能，根據(jù)不同瀝青種類(lèi)溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果，綜合確定PG高溫等級(jí)，選用58 ℃進(jìn)行多重應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，以恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔鳛樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行彈性恢復(fù)和應(yīng)力效應(yīng)分析，結(jié)果見(jiàn)表5和表6，不同SBS / 橡膠粉摻量復(fù)合改性生物瀝青和基質(zhì)瀝青高溫性能對(duì)比如圖5和圖6所示。其中：1為70#基質(zhì)瀝青，2為5%Bio生物瀝青,3為5%Bio+1%SBS+5%CR改性生物瀝青，4為5%Bio+2%SBS+5%CR改性生物瀝青，5為5%Bio+3%SBS+5%CR改性生物瀝青,6為5%Bio+1%SBS+10%CR改性生物瀝青，7為5%Bio+2%SBS+10%CR改性生物瀝青，8為5%Bio+3%SBS+10%CR改性生物瀝青,9為5%Bio+1%SBS+15%CR改性生物瀝青，10為5%Bio+2%SBS+15%CR改性生物瀝青，11為5%Bio+3%SBS+15%CR改性生物瀝青。

表5 SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青恢復(fù)率對(duì)比種類(lèi)以下應(yīng)力水平(kPa)對(duì)應(yīng)的恢復(fù)率/%0.13.216.532.67224.160.54636.192.54747.752.837510.76.376614.28.128719.39.248823.5511.539930.4715.211035.718.331142.526.78

表6 SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繉?duì)比種類(lèi)以下應(yīng)力水平(kPa)對(duì)應(yīng)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?(kPa-1)0.13.211.22 1.3122.64 2.9331.39 1.6741.13 1.2050.96 1.1260.86 0.9970.65 0.7680.44 0.5390.32 0.37100.25 0.33110.19 0.27

圖5和圖6的MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種應(yīng)力水平下，SBS/橡膠粉聚合物改性瀝青隨著摻量增加，其恢復(fù)率具有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃烤哂忻黠@減小規(guī)律。

與生物瀝青相比，摻入SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青后，復(fù)合改性后的生物瀝青恢復(fù)率大幅提升，SBS摻量3%+橡膠粉摻量15%的情況，0.1 kPa應(yīng)力水平下提升程度為改性生物瀝青之前的10倍以上，3.2 kPa應(yīng)力水平下提升50倍以上；從不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縼?lái)看，相比5%生物油摻量的生物瀝青，3%SBS+15%橡膠粉摻量時(shí)，0.1 kPa應(yīng)力水平下，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃拷档椭猎瓉?lái)的15.36%，3.2 kPa應(yīng)力水平下降低至原來(lái)的9.32%。

圖5 SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青恢復(fù)率對(duì)比

圖6 SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青與基質(zhì)瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繉?duì)比

與基質(zhì)瀝青相比，恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?個(gè)指標(biāo)表明，當(dāng)SBS摻量2%+橡膠粉摻量5%時(shí)，復(fù)合改性生物瀝青高溫抗變形能力已經(jīng)超過(guò)基質(zhì)瀝青，這與溫度掃描得出的結(jié)果一致，且隨著摻量增加，改性效果更加明顯，且一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

SBS/橡膠粉聚合物改性生物瀝青之間相比，控制SBS摻量不變，增加橡膠粉摻量，復(fù)合改性生物瀝青的高溫性能呈提高趨勢(shì)；控制橡膠粉摻量不變，增加SBS摻量可以得到同樣的結(jié)果。相比SBS，提高橡膠粉摻量，復(fù)合改性生物瀝青高溫性能提高更明顯，但同時(shí)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坑袦p緩趨勢(shì)，說(shuō)明3%SBS和15%橡膠粉的復(fù)合已接近最佳摻量。

與單一摻入SBS或橡膠粉相比，SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青可以綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，MSCR試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)。兩者的復(fù)合可以將改性效果進(jìn)行疊加，原因在于一方面兩者同屬于聚合物，具有類(lèi)似的性質(zhì)，另一方面，兩者顆粒大小不一致，可以更好地與瀝青混合形成骨架結(jié)構(gòu)，且兩者的密度結(jié)合起來(lái)更接近于基質(zhì)瀝青，易在混合物中均勻分布[4,6]。經(jīng)濟(jì)性方面，SBS成本高，加工復(fù)雜，故摻量較少；橡膠粉制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且能對(duì)廢棄物進(jìn)行有效處理，故摻量較高。用一定摻量橡膠粉替代部分SBS，不僅可以節(jié)約SBS的成本，還可以處理掉廢舊輪胎。更為重要的是，兩者復(fù)合之后對(duì)生物瀝青的高溫性能提升效果極佳，同時(shí)為生物瀝青廣泛用于道路工程提供了有效途徑。

3 結(jié)論

1) 根據(jù)黏度、溫度掃描和多重應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青對(duì)生物瀝青的高溫性能提升效果優(yōu)于單一SBS改性生物瀝青或橡膠粉改性生物瀝青。

2) 在研究的SBS/橡膠粉復(fù)合改性生物瀝青摻量范圍內(nèi)，2%SBS+5%橡膠粉摻量改性的生物瀝青高溫穩(wěn)定性已經(jīng)超過(guò)70#基質(zhì)瀝青，高溫性能最佳的摻量為3%SBS+15%橡膠粉。

3) 根據(jù)車(chē)轍因子、恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康?個(gè)高溫指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果，用一定摻量的橡膠粉代替部分SBS改性生物瀝青，不僅可以疊加兩者改性生物瀝青高溫穩(wěn)定性效果，使生物瀝青滿足路用性能要求，還可以節(jié)約SBS經(jīng)濟(jì)成本，有效處理廢舊橡膠輪胎。

4) 本文通過(guò)復(fù)合改性來(lái)改善生物瀝青的高溫性能，為生物瀝青在道路工程中廣泛應(yīng)用提供了有效途徑和試驗(yàn)依據(jù)，但未涉及到復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能研究，因此后續(xù)應(yīng)進(jìn)行復(fù)合改性生物瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)研究。