高性能橡膠/SBS復合改性瀝青SMA-13制備與性能研究

賀文棟

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

國家“十三五”規劃綱要提出了“創新、協調、開放、共享”的發展理念，著力推進綠色循環低碳發展，加強生態環境保護，推進廢舊材料循環利用，節約利用資源，著力實施創新驅動發展戰略，推動產業結構優化升級。

廢舊輪胎被稱為“黑色污染”，是一種難以降解的聚合物材料，其回收和處理技術一直是一個難題[1]。露天堆放處理會污染土壤，夏季還存在火災隱患，若采用燃燒處理，會產生大氣污染，同時也會造成大量的資源浪費。而將廢舊輪胎加工成橡膠粉應用于公路行業也成為廢舊輪胎再生利用的主要方式之一。

隨著科技的不斷發展，人們會在生產輪胎時摻加多種成分（如合成橡膠、硫、碳黑等）來滿足其使用性能[2]。利用廢舊輪胎加工生產的橡膠粉仍然含有這些化學添加成分，這些化學物質摻加到瀝青中，對瀝青的高低溫性能、老化性能及疲勞性能有很好的改善作用，摻加膠粉修筑的瀝青混凝土路面，可以延緩反射裂縫的發生，降低路面行車噪聲，節省筑路成本，延長路面使用壽命，同時還可以適當減薄路面厚度[3]。

目前，國內外許多學者針對橡膠改性瀝青已經有很多的研究，然而其路用性能仍然要遜色于SBS改性瀝青，這也制約了橡膠改性瀝青在高等級路面的應用。因此，采用橡膠與SBS復合改性不失為一種方法，綜合提高瀝青使用性能，又能促進固廢橡膠綜合利用。基于此，本文采用橡膠與SBS制備復合改性瀝青及混合料，并以SBS改性瀝青混合料作為參照，采用車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗及疲勞試驗對比分析了兩種混合料的路用性能及耐久性，為固廢橡膠在道路工程的合理利用提供參考。

1 高性能橡膠/SBS復合改性瀝青制備

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性劑

試驗用改性劑SBS為市場購買岳陽化工生產的巴陵牌型，外形為白色細長型粒料，SBS的嵌段比S/B=40/60。

1.1.2 橡膠粉

試驗采用由常溫粉碎法生產的細度為40目的廢輪胎膠粉，摻量為20%。其技術指標見表1。

表1 膠粉的技術指標

1.1.3 瀝青

試驗采用中海70號瀝青，其性能指標見表2。

表2 中海70號瀝青基本性能

1.1.4 集料

試驗用集料為河南濟源生產的玄武巖，參照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005），集料主要性能指標試驗結果見表3。均滿足規范要求。

表3 粗細集料主要性能指標試驗結果

1.2 制備工藝

高性能橡膠/SBS復合改性瀝青制備：a）將基質瀝青在烘箱中加熱至150℃左右；b）稱取所需質量的基質瀝青至攪拌器中，加熱至約180℃；c）保持基質瀝青處于高溫狀態，將20%摻量的膠粉緩緩加入，先進行高速剪切攪拌預混，使膠粉均勻分散到基質瀝青中；d）保持剪切40 min后加入SBS（SBS含量2%），繼續在180℃下剪切30 min。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）對制備的高性能橡膠/SBS復合改性瀝青試樣進行試驗，試驗結果見表4。從表4可以看出，高性能橡膠/SBS復合改性瀝青的針入度、軟化點、延度等性能均滿足《公路改性瀝青路面施工技術規范》（DB14/T 160—2015）中技術要求。

表4 橡膠/SBS復合改性瀝青主要性能試驗結果

2 高性能橡膠/SBS復合改性瀝青混合料性能研究

2.1 SMA-13級配設計

采用馬歇爾方法進行目標配合比設計，其中混合料拌合溫度為190℃，擊實溫度180℃～185℃，最佳油石比為6.5%。高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13瀝青混合料級配見表5。

表5 試驗用級配 %

2.2 混合料路用性能研究

2.2.1 車轍試驗

該文采用車轍試驗來評價兩種SMA-13瀝青混合料的高溫穩定性。動穩定度檢測結果見表6。

表6 車轍試驗結果 次/mm

由表6可知，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13與SBS改性SMA-13瀝青混合料均有很好的高溫穩定性。相比于SBS改性SMA-13混合料，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13動穩定度較小，但并不明顯。

2.2.2 小梁彎曲試驗

瀝青混合料低溫彎曲試驗可用來評價瀝青混合料的強度及變形能力，其評價指標為抗彎強度、最大彎拉應變及破壞時的彎曲勁度模量，最大彎拉應變是較為重要的一個評價指標。結果見表7。

表7 小梁彎曲試驗結果 με

由表7可知，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13的最大彎拉應變相較于SBS改性SMA-13提高了15%，其具有更優異的低溫抗裂性。

2.2.3 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗強度比結果見表8。

表8 TSR試驗結果 %

由表8可見，兩者TSR基本一致。

2.2.4 疲勞試驗

采用四點彎曲疲勞試驗方法，測定彎曲勁度模量降低到初始彎曲勁度模量50%對應的加載循環次數。高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13與SBS改性SMA-13曲線變化分別見圖1、圖2。對比圖1與圖2，可以發現：

圖1 高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13瀝青混合料四點彎曲試驗結果

圖2 SBS改性SMA-13混合料四點彎曲試驗結果

a）在體積指標參數基本相同的前提下，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13瀝青混合料的加載循環次數為SBS改性SMA-13的兩倍，說明高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13的疲勞壽命大幅提高。

b）每一次加載和卸載過程中，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13曲線變化幅度較SBS改性SMA-13更明顯，說明瀝青中摻入廢棄膠粉后，由于膠粉有一定的彈性作用，即使在大變形的情況下，高性能橡膠/SBS復合改性瀝青混凝土都能得到很好的恢復，說明高性能橡膠/SBS復合改性瀝青混凝土路面的抗裂性能提高。

3 分析與討論

橡膠改性瀝青作用非常復雜，將橡膠粉加入瀝青中，兩者之間并非簡單地存在物理共混，而是物理共混和化學反應并存，這既保留了橡膠本身的特性，同時改善了瀝青的性能[4-5]。橡膠粉對瀝青及瀝青混合料性能改善機理分析如下：

a）摻入橡膠粉制備的瀝青混合料，由于橡膠粉本身的高彈性特性，提高了瀝青混凝土彈性性能，從而可以提高路面行車舒適性，降低行車噪聲。

b）橡膠是一種惰性材料，將其加入熱瀝青中充分攪拌時，其會吸收瀝青中的輕組分，減少瀝青中的游離蠟含量，部分橡膠分子氧化解聚，彈性消失，塑形和黏性增加，橡膠粉顆粒中的化學物質進入瀝青中可以改善瀝青的感溫性能、高低溫性能及抗老化性能。

c）橡膠粉在加入瀝青中后，與瀝青之間復雜的物理化學作用形成網狀結構，這會改善瀝青混合料在動荷載作用下的受力狀態，摻加橡膠粉制備的瀝青混合料可以吸收或消散行車荷載，減弱荷載對路面的作用，減輕路面基層的承載壓力，從而延長路面使用壽命，減薄路面厚度。

d）將膠粉摻入瀝青混合料中，可以減小混合料的塑性變形，增加混合料內摩擦角，提高混合料的抗剪切能力，從而達到改善瀝青混合料高溫穩定性的目的[6]。

4 結論

本文通過對比體積參數相近的高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13和SBS改性SMA-13瀝青混合料的的高溫、低溫、水穩定性及疲勞性能試驗，通過分析試驗數據得出主要結論如下：

a）高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13和SBS改性SMA-13瀝青混合料均具有良好的高溫性能及水穩定性，兩者之間的動穩定度及TSR基本一致。

b）高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13的最大彎拉應變為SBS改性SMA-13瀝青混合料的1.15倍，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13瀝青混合料具有更優異的低溫抗裂性。結合膠粉改性機理，加入廢棄橡膠粉對混合料的低溫性能有良好改善作用。

c）高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13彎曲勁度模量降低到初始彎曲勁度模量50%對應的加載循環次數接近20萬次，為SBS改性SMA-13循環次數的兩倍。且在加載卸載過程中，高性能橡膠/SBS復合改性SMA-13瀝青混合料具有較好的彈性恢復功能，其不僅可以提高路面壽命，同時可以提供良好的行車舒適性。