高黏改性劑的研發與性能評價

杜姣姣 張明明 周有安

(重慶重交再生資源開發股份有限公司 重慶市瀝青路面再生工程技術研究中心，重慶 401121)

0 引言

根據《國家環境保護規劃》的精神，樹立科學發展觀，走可持續發展道路，建設資源節約型，環境友好型生態城市。國家出臺政策給予“海綿城市”建設的高度重視，而透水瀝青路面為“海綿城市”建設中的一項關鍵技術，透水路面是面層透水基層不透水的路面，這類路面能有效減小噪聲[1,2]，適應城市交通荷載作用，對城市暴雨的管理和補充地下水資源起到重要作用。透水瀝青混合料是典型骨架空隙結構的開級配混合料[3],相較一般的瀝青路面，其主要的結構特征是孔隙率較高(我國規范要求大于18%)，因而也被稱為多孔性路面。其中透水瀝青路面中最核心的技術為高黏改性劑改性制得的高黏改性瀝青。為此，近年來國內很多道路工作者都致力于高黏改性劑的研發[4-9]，已經取得了一部分成果并且進行了試驗段的鋪設，但是存在的問題依然不少。目前，國內使用的高黏度改性瀝青大部分仍然依靠進口，購買價格比較昂貴。因此，研發出一種適用于國內的且價格相對低廉的高黏改性劑具有重要意義。

1 原材料性質

不同的改性劑改性機理與改性效果各不相同，各自針對的側重點也不一樣，常用的改性劑主要有SBS，SBR，EVA(乙烯醋酸乙蛹共聚物)和橡膠等[10]。本次選用這四種改性劑(SBS、橡膠粉、樹脂、油)作為原材料，加入到瀝青以后分別與瀝青的四組分發生反應[11]，穩定的分散在瀝青中而不出現離析的現象[12],從而產生一系列瀝青性能的改善，根據各自的側重點達到一個相輔相成的效果。

1.1 基質瀝青

制備高黏改性瀝青的基質瀝青選用70號基質瀝青，根據JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范[13]要求，按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程規定，對基質瀝青進行性能試驗，檢測結果滿足規范要求，具體數據如表1所示。

1.2 SBS

本次選用目前道路上比較成熟的SBS改性劑作為高黏改性劑的主要成分，SBS易吸收瀝青中的飽和酚發生溶脹，溶脹后的SBS極性更接近膠質，瀝青組分對聚合物粒子的充分溶脹和聚合物粒子對瀝青組分的良好吸附是對瀝青進行聚合物改性，能夠提高瀝青的韌性、延展性、抗疲勞性和抗剝離能力等性能[14]。

1.3 橡膠粉

橡膠粉是橡膠粉末的簡稱，一般用廢舊輪胎加工而成。常采用的加工方法有：常溫粉碎法、冷凍法、常溫化學法。不同生產工藝生產的膠粉對瀝青的性能也不同。廢輪胎膠粉常用做瀝青的改性劑，這是因為廢胎膠粉的主要化學成分有合成橡膠、可塑劑、炭黑及灰分等。天然橡膠、合成橡膠具有較強的彈性和韌性，分子結構一般為線型、支鏈型或交鏈型。經硫化后，橡膠分子形成三維空間網狀結構，橡膠的彈性、韌性、強度及耐磨性都得到顯著提高，加入到瀝青里面可以顯著改善其低溫性能，可以說是既環保又節約成本。

1.4 樹脂

石油樹脂具有較好的粘結性，橡膠中加入石油樹脂能起到增粘、補強、軟化的作用。高黏改性劑瀝青一個重要的指標便是60 ℃的動力粘度，增粘的作用便是增加高黏改性瀝青的動力粘度，瀝青動力粘度的提高，可以明顯增加粗集料顆粒之間的點粘結能力，對于瀝青混合料的強度和水穩定性都有良好的提升作用。但是僅加入熱塑性樹脂難以使瀝青膠結料的包裹性和黏附性滿足要求,需配合熱塑性彈性體類改性劑加以使用[15]。

1.5 油

環烷油來自天然石油，價格低廉、來源可靠，并且由于其特有的結構，環烷油有著與某些樹脂及聚合物優良的兼容性，并且與橡膠有著良好的增塑與互溶性。因此，選用環烷油來作為改性劑的增塑劑，促使橡膠塑化成型，增加熱塑性橡膠與瀝青的相容性。

2 高黏改性瀝青材料配方正交設計

2.1 因素與水平的選擇

試驗所選取的4個因素分別為橡膠粉、SBS、油、樹脂各自的摻量。分別將其命名為A，B，C，D。其各因素水平根據前期實驗及相關文獻參考如表2所示。

表2 各因素水平表

表2中各水平代表該因素占瀝青質量的百分比，根據正交實驗的水平和因素選取，本次研究正交實驗組數確定為9組，分別測試每一組的三大指標以及動力黏度對各因素進行初步的判斷，從正交表中選取L9(34)的正交表格實驗安排，具體排列及測試數據見表3，表4。

表3 正交試驗表

表4 正交試驗數據處理

2.2 各因素水平極差分析

將正交試驗測試數據進行各因素水平極差分析，確定各因素的最優組合，通過4組最優組合確定高黏改性劑的配方。具體數據如表5～表8所示。

根據表5～表8的極差分析，通過k值確定各因素優化水平組合：

針入度：A1B1C2D3，延度：A3B3C1D1。

軟化點：A3B3C3D1，黏度：A3B3C2D1。

表5 針入度極差分析表

表6 延度極差分析表

表7 軟化點極差分析表

表8 黏度極差分析表

由于黏度與延度是較難控制的兩個指標，因此優先從黏度與延度指標中進行選擇，從黏度與延度的優組合A3B3C1D1以及A3B3C2D1可以看出，兩個優選組合均出現了A3，B3，D1，所以可以確定的優水平為A3，B3，D1，然后通過觀察因素C每個水平出現的頻率，C2出現次數最多，同時發現因素C在C2水平時各指標數據都比較完美，因此確定C因素優水平為C2，暫定最佳配方組合為A3B3C2D1。即橡膠粉5%，SBS 6%，油1%，樹脂1%。由于此比例為該因素占瀝青質量的百分比，調整為高黏改性劑配方為：橡膠粉∶SBS∶油∶樹脂=38∶46∶8∶8。

3 高黏改性劑配方驗證

得出正交實驗確定高黏改性劑初步配比，需要進一步進行高黏改性瀝青性能的驗證以確定配方的效果及穩定程度，驗證摻量為基質瀝青的12%，使用剪切方法為JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑[16]附錄B推薦方法：

1)用電子天平稱量500 g基質瀝青試樣放于盛樣器中，在烘箱中加熱180 ℃。

2)按照比例稱取一定質量的高黏度添加劑，加入到瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻。

3)使用剪切機按照4 000 r/min～5 000 r/min速率對瀝青剪切30 min，剪切過程中溫度維持在(180±10)℃。

4)關閉剪切機，將制備好的高黏添加劑改性瀝青放入(180±5)℃烘箱中發育30 min，完成后立即澆模進行相關實驗。

配方驗證相關數據如表9所示。

表9 高黏改性瀝青實驗數據

從表9可以看出，高黏改性劑配方橡膠粉∶SBS∶油∶樹脂=38∶46∶8∶8，通過交通部規范要求剪切方法進行剪切實驗，各指標均符合JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑要求，且效果良好，對瀝青有著很好的改性效果。因此可以確定高黏改性劑配方：橡膠粉∶SBS∶油∶樹脂=38∶46∶8∶8可以作為一種新型的高黏改性劑來對瀝青進行改性，但同時也需要進一步驗證混合料的性能是否滿足相關規范要求。

4 OGFC瀝青混合料性能驗證

JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑規定高黏度添加劑可用于各種熱拌瀝青混合料。但是目前道路行業中普遍用于排水瀝青路面中。因此將其用于OGFC-13排水瀝青混合料中進行路用性能的驗證。由于此高黏改性劑還處于室內驗證階段，沒有到工廠制作改性劑顆粒小樣這一階段，故此次采用濕法拌和混合料，直接使用高黏改性瀝青進行實驗。

室內試驗用高黏度添加劑改性瀝青混合料拌和、成型溫度控制參數如表10所示。

表10 瀝青混合料溫度控制表

根據規范要求溫度控制，進行混合料的攪拌與性能驗證，具體實驗數據如表11所示。

表11 高黏改性瀝青混合料實驗數據

從表11中數據可以看出，此次高黏改性瀝青混合料的試驗基本能滿足規范要求，其中尤其重要的飛散試驗指標也是效果突出。飛散試驗主要就是測試混合料集料之間的點粘結能力，粘結能力越好，混合料的表面集料越不容易脫落和散失，說明瀝青在常溫的條件下黏度越高，高黏改性劑給瀝青帶來的性能提升就越好。其他指標比如高溫穩定性、殘留穩定度等等，也都優于一般的混合料，進一步證明了該配方高黏改性劑的優異性，可開始試用。

5 結語

1)根據L9(34)正交試驗結果極差分析，從各因素的最優組合確定高黏改性劑配方為橡膠粉∶SBS∶油∶樹脂=38∶46∶8∶8。2)基于高黏改性劑配方剪切得到高黏改性瀝青進行性能驗證，各項指標均符合JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑規范要求，表現出良好的混合料路用性能。3)采用濕法進行高黏改性瀝青混合料(OGFC-13)的性能驗證，飛散效果尤為突出，其他性能也均是符合要求。確定該配方作為一種新型的高黏改性劑能夠對瀝青進行改性并帶來優異的瀝青及混合料性能提升的效果。4)此次研究只是建立在實驗室的基礎上，還沒有到工廠化小樣生產的階段，下一階段將進行小樣的小試、中試。且此次混合料實驗也是采用的濕法進行，干法能否達到同樣的效果也是需要繼續驗證。5)缺少與其他同類高黏改性劑的對比以及不同摻量帶來的改性效果驗證。6)對高黏改性機理的分析比較淺顯，后期還需要查閱相關的文獻以及大量的實驗來支撐自己的理論知識。