直投湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑性能分析

■張 超

（1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司， 福州 350001； 2.福建省高速公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福州 350001）

當(dāng)前，將改性瀝青作為瀝青路面面層粘結(jié)料已成為常規(guī)做法。 路面建設(shè)或養(yǎng)護(hù)工程采用的改性瀝青通常為以SBS 為代表的聚合物類(lèi)改性，部分工程采用以特立尼達(dá)湖瀝青（TLA）為代表的天然瀝青改性瀝青，兩種改性工藝均有較好的性能提升和經(jīng)久耐用效果。 在部分重要工程或特殊路段，當(dāng)瀝青材料通過(guò)單一SBS 改性或單一TLA 改性無(wú)法滿足技術(shù)需要時(shí)，通常會(huì)采用“SBS+TLA”復(fù)合改性方案以達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)的材料性能水平[1]。 現(xiàn)有試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用表明， 當(dāng)二者復(fù)合使用進(jìn)行瀝青改性時(shí)，相比普通基質(zhì)瀝青AC-20 混合料，高溫穩(wěn)定性能提高147%，低溫性能提高72%，抗水損害性能（殘留穩(wěn)定度）提高9.7%，疲勞性能提高明顯改善[2]，兩種改性方法能夠產(chǎn)生雙效疊加效應(yīng)，大幅度提高道路瀝青混合料的使用性能。

1 直投改性技術(shù)發(fā)展

近年來(lái)，SBS 改性瀝青材料的質(zhì)量問(wèn)題事件時(shí)有發(fā)生，暴露了工廠化生產(chǎn)SBS 改性瀝青在兩個(gè)方面的不足：（1）技術(shù)性能方面，因?yàn)镾BS 高分子材料熔點(diǎn)高、不易溶解分散，其與瀝青材料在熱力學(xué)上呈不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)常導(dǎo)致成品改性瀝青中的SBS 改性劑離析， 且在運(yùn)輸使用過(guò)程中由于長(zhǎng)時(shí)間加熱、高溫加熱、反復(fù)加熱，導(dǎo)致SBS 改性劑老化失效情況非常普遍；（2）生產(chǎn)管理方面，在基質(zhì)瀝青、SBS等原材料采用上，大宗材料以次充好、關(guān)鍵材料偷工減料和“三氯氰胺式”指標(biāo)調(diào)配等不法手段較為常見(jiàn)，導(dǎo)致實(shí)際工程所購(gòu)SBS 改性瀝青各種指標(biāo)全部符合要求，但瀝青路面卻往往很快產(chǎn)生早期破壞的無(wú)解難題。

干法直投改性工藝于拌和環(huán)節(jié)將改性劑直接投入拌缸，具有“所見(jiàn)即所用”的技術(shù)管理優(yōu)勢(shì)，確保用足、用好改性劑，逐步得到了廣泛認(rèn)可和推廣應(yīng)用。 直投改性劑材料方面，早期以PE、塑料顆粒等成分為主，后來(lái)出現(xiàn)SBS 成分顆粒，通過(guò)拌和樓直投SBS 成分顆粒復(fù)現(xiàn)工廠濕法SBS 生產(chǎn)中改性劑的分散、融合和交聯(lián)，但由于拌和時(shí)間、添加順序等限制，實(shí)際效果往往有所不足。

湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑顆粒，以天然湖瀝青和SBS 聚合物為主要原料，利用湖瀝青與普通瀝青為同類(lèi)材料易于混融的優(yōu)勢(shì)，首先在造粒過(guò)程中湖瀝青預(yù)融合、預(yù)分散SBS 聚合物，再結(jié)合拌和過(guò)程，分兩步實(shí)現(xiàn)了瀝青和瀝青混合料的改性目標(biāo)，機(jī)理清晰，復(fù)合改性效果突出[1]。

2 湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑顆粒制造

湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑顆粒以TLA 天然瀝青（特立尼達(dá)湖瀝青）和SBS 聚合物（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段）為主要原料，經(jīng)溶脹、磨細(xì)和發(fā)育環(huán)節(jié)后造粒而成。 主要組成成分如表1 所示，改性劑顆粒外觀如圖1 所示。復(fù)合改性劑顆粒為直徑5～10 mm、厚度2～4 mm 的扁球體適宜顆粒，長(zhǎng)期常溫存放不粘結(jié)，以干法直投工藝進(jìn)行瀝青混合料改性生產(chǎn)，能夠均勻分散至加熱石料中，在不增加拌和時(shí)間的情況下吸熱融化后附融于礦料和基質(zhì)瀝青中， 能最大限度地實(shí)現(xiàn)聚合物濕法工廠的改性效果、發(fā)揮湖瀝青改性的作用，提高改性瀝青混合料生產(chǎn)效率，并具有性能質(zhì)量穩(wěn)定、儲(chǔ)存運(yùn)輸方便、使用拌和簡(jiǎn)單、改性作用充分等優(yōu)勢(shì)。

表1 湖瀝青基SBS 改性劑顆粒主要成分及含量

圖1 湖瀝青基SBS 改性劑顆粒外觀狀態(tài)

3 湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑顆粒作用機(jī)理

瀝青混合料以“石料-瀝青”互相粘附實(shí)現(xiàn)其結(jié)合功能， 石料與瀝青之間的界面為其薄弱界面，瀝青材料本身粘結(jié)能力為其薄弱部位。 瀝青粘結(jié)能力與自身性能質(zhì)量問(wèn)題， 往往導(dǎo)致路面出現(xiàn)水損坑槽、早期松散以及塑性車(chē)轍病害，如圖2 所示。

圖2 瀝青路面細(xì)觀表層剝蝕與內(nèi)部剝落

湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑顆粒本身作為濃縮型“特殊改性瀝青”，直投快速融化后產(chǎn)生兩方面的作用：（1）所摻加的一定比例（≥25%）改性劑顆粒，融溶后在基質(zhì)瀝青混合料表面形成均勻高質(zhì)量的SBS 聚合物網(wǎng)絡(luò)和復(fù)合改性瀝青薄膜，增強(qiáng)混合料的抗剝落能力；（2）改性劑成分與基質(zhì)瀝青融合，完成“TLA+SBS”雙重改性，提高瀝青粘結(jié)料內(nèi)在性能，提高自身粘附能力和抗老化能力。

4 復(fù)合改性顆粒直投拌和工藝

復(fù)合改性劑顆粒使用時(shí)，通過(guò)人工或機(jī)械方式直投進(jìn)入拌合鍋，等量取代基質(zhì)瀝青材料，基本不增加總拌合時(shí)間。 拌合樓步驟程序如下：（1）將按設(shè)計(jì)溫度加熱的集料按比例投入拌合鍋，無(wú)需提高礦料溫度；（2）噴入等量取代后的基質(zhì)瀝青，進(jìn)行拌合；（3）同時(shí)或延時(shí)（3～5 s）投入復(fù)合改性劑顆粒，總拌合時(shí)間約40～45 s；（4）投入設(shè)計(jì)比例的礦粉，按常規(guī)瀝青混合料工藝?yán)^續(xù)拌合；（5）出料，瀝青混合料溫度宜為165 ℃～175 ℃。

5 TLA+SBS 復(fù)合改性劑顆粒性能效果

為驗(yàn)證復(fù)合改性劑顆粒對(duì)瀝青混合料的性能改善情況， 本文基于AC-13C 瀝青混合料類(lèi)型，采用25%和30%兩種摻量對(duì)比空白樣，進(jìn)行了相關(guān)路用性能的對(duì)比驗(yàn)證和試驗(yàn)檢測(cè)。

5.1 石料粘附性

選取常用的瀝青路面面層石料和花崗巖石料進(jìn)行粘附性對(duì)比驗(yàn)證，因?yàn)橹蓖陡男灶w粒不便于按照常規(guī)制樣方法進(jìn)行制樣，故采用室內(nèi)熱拌（30%改性劑顆粒替代摻配）和模擬方法進(jìn)行石料瀝青膜裹附后，按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行水煮法粘附性檢測(cè)。 對(duì)比數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 不同石料粘附性試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)比驗(yàn)證表明，在不摻加抗剝落劑并模擬直投改性工藝情況下，除了花崗巖集料的粘附性略差為4 級(jí)外，其他玄武巖、輝綠巖、砂巖和凝灰?guī)r四種集料的粘附性均為最高5 級(jí)，滿足高等級(jí)瀝青路面面層粘附性能要求。

5.2 軟化點(diǎn)、針入度和延度

以25%和30%替代摻配比例添加到70 號(hào)基質(zhì)瀝青中，經(jīng)15 min 高速剪切配置復(fù)合改性瀝青粘結(jié)料，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度和延度三大指標(biāo)檢測(cè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑室內(nèi)改性瀝青試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：復(fù)合改性后的瀝青材料軟化點(diǎn)明顯提高（分別達(dá)到25%和35%），針入度隨摻加比例提高而降低；但延度指標(biāo)因受到湖瀝青特有的灰分物質(zhì)影響，指標(biāo)情況更接近TLA 改性瀝青特點(diǎn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合改性劑中的湖瀝青成分對(duì)改性后的瀝青產(chǎn)生了主要影響，改性后的瀝青材料雖然在一定程度上兼具SBS 改性瀝青的特征，但不宜以SBS 改性瀝青指標(biāo)體系對(duì)其進(jìn)行性能質(zhì)量判斷，應(yīng)參照TLA 改性瀝青指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并著重復(fù)合改性瀝青混合料路用性能的實(shí)現(xiàn)[2]。

5.3 路用性能

為驗(yàn)證直投湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑的改性效果， 本文選擇AC-13C 瀝青混合料級(jí)配類(lèi)型，對(duì)比70 號(hào)基質(zhì)瀝青混合料， 按照25%和30%兩種替代摻配比例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室直投拌和拌制瀝青混合料進(jìn)行了路用性能驗(yàn)證，級(jí)配情況及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表4、5 所示：

表4 試驗(yàn)用AC-13C 瀝青混合料級(jí)配

表5 直投復(fù)合改性瀝青混合料路用性能驗(yàn)證結(jié)果

路用性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示： 較非改性的70 號(hào)基質(zhì)瀝青混合料， 在25%和30%兩種取代摻配用量時(shí)，改性后的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別提高87%和101%，浸水殘留穩(wěn)定度分別提高2.2%和10.7%，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比分別提高7.5%和12.5%，低溫性能分別提高11%和12%，各指標(biāo)數(shù)據(jù)均符合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)改性瀝青混合料的技術(shù)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

湖瀝青作為優(yōu)質(zhì)的瀝青改性劑，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)混融改性受到工藝能耗、 場(chǎng)地占用和額外工序的限制，無(wú)法在小規(guī)模項(xiàng)目和無(wú)法增加額外設(shè)備的項(xiàng)目中推廣應(yīng)用；將其與SBS 聚合物共同制成直投復(fù)合改性劑顆粒，基于TLA 改性與SBS 改性的不同機(jī)理，充分發(fā)揮兩種單一改性的疊加改善作用，復(fù)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的性能提高效果[4]。根據(jù)本文路用性能指標(biāo)驗(yàn)證情況，不同摻比情況下的工程應(yīng)用推薦范圍如表6 所示。

表6 直投湖瀝青基SBS 復(fù)合改性應(yīng)用范圍

濕法SBS 改性瀝青混合料在使用過(guò)程中存在運(yùn)輸儲(chǔ)存要求高、易離析等問(wèn)題[3]。湖瀝青基SBS 復(fù)合改性劑顆粒的扁球體形狀具有較大的比表面積，直投操作十分方便，并能在瀝青混合料拌和過(guò)程中快速吸收高溫石料的熱量，不增加拌和時(shí)間，徹底快速分散，可充分發(fā)揮湖瀝青改性和聚合物改性的雙效疊加作用，全面提高瀝青路面的抗車(chē)轍、抗水損、抗開(kāi)裂和抗老化性能，提升路面使用質(zhì)量，延長(zhǎng)路面使用壽命。