吳隆高速公路橡膠復(fù)合改性瀝青高溫儲存性能研究

王 勇，顏建春，袁海濤

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

傳統(tǒng)橡膠瀝青由于性能指標偏低難以滿足實際生產(chǎn)需要，借助SBS改性劑復(fù)配橡膠改性瀝青的改性方式受到了越來越多的關(guān)注。王朝軍等[1]研究了不同類型的SBS改性劑與膠粉復(fù)配后的復(fù)合改性瀝青的常規(guī)指標和流變學(xué)指標，采用重復(fù)蠕變試驗評價了幾種復(fù)合改性瀝青初始的高溫性能；曹支才等[2]以黏度和軟化點指標作為復(fù)合改性橡膠瀝青的高溫評價指標，并據(jù)此得到了最佳的復(fù)配工藝技術(shù)；何志俊[3]研究了膠粉目數(shù)摻量及SBS改性劑摻量對復(fù)合改性瀝青高溫性能的影響，并確定了最佳的改性劑摻量；賈曉凡[4]從兩種改性材料自身特點出發(fā)，利用常規(guī)指標及流變學(xué)指標確定了SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的制備工藝參數(shù)，并對其內(nèi)在機理進行了分析；陳世京[5]重點分析了傳統(tǒng)橡膠瀝青微觀改性機理，并基于流變學(xué)原理采用重復(fù)蠕變試驗著重研究了橡膠瀝青在高溫下抵抗變形的能力；劉貞鵬等[6]通過對多個不同配方的橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能指標的測試，研究了橡膠粉目數(shù)、摻量及SBS摻量對復(fù)合改性瀝青高溫性能的影響規(guī)律，最終優(yōu)選出高溫性能優(yōu)良、技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢明顯的復(fù)合改性瀝青配方。目前的研究主要集中于室內(nèi)配方及初始高溫性能指標評價方面，對于現(xiàn)場大規(guī)模加工的復(fù)合改性瀝青及高溫儲存條件下性能變化等方面的研究還不夠深入。

本文依托吳隆高速公路橡膠復(fù)合改性瀝青現(xiàn)場加工項目，改變其高溫儲存時間，結(jié)合常規(guī)指標和流變學(xué)指標的變化情況，綜合分析橡膠復(fù)合改性瀝青的性能特征，為橡膠復(fù)合改性瀝青的合理使用提供借鑒。

1 試驗準備

1.1 主要原材料

(1)基質(zhì)瀝青：殼牌70#A級道路石油瀝青，主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標表

(2)SBS改性劑：獨山子石化分公司，線性結(jié)構(gòu)SBS改性劑(T6302H)。

(3)膠粉：采用廣西交科新材料科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的30～80目道路通用膠粉。

1.2 加工設(shè)備及工藝

采用配備了快速升溫系統(tǒng)、動態(tài)精準稱量系統(tǒng)及多級剪切系統(tǒng)的新一代高性能橡膠改性瀝青加工設(shè)備，按標準化生產(chǎn)加工工藝流程進行高性能橡膠瀝青的生產(chǎn)，具體加工工藝為：(1)基質(zhì)瀝青上料，經(jīng)過換熱器泵至生產(chǎn)罐，加熱至180 ℃；(2)添加膠粉和SBS，持續(xù)攪拌發(fā)育，升溫、恒溫至180 ℃以上，≥20 min；(3)添加促進劑、交聯(lián)劑，持續(xù)攪拌發(fā)育，經(jīng)過高速剪切機第一次剪切發(fā)育10 min；(4)持續(xù)攪拌發(fā)育10 min，添加穩(wěn)定劑，經(jīng)過高速剪切機第二次剪切，取樣檢測合格后，經(jīng)高速剪切機二剪泵出至瀝青成品罐或發(fā)車。

2 常規(guī)試驗結(jié)果分析

將現(xiàn)場加工的復(fù)合改性橡膠瀝青在170 ℃下分別儲存0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、7 d，并進行短期老化試驗，分別測試180 ℃布氏黏度、軟化點、延度、針入度和彈性恢復(fù)率等指標，具體結(jié)果如圖1～4所示。

圖1 不同儲存條件下180 ℃布氏黏度和軟化點變化趨勢曲線圖

圖2 不同儲存條件下延度變化趨勢曲線圖

圖3 不同儲存條件下針入度變化趨勢曲線圖

根據(jù)圖1的變化規(guī)律，隨著儲存時間延長，180 ℃布氏黏度先增大后減小，在第2天黏度達到峰值，軟化點也有類似的規(guī)律，可見橡膠改性瀝青中黏度和軟化點具有一定的相關(guān)性，整體而言180 ℃布氏黏度指標均在規(guī)范范圍內(nèi)，滿足施工和易性要求，而軟化點均在72 ℃以上，遠高于廣西地區(qū)標準中大于65 ℃的要求。由圖2可知，兩種拉伸速率下，不同儲存類型的橡膠改性瀝青延度變化規(guī)律基本一致，均隨儲存發(fā)育時間的延長逐漸增大而后略微減小，都大于5 cm的地區(qū)標準要求。根據(jù)圖3，隨儲存發(fā)育時間的延長，針入度基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，其原因在于高溫儲存后膠粉部分溶解，大顆粒變小顆粒，原來的大顆粒堅硬骨架結(jié)構(gòu)向小顆粒瀝青基柔軟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，瀝青整體變軟。由圖4可知，該種橡膠復(fù)合改性瀝青的彈性恢復(fù)率基本不隨儲存時間而變化，說明其橡膠改性瀝青在高溫儲存后雖然膠粉顆粒變小，但得益于SBS改性劑與微細膠粉組成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可恢復(fù)變形能力，彈性恢復(fù)率較穩(wěn)定，且遠大于75%的地區(qū)標準要求；短期老化試驗表明，老化后橡膠改性瀝青的黏度和軟化點增大，延度和針入度減小，均在規(guī)范范圍內(nèi)，彈性恢復(fù)率基本不變，側(cè)面說明吳隆高速公路現(xiàn)場加工的橡膠復(fù)合改性瀝青具有較好的高溫儲存穩(wěn)定性及抗老化性能。

3 流變學(xué)試驗分析

對吳隆高速公路現(xiàn)場加工的橡膠復(fù)合改性瀝青進行動態(tài)剪切流變試驗，分別測定各類瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，并計算得到車轍因子，以綜合評價瀝青的高溫性能及高溫儲存穩(wěn)定性能。

(1)復(fù)數(shù)剪切模量

復(fù)數(shù)剪切模量越大意味著高溫下抗變形能力越好。根據(jù)試驗結(jié)果，幾種橡膠改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量均隨測試溫度的升高而降低；幾種經(jīng)歷不同高溫儲存的橡膠改性瀝青的復(fù)數(shù)彈性模量均隨儲存時間的增加而降低，但降幅很小，且模量值遠大于SBS改性瀝青的，說明該類橡膠改性瀝青在高溫儲存條件下性能仍較穩(wěn)定，且高溫性能較佳。見圖5。

圖5 復(fù)數(shù)剪切模量隨測試溫度的變化規(guī)律曲線圖

圖6 相位角隨測試溫度的變化規(guī)律曲線圖

(2)相位角

在高溫條件下，相位角越小，表明該材料彈性成分所占比例較大，即具有較好的抵抗高溫變形的能力。根據(jù)試驗結(jié)果，各類橡膠改性瀝青的相位角隨試驗溫度的升高而逐漸升高；剛加工好的原樣橡膠改性瀝青的相位角隨溫度增加幅度最大，但儲存1 d后，相位角迅速減小，說明高溫儲存后橡膠改性瀝青在一定程度上繼續(xù)發(fā)育，高溫穩(wěn)定性繼續(xù)增長；隨著儲存時間的增加，由于橡膠改性瀝青中部分膠粉顆粒溶解，彈性成分減少，相位角逐漸增加，高溫穩(wěn)定性略有下降；但不同儲存時間后的橡膠改性瀝青在不同溫度下的相位角大部分均小于SBS改性瀝青的，從側(cè)面反映出橡膠改性瀝青的高溫性能整體好于SBS改性瀝青。見圖6。

(3)車轍因子

根據(jù)試驗結(jié)果，隨著高溫儲存時間的增加，橡膠改性瀝青的車轍因子在相同測試溫度下略有下降，但差別不大，且均呈現(xiàn)出隨測試溫度升高而降低的趨勢；短期老化后的車轍因子最大，不同高溫儲存時間后的橡膠改性瀝青的車轍因子均遠大于SBS改性瀝青的；達到85 ℃后各種橡膠改性瀝青的車轍因子均>1.0 kPa，老化后>2.2 kPa，超過了美國流變指標中對車轍因子的技術(shù)要求，說明吳隆高速公路生產(chǎn)的橡膠復(fù)合改性瀝青具有較好的高溫性能及耐儲存性能。見圖7。

圖7 車轍因子隨測試溫度的變化規(guī)律曲線圖

4 結(jié)語

(1)常規(guī)試驗結(jié)果表明，吳隆高速公路現(xiàn)場加工的橡膠復(fù)合改性瀝青具有適宜的黏度和針入度、較高的軟化點、較大的延度和彈性恢復(fù)率，隨高溫儲存時間的增加其性能未出現(xiàn)明顯的衰減，短期老化后指標雖有波動但仍在規(guī)范范圍內(nèi)。

(2)通過動態(tài)剪切流變試驗測試，經(jīng)歷高溫儲存后的橡膠復(fù)合改性瀝青仍具有較大的復(fù)數(shù)剪切模量、較小的相位角以及較高的車轍因子，說明采用新一代高性能橡膠復(fù)合改性瀝青制備工藝技術(shù)得到的復(fù)合改性瀝青高溫儲存性能穩(wěn)定，能較好地應(yīng)用于項目生產(chǎn)。