基于高温性能的橡胶沥青材料复合改性试验研究

肖 川

（四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系，四川 德阳 618000）

基于高温性能的橡胶沥青材料复合改性试验研究

肖 川

（四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系，四川 德阳 618000）

为提高橡胶沥青及其混合料的高温稳定性，通过外加剂对橡胶沥青进行复合改性研究，开展不同类型沥青及其混合料的对比试验。研究结果表明：采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SBS或温拌添加剂SAK对橡胶沥青进行复合改性能够提高胶结料的高温性能；尤其是SBS复合改性橡胶沥青，其180 ℃旋转黏度、针入度、软化点、弹性恢复指标与纯橡胶沥青相比均得到显著改善；沥青混合料的动稳定度表现为：SBS复合改性橡胶沥青混合料＞SBS改性沥青混合料＞SAK复合改性橡胶沥青混合料＞纯橡胶沥青混合料；经验证SBS复合改性橡胶沥青混合料具备稳定的综合路用性能。

道路工程；橡胶沥青；高温性能；复合改性

废旧橡胶粉在公路建设项目中的应用，是实现废旧轮胎回收处理的重要途径之一［1］。从国内外各项工程的应用情况来看，橡胶沥青材料具备优异的抗疲劳性能，有助于缓解半刚性路面常见的反射裂缝，并在减薄路面总体厚度、降低工程造价及减少路面噪音等方面体现出较为显著的优势［2］。但不可否认的是，作为液-固两相材料，橡胶沥青路用性能在使用过程中的变异性较大，橡胶沥青路面在高温稳定性方面的缺陷也逐步显现。目前，在我国尚未形成橡胶沥青应用技术的统一体系，不同地区应用过程中在橡胶沥青的胶粉类型、掺量和生产工艺，混合料的矿料级配以及沥青用量等方面均存在较大差异，这也导致橡胶沥青混合料难以具备较为稳定的高温性能［3-4］。同时，一味地照搬或套用国外的橡胶沥青技术应用经验［5］，难以与我国特有的路面使用条件相适应，使得橡胶沥青路面在我国高温、重载地区的应用过程中无法满足高温稳定性要求。为有效弥补橡胶沥青混合料在高温稳定性能方面的不足，本文结合工程实际，在常规胶粉改性沥青的基础上，分别选用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SBS和温拌添加剂SAK对橡胶沥青材料实施进一步复合改性，即利用橡胶粉与外加改性剂的不同改性效果，对母体沥青进行复合作用，充分发挥各自的优势，使各改性剂之间相互促进和补充，同时改善母体沥青的各方面性能。

本文研究过程中，以复合改性前后不同类型的沥青结合料及其混合料为研究对象，通过室内对比试验评价橡胶沥青材料的复合改性效果，分析通过掺加外加剂进行橡胶沥青复合改性的可行性，以期为橡胶沥青高温性能的进一步提高提供技术参考。

1 试验原材料性质

1.1 橡胶沥青材料

考虑依托工程的道路等级、原材料性质、施工难易程度等因素，结合橡胶沥青室内对比试验［6-7］，拟定橡胶沥青的制备方案为：母体沥青采用SK70#基质沥青，通过掺量为20%的橡胶粉（细度为30目）实施改性。橡胶沥青材料的主要检测指标如表1所示。

表1 橡胶沥青主要检测指标

1.2 集料与填料

本研究依托工程采用的粗集料为玄武岩碎石，分为10～15 mm和5～10 mm两档；细集料采用0～5 mm石灰岩石屑；填料采用水泥和石灰岩矿粉两类材料。粗、细集料及填料的主要检测指标分别如表2～表4所示。

表2 集料主要检测指标

表3 填料主要检测指标

表4 32.5R普通硅酸盐水泥检测指标

2 复合改性沥青的制备

本文采用牌号道改2号的星型SBS改性剂，系白色多孔粒状结构，由中国石化巴陵石油化工有限责任公司生产。采用由上海诚鸿道路新材料有限公司提供的国产赛克系列温拌添加剂SAK改性剂。综合考虑SBS与SAK两种改性剂的材料特性以及生产成本等因素，并保证较好的相容性及改性效果，通过前期试验确定两种复合改性橡胶沥青的制备分别选择不同的方法来进行［8-9］。

SBS复合改性橡胶沥青（简称S型改性沥青）的制备方法如下：(1)将母体基质沥青加热至180 ℃，加入掺量为2%（内掺）的SBS并人工均匀搅拌；(2)将乳化剪切仪的转速设置为3 500 rpm，在180 ℃恒温条件下对加入SBS的改性沥青均匀剪切30 min，而后采用人工搅拌的方式使其在150 ℃状态下持续溶胀、发育30 min；(3)将已完成溶胀发育的SBS改性沥青进一步加热至190～200 ℃以上5～10 ℃，随后将经过干燥的胶粉加入到SBS改性沥青中并予以均匀搅拌，最后将乳化剪切仪的转速设置为3 000 rpm，对复合改性橡胶沥青剪切、发育45～60 min。

SAK复合改性橡胶沥青（简称K型改性沥青）的制备方法如下：(1)将母体基质沥青加热至150 ℃，加入掺量为2.5%（内掺）的SAK并进行人工均匀搅拌，使其充分溶解并均匀分布于沥青中；(2)将沥青加热至190～200 ℃以上5～10 ℃，将经过干燥的橡胶粉加入到SAK改性沥青中并予以均匀搅拌，最后将乳化剪切仪的转速设置为3 000 rpm实施剪切、发育45～60 min。

3 试验过程与结果分析

3.1 橡胶沥青材料复合改性试验

本研究以纯橡胶沥青、SBS改性沥青、SBS复合改性沥青（S型改性沥青）与SAK复合改性沥青（K型改性沥青）作为研究对象，并选取180 ℃旋转黏度、25 ℃针入度、软化点、弹性恢复作为评价指标，开展对比试验研究，分析复合改性剂加入后橡胶沥青胶结料的性能变化，试验结果如图1所示。

图1 不同沥青试验结果对比关系

通过各沥青对比试验结果可以看出：

（1）根据本次研究所选取试验评价指标的大小关系可以看出，纯橡胶沥青、SBS复合改性橡胶沥青以及SAK复合改性橡胶沥青的180 ℃旋转黏度、软化点和弹性恢复指标更高，针入度指标更低，即三种不同橡胶沥青高温性能指标均优于SBS改性沥青。就沥青结合料的性能指标而言，在分别添加了SBS和SAK后，两种经外加剂复合改性的橡胶沥青各检测指标，除SAK复合改性橡胶沥青的180 ℃旋转黏度指标低于热区橡胶沥青材料要求的2.5～5.0 Pa的范围［3］，SBS复合改性沥青与SAK复合改性沥青在其它评价指标方面均体现出良好的性能。说明通过外加剂对橡胶沥青进行复合改性，有助于提高沥青胶结料的高温性能。

（2）经过SBS改性剂的复合改性以后，S型改性沥青的各项高温性能评价指标与纯橡胶沥青相比均得到显著改善，其中180 ℃黏度提高10.7%，针入度降低4.6%，软化点提高17.6%，弹性恢复指标提高3.8%，在沥青结合料高温性能方面体现出优异的性能。而SAK复合改性沥青高温黏度指标的明显降低，有助于提高橡胶沥青混合料的施工和易性与压实性能，为混合料压实成型效果的改善以及高温稳定性的提高创造了条件。

3.2 橡胶沥青混合料复合改性试验

3.2.1 评价指标

鉴于车辙试验具有方法简单，结果直观和可操作性强等特点，本文在开展基于高温性能的橡胶沥青混合料复合改性效果对比试验时选择采用室内车辙试验为研究方法，同时将动稳定度和相对变形作为双重的控制指标［3］，以强化对混合料高温性能的控制。

动稳定度是基于车辙试验定量评价沥青混合料抗车辙能力的路用性能指标。在我国现行规范中，动稳定度是通过45～60 min这个时间段内沥青混合料变形曲线的斜率计算得到的，即从车辙试验记录仪自动记录的变形曲线上读取45 min（t1）及60 min（t2）的车辙变形d1及d2，准确至0.001 mm，通过公式（1）进行计算。

式中：DS为沥青混合料试件的动稳定度指标；t1、t2为试验时间，我国规范中分别为45 min和60 min；d1、d2为与试验时间t1和t2相对应的试件表面变形量；42为车辙试验过程中每分钟的车轮行走次数；c1、c2为试验设备或试样的修正系数。

相对变形指标的计算方法为：车辙试验结束后，试件的最终变形深度与试件高度的比值。试件的最终变形深度为试验60 min时的变形深度与1 min变形深度的差［3］。

3.2.2 高温性能评价

车辙试验选取无纤维的SBS-SMA-13混合料、纯橡胶沥青混合料AR-SMA-13、S型复合改性沥青混合料SBS-AR-SMA-13以及K型复合改性沥青混合料SAK-AR-SMA-13 4种不同类型的沥青混合料，并采用不同填料种类进行研究。不同沥青混合料的高温性能指标对比关系如图2所示。

通过对比试验可以看出：

（1）与纯橡胶沥青混合料AR-SMA-13相比，S型复合改性沥青混合料SBS-AR-SMA-13的动稳定度得到明显改善，当混合料采用不同填料时，其动稳定度指标分别提高了66.3%（以水泥为填料）和79.2%（以石灰岩矿粉为填料）；K型复合改性沥青混合料SAK-AR-SMA-13的动稳定度分别提高了15.5%（水泥）和23.9%（石灰岩矿粉）。相应地，经过复合改性的S型与K型改性混合料的相对变形指标也得到不同程度的提升，实现了高温性能的提高。

图2 不同沥青混合料的高温性能对比

（2）由前文试验结果可知，K型复合改性沥青的高温性能指标相比纯橡胶沥青有所降低，但其混合料的动稳定度却明显提高。其原因在于SAK改性剂利用化学方法降低了橡胶沥青的黏度，有助于提高沥青混合料的施工和易性，通过相同温度和碾压次数的碾压成型，混合料的压实更加充分，有利于形成更好的结构强度，因而增强了高温稳定性。

（3）SBS改性沥青的180 ℃旋转黏度比纯橡胶沥青低很多，但SBS改性沥青混合料SBS-SMA-13在动稳定度及相对变形指标上均呈现出很好的抗车辙能力。这表明，在针对不同种类及不同作用机理的沥青混合料进行高温性能评价时，不宜片面地以沥青胶结料自身的高温黏度指标来衡量混合料的高温稳定性，而应当综合多方面因素来对多种沥青混合料的高温稳定性水平进行评价。

（4）水泥填料作为一种高活性材料，具备更强的吸附力和稳定性，因此对橡胶沥青混合料高温性能的改善作用强于石灰岩矿粉。选择水泥作为橡胶沥青混合料的填料能够有效提高其高温稳定性。

对比结果表明，基于橡胶沥青材料开展复合改性，能够明显改善混合料的高温性能。通过SBS复合改性的橡胶沥青混合料具备最优的高温稳定性。

3.2.3 SBS复合改性混合料路用性能验证

《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004中关于沥青混合料低温抗裂性能的评价，统一采用-10 ℃、加载速率50 mm/min的条件下对长250 mm、宽30 mm、高35 mm的小梁试件进行弯曲试验，测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量，试验结果如表5所示。

表5 低温弯曲试验结果

通过低温弯曲试验检测，SBS复合改性沥青混合料低温弯曲试验的破坏应变大于2 500 με，具备良好的低温抗裂性能。

结合冻融劈裂试验对SBS复合改性沥青混合料水稳定性进行评价，其结果如表6所示。

表6 冻融劈裂试验结果

试验结果表明：SBS复合改性橡胶沥青混合料水稳定性满足规范规定关于改性沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比应大于80%的要求，具备优异的水稳定性。

4 结论

通过试验研究与分析，可得出以下结论：

（1）从本文选取的评价指标来看，3种不同橡胶沥青的高温性能均高于SBS改性沥青。S型复合改性沥青与纯橡胶沥青相比，其180 ℃旋转黏度提高10.7%，针入度降低4.6%，软化点提高17.6%，弹性恢复指标提高3.8%，表现出优异的高温性能指标。而降黏剂SAK的复合改性作用降低了橡胶沥青的高温黏度指标，并保证橡胶沥青的25 ℃针入度、软化点、弹性恢复指标均得到改善，有助于减少能源消耗，并为混合料压实成型效果的改善及结构强度的提高创造条件。

（2）4种混合料高温性能的对比关系是：SBSAR-SMA-13＞SBS-SMA-13＞SAK-AR-SMA-13＞AR-SMA-13。经过SBS复合改性后的橡胶沥青混合料SBS-AR-SMA-13在高温性能的评价过程中，体现出明显的优势，并具备稳定的综合路用性能。而K型复合改性橡胶沥青的高温黏度显著降低，其混合料的动稳定度与相对变形指标均优于纯橡胶沥青混合料。

（3）高温黏度指标是橡胶沥青应用过程中性能评价的核心指标，通常以高黏度的橡胶沥青来保证橡胶沥青路面的路用性能。但在橡胶沥青混合料的拌和、摊铺、碾压过程中，引入外加剂SAK降低橡胶沥青的高温黏度，与橡胶沥青的高黏度指标要求相悖。但SAK的复合改性可以提高混合料的施工和易性及压实效果，并提高高温稳定性指标。因此，如何优化橡胶沥青指标评价体系，提高橡胶沥青性能评价的合理性，是后续研究的重要方向。

［1］吕伟民.橡胶沥青路面技术［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］孙祖望，陈飙.橡胶沥青技术应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］交通部公路科学研究院.橡胶沥青及混合料设计施工技术指南［M］.北京：人民交通出版社. 2008.

［4］王旭东，李美江，路凯冀，等.橡胶沥青及混凝土应用成套技术［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］Arizona Department of Transportation. Standard Specifications for Road & Bridge Construction［S］. Phoenix：［s. n.］，2000.

［6］肖川.橡胶沥青及混合料高温性能与施工工艺研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

［7］JTG E20—2011公路工程沥青与沥青混合料试验规程 ［S］.［8］ 王涛，才洪美，张玉贞. SBS改性沥青机理研究［J］.石油沥青，2008，6（22）：10-14.

［9］高晓飞，刘黎萍，刘海峰，等. SAK温拌沥青混合料性能评价［J］.公路工程，2009，34（6）：51-54.

Experimental Study on Compound Modified Technology of Asphalt Rubber Based on High-temperature Performance

Xiao Chuan
（Department of Transportation and Municipal Engineering, Sichuan College of Architecture Technology, Deyang 618000, China）

In order to improve the high-temperature performance of the asphalt rubber and its mixture, this paper studied compound modified technology with the modifiers added to asphalt rubber was made, and made comparison test among different types of asphalt and its mixture. The results showed that asphalt rubber could get better high-temperature performance with compound modification of styrene-butadiene-styrene polymer (SBS) or viscosity-reducing additive SAK. Especially, compared with pure asphalt rubber, 180 ℃ rotation viscosity, penetration, softening point, elastic recovery index of SBS compound modified asphalt rubber were improved obviously. In addition, the dynamic stabilities of different mixtures showed that SBS compound modified asphalt rubber mixture＞SBS modified asphalt mixture＞SAK compound modified asphalt rubber mixture＞pure asphalt rubber mixture. It was verified that SBS compound modified asphalt rubber mixture had stable comprehensive road performance.

road engineering; asphalt rubber; high-temperature performance; compound modification

U414

A

1672-9889（2016）06-0005-05

2016-02-26）

四川省教育厅科研项目（项目编号：16ZB0513）

肖川（1984-），男，湖南湘潭人，讲师、博士，研究方向为沥青路面材料设计。