CR/SBSCMA复合改性沥青性能研究

2019-03-28杜西西牛振方

北方交通 2019年3期

杜西西，牛振方

(河南省交通科学技术研究院有限公司郑州市 450006)

季冻地区特殊的气候条件和不断增加的汽车荷载对沥青路面使用性能提出更高的要求，尤其是对低温抗裂和高温抗车辙要求更高。目前橡胶粉单一改性沥青存在易离析、高温黏度大以及施工质量难以控制等问题，与之相比废橡胶粉与 SBS 复合改性沥青(CR/SBSCMA)改善了上述问题而且混合料具有良好的路用性能，是一项兼具经济效益和社会效益的改性技术，但现场加工面临着性能变异、成本投入高及储存稳定性差等问题。在这种背景下，围绕季冻地区工厂化 CR/SBSCMA 生产、CR/SBSCMA 常规性能以及流变特性等方面开展系统的研究。

1 CR/SBSCMA复合改性沥青原材料的优选

CR/SBSCMA的性能是沥青性能与橡胶粉和SBS两种改性剂性能的综合体现，当橡胶粉、SBS改性剂与基质沥青之间掺配比例合理时，CR/SBSCMA将会具有良好的高温稳定性和低温抗裂性。试验中选择低温性能较好的辽河90#基质沥青，SBS改性剂采用中国石化集团生产的YH-791型SBS改性剂，橡胶粉采用山东某厂商生产的废旧轮胎胶粉。在已有研究的基础上采用40目的橡胶粉，反应温度确定为180℃，发育时间确定为70min，并根据实际情况在复合改性沥青中加入稳定剂和助剂，研究CR/SBSCMA复合改性沥青的相关特性。

2 CR/SBSCMA复合改性沥青基本性能研究

根据目前国内外对加入橡胶粉的复合改性沥青的研究现状，选择软化点、25℃针入度、5℃延度、175℃黏度、25℃弹性恢复、48h离析等6大常规指标以及美国SHRP路用性能PG分级指标两种评价方法来确定CR/SBSCMA复合改性沥青的性能。

采用40目的橡胶粉，橡胶粉的掺量分别为11%、14%、17%、20%、23%、26%，SBS的掺量分别为1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，配置CR/SBSCMA复合改性沥青，研究其6大常规指标性能，其结果如下图所示。

图1 SBS改性沥青常规指标

图2 SBS改性沥青黏度

由图1中的变化趋势可以看出：SBS改性沥青软化点、针入度、延度、弹性恢复等指标随着SBS改性剂掺量的增加而呈增长趋势。其中5℃延度、弹性恢复、软化点等指标增长明显，这说明在CR/SBSCMA复合改性沥青中SBS改性剂对沥青的延度、弹性恢复、软化点等指标改善明显。

由图2可以看出：随着SBS改性剂掺量的增加，改性沥青的黏度明显增大，这一方面由于SBS的空间网状结构，在沥青中起到加筋作用增强了沥青抗剪切变形的能力，另一方面由于SBS改性剂在沥青中吸收基质沥青的轻质组分发生溶胀反应，从而使沥青变得更加黏稠。

图3 橡胶粉改性沥青常规指标

图4 橡胶粉改性沥青粘度、稳定性指标

由图3中各指标的变化趋势可以知道，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的弹性恢复能力逐渐增强，但随着橡胶粉掺量的增加，改性沥青延度的变化没有规律性，这是由于橡胶粉颗粒的加入，使沥青试样在拉伸过程中出现应力集中的现象，从而表现出延展性无规律性，但并不能说明沥青的低温延展性就变差。

由图4中橡胶粉改性沥青的黏度以及48h稳定性指标的变化规律可以看出，随着橡胶粉掺量的增加，改性沥青的黏度迅速增加，其改善效果远大于SBS改性剂的作用效果。随着橡胶粉掺量的增加，其48h稳定性逐渐变好，这是由于橡胶粉掺量增大后沥青变得更加黏稠，橡胶粉颗粒在基质沥青中的分散状况趋于稳定。

图5 CR/SBSCMA软化点指标

图6 CR/SBSCMA 针入度指标

由图5可以看出在CR/SBSCMA复合改性沥青中随着橡胶粉和SBS改性剂掺量的增加，复合改性沥青的软化点在不断升高，说明橡胶粉和SBS的加入明显改善了沥青的高温稳定性，且橡胶粉和SBS改性剂的效果是叠加的。从曲线的变化趋势可以看出，SBS对沥青高温稳定性的改善效果要优于橡胶粉。

在图6中CR/SBSCMA复合改性沥青的针入度随着橡胶粉和SBS改性剂掺量的增加，呈现出不规律的变化趋势，这可能是由于橡胶粉和SBS的加入使沥青的物理性质发生了变化，故采用传统的针入度方法测试复合改性沥青的针入度已经不适用，由此对于掺加橡胶粉的改性沥青推荐采用锥入度的方法测试沥青的针入度。

图7 CR/SBSCMA 5℃延度指标

图8 CR/SBSCMA 175℃黏度指标

在图7中CR/SBSCMA复合改性沥青的5℃延度，整体上随着橡胶粉和SBS改性剂掺量的增加呈现增大的趋势，在局部地区出现不规律的变化趋势，这可能是由于橡胶粉的加入使得沥青在拉伸过程中出现应力集中的情况导致对试验数据产生影响。

由图8CR/SBSCMA的175℃黏度可以看出，橡胶粉和SBS改性剂的加入，大大增加了沥青的黏度，从其变化规律可以看出，橡胶粉对黏度的改善效果要优于SBS改性剂。由此可以根据工程的需要适当调节橡胶粉的掺量，配制出复合工程实际的CR/SBSCMA复合改性沥青。

图9 CR/SBSCMA 25℃弹性恢复指标

图10 CR/SBSCMA 48h离析指标

由图9中CR/SBSCMA复合改性沥青的25℃弹性恢复指标可以看出，随着橡胶粉和SBS改性剂掺量的增加，复合改性沥青的弹性恢复性能不断得到改善，在局部点出现变化规律异常的情况，但其整体变化规律比延度指标的变化规律明显，由此可知弹性恢复指标比延度更适合评价CR/SBSCMA复合改性沥青延展性。

由图10可知CR/SBSCMA复合改性沥青的48h离析性能指标变化较大，没有明显的规律性，采用保温48h后分段测复合改性沥青软化点的方法来评价还需要改进。

3 PG分级方法及结果

本节采用美国SHPR沥青路用性能规范中PG分级方法对上述6种胶粉掺配比例和4种SBS掺配比例的胶粉SBS复合改性沥青进行性能等级划分。

PG分级采用的主要仪器有动态剪切流变仪DSR、低温弯曲梁流变仪 BBR、旋转薄膜烘箱(RTFOT)、压力老化箱(PAV)。

(1)DSR试验研究

采用DSR动态剪切流变仪测试CR/SBSCMA复合改性沥青的原样沥青、RTFOT老化后的沥青试样、RTFOT和PAV老化后沥青试样的复数剪切模量和相位角，从而计算出复合改性沥青的高温车辙因子，根据PG 分级的条件要求：原样沥青G*/sinδ≥1.0kPa；RTFOT 之后的沥青残留物G*/sinδ≥2.2kPa。当沥青能够同时满足以上两个条件的最高温度，确定为沥青的高温等级。

(2)BBR试验研究

BBR试验主要用于评价复合改性沥青的低温流变特性。通过低温弯曲梁蠕变试验，测试RTFOT老化和PAV老化后的复合改性沥青试样的劲度模量和蠕变速率，根据PG分级的要求当劲度模量S<300MPa、蠕变速率m>0.3时沥青所能达到的最低温度，确定沥青的低温等级。根据上述要求和试验方法确定CR/SBSCMA复合改性沥青的PG分级结果如表1所示。

表1 CR/SBSCMA复合改性沥青PG分级结果

根据表1的PG分级数据可以看出，随着橡胶粉掺量的增加，结合料的高温等级逐渐提高，低温等级有所下降。当SBS掺量为 2.0%、胶粉掺量为20%时，PG等级可达PG82-28，比SBS改性沥青PG70-28高温高出2个等级，比基质沥青PG58-22高温高出4个等级，低温低1个等级。可见，CR/SBSCMA高温性能优于SBS改性沥青。

根据以上对CR/SBSCMA复合改性沥青常规指标的分析研究和PG分级的研究结果，可以知道，当橡胶粉掺量为20%、SBS改性剂掺量为2.0%时复合改性沥青的综合性能表现较好。同时根据季冻地区的气候特点以及上述对CRSBSCMA复合改性沥青性能的研究，在现有规范要求的基础上提出了CR/SBSCMA复合改性沥青在实际应用中的控制参数，如表2所示。

表2 CR/SBSCMA复合改性沥青控制标准

4 CR/SBSCMA复合改性沥青微观性能研究

4.1 扫描电子显微镜细观形态分析

根据上文中确定的掺配参数，采用40目的橡胶粉，20%的橡胶粉掺量和2%的SBS改性剂掺量制备CR/SBSCMA复合改性沥青，分别在扫描电子显微镜下对基质沥青、橡胶粉颗粒、橡胶粉改性沥青以及CR/SBSCMA复合改性沥青细观形态进行分析。如图11～图14所示。

图11 橡胶粉颗粒放大500倍照片

图12 基质沥青放大100倍照片

图13 橡胶沥青放大2000倍照片

由图11中橡胶粉颗粒在扫描电子显微镜放大500倍的照片可以看出橡胶粉表面呈现出不规则的粗糙断面，断面上出现较多的细小空隙，由此可以推断橡胶粉颗粒在基质沥青中可以吸收轻质组分，且其表面较大，有利于橡胶粉和基质沥青之间的溶胀反应。对比图12和图13可以看出，橡胶粉在基质沥青中被基质沥青裹覆，并吸收基质沥青中的轻质组分，发生溶胀反应，使基质沥青的表面出现突起等小颗粒，与基质沥青形成作用力较强的结合界面，使基质沥青的性能得到改善。

由图14中的扫描图像可知：橡胶粉吸收沥青中的轻质组分后溶胀更为充分，表现出表面凸起更为均匀致密。而由于CR/SBSCMA 加工过程中稳定剂的加入，引发了SBS 自身间发生交联反应和SBS、橡胶粉颗粒与基质沥青间的接枝反应，C-S-C 键起到搭桥作用，使橡胶分子间产生交联，形成三维网状结构，硫化大分子网络与硫化胶粉的三维网状结构同时对沥青的流动、滑动变形等起约束作用，从而使CR/SBSCMA 改性沥青的性能和热稳定性均有所提高，改性效果更好。

4.2 DSC差热分析研究复合改性沥青的温度稳定性

(DSC)可以通过测定沥青在温度发生变化过程中的热效应分析沥青的温度稳定性。在DSC谱图中，吸收峰的位置和吸热量的多少可以表征沥青中组分发生聚集态的微观变化程度。吸热峰的面积越大，说明沥青在该温度区间发生变化的组分比较多，对沥青的特性产生的影响越大，即热稳定性越差。反之，吸热峰面积很小或很少出现，反映为 DSC 曲线较为平坦，说明沥青体系较为稳定。

采用DSC差热分析试验对已经制备好的CR/SBSCMA复合改性沥青、橡胶粉改性沥青、基质沥青等的温度稳定性进行分析。其试验结果如图15和表3所示。