SBS/胶粉复合改性沥青研究进展

2020-02-16谢红飞高阳江李永刚

江西建材 2020年8期

谢红飞，宋亮，高阳江，李永刚

1.新疆农业大学，新疆乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000

0 引言

进入二十一世纪以来，我国道路建设得到了快速的发展，截止2019年，我国各种公路里程超过了477.35万km，其中高速公路里程达到了13.65万km。随着我国“一带一路”的实施以及对公路的使用要求不断多元化，一般的道路石油沥青已经不能满足交通的发展，聚合物改性剂如SBS、SBR等越来受到人们的重视。经过多年实践表明，SBS具有良好的高低温性能，但由于SBS价格昂贵，进一步限制SBS的发展。

同时，随着我国私有车辆的不断增多，带来的一系列污染问题，其中经使用后的废旧汽车轮胎处置问题也越来越受到人们的重视。随着社会发展，磨碎后的废旧胶粉应用到道路建设逐渐成为处理胶粉的重要方式。但黏度大、相容性差、低温性能等问题制约了胶粉的应用。

针对两种改性剂的不足，本文从SBS/胶粉复合改性角度出发，通过对制备工艺、评价指标、新疆沥青的应用等研究现状进行总结分析，为下一步的研究提供理论基础。

1 复合改性沥青的制备工艺

常用的SBS改性沥青制备方法有直接投入法、高速剪切法等，橡胶沥青有干法和湿法两种。但对于复合改性还没有固定的制备工艺，目前常用的制备SBS/胶粉主要为高速剪切法。其中制备流程大致可分为：剪切、搅拌、发育。

制备工艺一直是学者重要的研究内容，一个良好的制备工艺对沥青改性有着重要作用。目前，对于制备工艺已经有了初步研究，大部分学者主要集中于温度和时间控制。研究表明，改性剂对沥青性能有着重要影响。侯铁军［1］为了对纳米蒙脱土（OMMTD）与SBS复合沥青的参数进行分析，以正交试验设计不同的试验组，通过对延度、针入度、软化点等指标分析，结果可知剪切温度对复合沥青的性能有着显著影响。

李宁利［2］以废轮胎胶粉改-废塑料作为沥青改性剂，剪切温度、剪切时间、剪切速率、反应温度作为变量，通过对常规指标在灰色关联度中评价中的权重，得出了发育时间和搅拌温度对改性沥青的的影响大于剪切速率和剪切时间。所以在对复合沥青改性时，试验应根据外掺剂和基质沥青的不同选择合适的工艺参数。

2 新疆沥青的应用

目前，在新疆自治区范围内修筑高等级公路大多会采用山东或者国外进口的70#或者90#沥青作为改性沥青的基质沥青，因为技术原因很少采用本区域内的克拉玛依沥青、塔化沥青等。这在无形中增加了改性沥青的成本，也造成许多的浪费。如何因地制宜利用新疆沥青是未来一大趋势。

2.1 克拉玛依沥青

克拉玛依沥青是新疆比较常用的一种沥青。由于克炼沥青，其密度小、胶质含量高、蜡含量低等问题，使克拉玛依沥青具有较好的低温性能、抗老化性能，但也存在难以改性的问题。彭煜［3］为了研究克拉玛依改性问题，以化学改性剂和物理改性剂两种方法改性，通过对改性前后的相对分子质量、元素组成等差异。结果表明化学稳定剂改性效果要优于物理改性剂。韩森［4］为了研究不同改性剂对克拉玛依沥青的影响，以不同的改性剂，如燕山4303、岳阳791、燕山国创1号等，通过对感温性能分析，发现燕山4301的改性效果最好。云庆庆［5］等为了提高对克拉玛依沥青的性能，从胶粉目数出发，通过对针入度、延度、软化点等指标的分析，当60目和80目的质量1：1，抽出油1%，克拉玛依改性沥青最佳。但对改性沥青的老化以后性能以及应用于混合料后的路用性能以后并没有进一步介绍。虽然云庆庆等人通过相关试验发现克拉玛依沥青改性后能够在一定地步提高沥青高低温性能，但随着研究深入，传统的针入度、延度、软化点等指标并不能真实反映沥青性能。为了更好表征沥青的性能，1987年，美国国会批准一项针对公路的SHRP计划。为此研发了一套全新的设备，其中包括旋转压实仪（SGC）、动力剪切流变仪（DSR）、弯曲梁流变仪（BBR）等。布海玲［6］为了研究克拉玛依沥青的老化性能，通过SHRP的BBR试验，该实验原理认为沥青材料的开裂与劲度模量S有关，而劲度随时间发生变化。通过试验可知，短期老化可明显降低克拉玛依沥青的性能。

在做沥青试验时，往往评价改性沥青的优劣，最终是看沥青混合料的路用性能。仝佳［7］为了验证聚合磷酸改性沥青的路用性能，以克拉玛依70基质沥青，通过马歇尔试验、冻融劈裂试验等研究结果表明，当聚合磷酸为1.25%时，性能最佳。

2.2 塔化沥青

塔化沥青又称塔河沥青、库车沥青。主要产于新疆南部塔里木盆地塔河油田的重质稠油沥青。与国产或者进口沥青相比，塔化沥青单位密度大、蜡含量高、沥青质大等特点。由于蜡含量较高，故一直应用于低等级公路。

与克拉玛依沥青相比，塔河沥青研究相对较少，但也取得了一定的成果。柴智［8］对克拉玛依沥青、科氏沥青、技改沥青的老化性能分析，研究表明塔化沥青老化后针入度性能变化明显，受老化性能影响较大。然而，在实际生活之中，沥青的性能并不能直接真实的反映材料的好坏，为了进一步验证塔化沥青的路用性能，李敏［9］从沥青性能、配合比设计、路用性能角度出发，将塔化沥青与新疆常用的克拉玛依沥青进行对比通过四组分分析可知，塔化沥青中的沥青质和芳香烃都含量都高于克拉玛依沥青，但饱和烃和胶质略低，因此具有良好的高温性能。研究表明，沥青质中存在羧酸类和亚矾类，由于羧酸类和亚矾类具有很强吸附能力但又不稳定的极性，故导致塔湖沥青粘附性较差；克拉玛依沥青混合料在疆内应用广泛，塔化沥青混合料在抵抗高温方面具有突出的优势，低温性能略差。因此塔化沥青适用于高温低温或者重载交通路段等。

3 改性沥青的常用助剂

随着改性沥青应用的不断推广以及应用，极大的推动了我国本土沥青的应用，但也逐渐暴露除了许多不足，如随着时间的推移，改性剂与改性沥青发生沥青、聚团等问题，这时就不得不掺加一定助剂改善沥青内部结构。国外更多的是开发新材料或者新技术［10］。硅藻土、硫磺粉、糠醛油、矿渣粉等材料因其可以与改性沥青形成稳定结构而受到人们的关注。

助剂不同，作用也不同，稳定剂常常用于提高沥青和改性剂的储存稳定性；交联剂可以有效地提高改性剂与沥青交互程度；增溶剂可以有效地提高沥青与改性剂的相容性等。已有研究表明，合适的助剂掺量对发挥沥青胶结料和沥青混合料的性能具有重要的作用。陈凯［11］为了研究胶粉、湖沥青、超细碳酸钙等助剂影响，以SK-90号为基质沥青，通过对常规指标的影响分析，从试验数据得出了不同的SBS助剂对SBS改性效果有很大影响，且影响指标也不一样。

为了探索合适的助剂，肖敏敏［12］通过正交试验，并利用灰色关联反析得出了，当稳定剂掺量为10%时，改性沥青最佳。针对SBS/胶粉复合改性沥青复杂的体系，牛海港［13］从掺加时间、掺加剂量、种类角度，研究了交联剂（硫磺粉）、相容剂（马来酸酐）、稳定剂（WD-Ⅱ）对复合改性沥青的影响，通过数据分析，确定了交联剂用量4%、相容剂4%、稳定剂1.5%的试验方案。同时，从数据分析可知，随着相容剂掺量的增加，复合改性沥青的软化点大幅度提高，延度反而出现下降，说明相容剂的增加可以适当提高沥青高温性能。

4 沥青混合料评价指标

沥青混合料是指将沥青结合料、石料、矿粉等物质按照一定的比例混合均匀组成的具有不同力学性能的结构，一个良好的沥青路面包括应根据气候的差异选择合适的级配、油石比等。如针对南方的高温多雨的特点，设计混合料应具有良好的水稳定性、抗车辙能力。路面使用寿命跟混合料的性能有很大关系。本节主要对混合料的一些性能评价方法进行介绍，了解我国常用的一些评价方法。

4.1 高温性能评价指标

车辙是沥青路面常见的病害之一。一般来说，车辙可分为结构性车辙、失稳性车辙等，其中失稳性车辙是我们生活中比较常见的车辙。造成车辙形成的因素有很多，如材料的选择、级配的合成等。为了降低车辙影响，国内外已经建立许多评价方法。常用的评价方法有弯曲蠕变试验、剪切试验、斜剪试验、车辙试验和单轴试验等。其中，在我国常用的是车辙试验、汉堡车辙试验（HWTD）。

郭浩然［14］在利用车辙试验验证改性沥青高温性能过程中，为了更好的达到规范压实度的的要求，通过增加对试件的碾压次数来来提高混合料的压实度。通过试验结果可知，碾压次数的增加在一定范围内可以有效地提高改性沥青的压实度和稳定度。

随着研究的深入，车辙试验的一些缺点逐渐暴露出来。如辙试件标准尺寸严重影响了不同公称直径的动稳定指标。再者，沥青混合料试验规程所采用的试件成型的方法是采用轮碾法，该方法与实际施工相差甚远。因此，为了更好的表征沥青混合料的高温性能，国内学者逐渐采用不同试验方法。杨光［15］为了更好的评价复合改性沥青的高温性能，借鉴德国汉堡试验的线型揉搓压实方式，与车辙试验相比，该方法可更直观的反应混合料的在极端条件和车辙下的高温性能

4.2 低温性能评价指标

一个良好的沥青路面除了应该有较好的高温性能，同时也应有良好的低温性能。研究表明，沥青路面的低温开裂与材料力学性能有关。当温度下降时，由于沥青内部受力不均匀就会路面开裂等路害。因此当对材料进行优选之后，如何更加准确将青材料的低温性能评价指标与沥青路面开裂程度结合一起，一直是近几年研究热点。

用来评价沥青低温性能方法有：间接拉伸试验、直接拉伸试验、收缩系数试验、弯曲梁试验、热膨胀系数。我国常用有弯曲梁试验、约束试件温度应力试验等。

冯德成［16］针对小梁弯曲试验的不足，利用改进后的半圆弯曲试验（SCB），研究混合料低温开裂与抽提回收沥青BBR试验结果之间的联系，通过沥青路面开裂间距与沥青混合料力学参数的分析，得出更为合理的低温评价指标。与低温弯曲相比，半圆弯曲试验（SCB）在一定程度上解决了传统低温方法与沥青路面开裂关联度不高的问题，具有一定的推广意义。

4.3 水稳定性评价指标

所谓水损是是指下雨或者冰雪融化后由于车辆的作用下进入沥青路面内部，随着时间推移，不断侵蚀沥青结构，使沥青与集料的粘附性和力学性能逐渐下降，直至脱落，最终导致路面出现松散、坑槽等现象。

目前，国内外常用的评价方法有浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、真空煮沸煮沸劈裂试验、肯塔堡试验。根据我国经济水平，规范采用的方法有浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验。其中，浸水马歇尔试验以残留稳定度为评价指标，要求不低于75%～80%。但研究表明，浸水马歇尔试验条件并不能真实地反映路面状态，其试验指标残留稳定度也不能真实地反映路面稳定程度。针对以上不足，严超［17］采用理论效度和相对区分度两个评价指标，对浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、肯踏堡试验进行对比，试验结果表明：浸水分散试验最好、冻融劈裂试验次之、浸水马歇尔试验最差。