SBS/胶粉复合改性新疆调和沥青性能探讨

孙泽强，舒 诚，宋 亮，王朝辉

(1.新疆交通投资有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.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 830006)

0 引 言

随着新疆被确定为“一带一路”经济带核心区与第一批交通强国建设试点，其交通基础设施建设规模日益增长[1]。当前新疆公路沥青混凝土路面所用的SBS改性沥青主要依靠内地供应，本地沥青与SBS等改性剂存在相容性较差、难改性问题。而采用内地沥青进行工程建设不仅运距远、造价高，也不利于有效利用当地资源。因此，解决新疆沥青改性技术难题，对于改善新疆地区路面使用品质、降低工程建设成本具有重要作用。

为解决新疆沥青改性难题，众多学者从不同方面开展了相关研究。王晓倩等[2]采用胶粉复配维他连接剂、多聚磷酸、硫化交联体系等对克拉玛依沥青进行了改性，指出沥青芳香度较高时可达到良好的改性效果；云庆庆等[3]对比了不同目数废胶粉对克拉玛依沥青的改性效果，结果表明不同目数胶粉复合SBR可在一定程度上提高改性沥青的热储存稳定性；柴志杰[4]采用不同SBS改性剂、稳定剂和相容剂对塔河沥青进行改性，发现相容剂的芳烃含量、芳烃结构会对改性沥青的储存稳定性产生显著影响；韩森等[5]应用不同类型SBS对克拉玛依沥青进行改性，结果发现各类SBS均难以对其改性，掺入相容剂调整沥青组分后得到显著改善。杨凯等[6]指出克拉玛依沥青低沥青质与低芳香分的特点是导致其难改性的因素之一；彭煜等[7]从沥青元素组成、红外光谱、族组成、相对分子质量等方面研究了SBS与克拉玛依沥青的配伍性，结果表明芳香分和沥青质含量较少是其与SBS改性剂相容性较差的重要因素之一。当前学者们采用胶粉改性新疆沥青已取得一定成果，但采用单一SBS改性新疆沥青时，性能依旧难以满足建设需要，沥青组分缺陷是其改性难题的一大原因。

基于此，本文将新疆克拉玛依沥青与塔河沥青进行调和，改善其成分组成，同时考虑SBS与胶粉复合时高、低温性能的互补，采用SBS、胶粉复配改性调和沥青，并对其性能进行探讨，以期为攻克新疆沥青改性难题奠定基础。

1 新疆调和沥青及复合改性沥青制备

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

选用产自新疆的克拉玛依90#(简称KL)与塔河60#(简称TH)基质沥青进行试验，基质沥青的基本性能指标如表1所示。

表1 基质沥青基本性能指标

1.1.2 改性剂及助剂

SBS原料采用中石油独山子石化产线型SBS，牌号T6302H，嵌段比30/70；废胎胶粉采用20～30目脱硫胶粉，由子午线轮胎采用常温粉碎法制成；稳定剂为含硫复合物，有效成分含量大于95%；相容剂采用芳烃油，具体为糠醛抽出油。

1.2 沥青调和比例

沥青组分中的饱和分与芳香分会显著影响改性剂的溶胀程度；沥青质在影响沥青感温性的同时，也会影响改性剂与沥青之间的相容性[8-10]。新疆克拉玛依沥青与塔河沥青在组分上均存在一定缺陷。研究表明SK系列沥青与SBS等多种掺剂改性效果较好[11-12]，高芳香烃、低沥青质的沥青与橡胶类改性剂具有良好的相容性[13-15]。为改善新疆沥青与SBS、胶粉之间的相容性，参照SK-70、SK-90及与橡胶类改性剂相容性良好的组分对其进行调和，部分调和沥青采用芳烃油对轻质组分进行调节，具体配比如表2所示。

表2 沥青组分与调和比例

1.3 复合改性沥青的制备

1.3.1 芳烃油作为助剂掺入

沥青调和：将克拉玛依90#沥青与塔河60#沥青在135 ℃条件下加热至流淌，取出沥青；按比例加入2种沥青，一边加热一边搅拌，至150 ℃±5 ℃；在1 000～1 500 r·min-1转速下将达到设定温度的沥青搅拌60 min，静置30 min，消泡后得到调和沥青。

沥青改性：迅速使调和沥青升温至170 ℃，加入6%芳烃油、15%胶粉与3%SBS，以转速1 000 r·min-1搅拌15～20 min至无明显颗粒；将温度升高到185 ℃，以转速4 500 r·min-1剪切40 min，加入0.4%稳定剂继续剪切5 min；将剪切完毕的复合改性沥青置于150 ℃～160 ℃烘箱，溶胀发育1.0～1.5 h。

1.3.2 芳烃油作为调和组分掺入

沥青调和：将克拉玛依90#沥青与塔河60#沥青在135 ℃条件下加热至流淌，取出沥青；按比例加入沥青与芳烃油，一边加热一边搅拌，至150 ℃±5 ℃；将达到设定温度的沥青在1 000～1 500 r·min-1转速下搅拌60 min，静置30 min，消泡后得到调和沥青。

沥青改性：迅速使调和沥青升温至170 ℃，加入15%胶粉与3%SBS，以转速1 000 r·min-1搅拌15～20 min至无明显颗粒；将温度升高到185 ℃，以转速4 500 r·min-1剪切40 min，加入0.4%稳定剂继续剪切5 min；将剪切完毕的复合改性沥青置于150 ℃～160 ℃烘箱，溶胀发育1.0～1.5 h。

2 新疆调和沥青性能

为分析克拉玛依沥青与塔河沥青的调和状况，对芳烃油作助剂时得到的调和沥青性能进行测试，并与基质沥青对比，结果见表3。

表3 调和沥青基本性能指标

由表3可知，KL∶TH=4∶1时，调和沥青的性能与90#沥青较为接近，其软化点相比KLMY90得到小幅度提升，但低温延度明显降低；当KL∶TH=2∶3时，高温性能与KLMY90相比已得到较大幅度改善，表现出KLMY90与TH60性能互补的趋势，沥青针入度指数升高，对新疆寒冷地区具备适应性；当KL∶TH=2∶5时，沥青性能接近70#沥青，但低温性能较差，沥青稠度较大。当KL∶TH=2∶5时，调和沥青具有最低的温度敏感性，其针入度指数为0.8，而当KL∶TH =4∶1时，调和沥青对温度变化最为敏感，对寒冷地区的适应性较差。

综上可知，3种调和沥青在性能上均表现出KLMY90与TH60性能互补的趋势，但性能偏向于调和占比较大的基质沥青。当KL∶TH=2∶3时，调和沥青兼具高、低温性能优势，同时其温度敏感性相对较低，更符合新疆地区气候要求。

3 复合改性新疆调和沥青的性能

3.1 芳烃油作助剂的复合改性沥青性能

对芳烃油作助剂时制备的调和沥青进行复合改性试验，结果见表4，沥青性能相关参考规范见表5。

由表4可知，调和沥青经SBS、胶粉改性后高、低温性能普遍得到提高，但提升幅度存在差异。其中以2∶3、2∶5比例改性后针入度分别降低15.2、7.6(0.1 mm)，以4∶1比例改性后针入度反而升高；3组调和沥青改性后软化点均有提升，2∶3、2∶5比例下提升幅度显著，增幅高达59.8%～64.6%，而以4∶1比例改性后软化点提升幅度较低，仅9.4%；对于低温延度，三者增幅分别为221%、84%、166%，2∶3比例下增幅最高，其延度值可达270 mm；对于弹性恢复，2∶3、2∶5比例均能满足表5中胶粉相关规范的要求，而4∶1比例表现不佳。值得注意的是，对2∶5比例复合改性沥青进行离析试验中，上下部沥青均发生了凝胶现象，结合调和沥青组分与基本性能推测，可能是其沥青质含量较高、稠度较大所致。

表4 复合改性调和沥青基本性能试验结果(芳烃油作助剂)

表5 复合改性调和沥青性能参考规范

在3组调和比例下，改性剂对2∶3与2∶5比例调和沥青的性能改善效果最为显著，而4∶1比例与改性剂配伍性较差，难以大幅提升性能。造成上述差异的原因可能是KLMY90占比较大时沥青稠度较低，其沥青质组分较少，难以对改性剂起到“骨架”支撑的作用[16-17]。随着TH60比例增加，沥青质组分增多，改性剂能较为均匀地分散在沥青中，但过高沥青质含量易导致凝胶现象，应选取适当配比，使沥青组分处于平衡状态。

3.2 芳烃油作调和组分的复合改性沥青性能

对芳烃油作调和组分制备的复合改性沥青进行性能测试，结果见表6。

表6 复合改性调和沥青基本性能试验结果(芳烃油作调和组分)

胶体指数Ic为沥青质、饱和分之和与芳香分、胶质之和的比值，可被用来评价改性沥青的相容性。通常基质沥青的Ic较低时，改性剂在其中具有较好的分散性[18-20]。几种调和沥青的Ic值从大到小排列为1∶2∶0.28调和沥青>1∶2.5∶0.75调和沥青>1∶6∶2调和沥青>1∶3.5∶3调和沥青。随着Ic值减小，各调和沥青制备的复合改性沥青针入度增大，其中1∶3.5∶3调和沥青最高，而1∶2∶0.28调和沥青最低，分别为225.0、64.7(0.1 mm)；弹性恢复性能随着Ic值的减小而提高，从1∶2∶0.28比例下的81.0%增长至1∶3.5∶3比例下的96.0%。软化点、延度则与Ic值相关性不大，对于软化点，1∶6∶2比例下最高，可达90 ℃，而1∶3.5∶3最低，仅73.4 ℃；对于低温延度，1∶2.5∶0.75调和沥青最大，为640 mm，而1∶2∶0.28调和沥青最小，仅368 mm。对于储存稳定性，各调和沥青外观上均发生显著离析，而部分沥青软化点差较小，这可能是由于胶粉下沉、SBS上浮所致。

综上所述，将芳烃油作为调和组分制备的复合改性沥青性能缺陷明显，无法兼具高、低温性能优势。此外，复合改性调和沥青离析问题依旧显著，应进一步针对新疆沥青的特点优选助剂，以改善其储存稳定性。

4 结 语

(1)将克拉玛依沥青与塔河沥青调和，使新疆基质沥青组分得到改善，从而制备出适用于沥青改性的新疆调和沥青，其中KLMY90∶TH60=2∶3时调和沥青兼具高、低温性能，温度敏感性相对较低，更符合新疆地区气候要求。

(2)当芳烃油作助剂时，SBS/胶粉复合改性调和沥青的性能得到显著提高，其中改性剂对2∶3调和沥青的性能改善效果最为显著，复合沥青的软化点和5 ℃延度分别可达82.3 ℃、270 mm，而4∶1比例调和沥青与改性剂配伍性较低，软化点仅为52.2 ℃；当芳烃油作调和组分时，制备的SBS/胶粉复合改性调和沥青性能得到一定改善，但沥青离析较为严重，综合性能不如芳烃油作助剂时制备的复合改性沥青。

(3)沥青调和与复合改性的方法可使新疆沥青高低温性能提高，为攻克改性难题奠定了基础，但试验发现复合改性沥青离析缺陷依旧突显，后续应针对新疆沥青改性特点优选助剂，对储存稳定性做深入研究。