AR-SBS复合沥青的制备及性能试验研究

2020-09-07郑少灿黄民如

公路工程 2020年4期

郑少灿，黄民如

（广东交通实业投资有限公司，广东广州 510623；广东华路交通科技有限公司，广东广州 510623）

橡胶沥青（AR）由于具有良好的高温稳定性、“保黑”效果佳以及可消耗废旧轮胎符合绿色循环经济原则，逐渐受到道路工作者的青睐。但就橡胶沥青技术现状而言，相关技术问题如黏度偏大导致施工性较差、储存稳定性差难以工厂化生产等仍旧制约着其进一步推广［1-3］。目前广泛采用SBS改性沥青各项性能稳定，但也存在造价相对较高的缺点。因此，如何选取合适的制备工艺，在不显著降低使用性能基础上，使用部分橡胶粉替代SBS改性剂制备AR-SBS复合改性沥青，一方面降低SBS改性沥青造价，另一方面改善橡胶沥青的部分指标缺陷，具有较大的研究意义［4-8］。在大埔至潮州高速公路（含大埔至漳州支线）第TJ2标段（K6＋140～K17＋700）路面工程试验段中，拟对AR-SBS复合改性沥青加工工艺进行分析，并对其老化前后性能指标与SBS改性沥青、AR改性沥青进行对比，然后将3种改性沥青混合料进行高温稳定性、低温稳定性及疲劳试验对比分析，确定最佳沥青混合料用量。

1 AR-SBS复合沥青的制备

1.1 原材料

研究采用如下原材料进行AR-SBS复合改性沥青制备：埃索70＃基质沥青、星型SBS改性剂、经除杂细化后的40目精细橡胶粉及其它稳定剂等辅助助剂、工厂现场改性的成品SBS改性沥青（SBS掺量为4%）、工厂现场改性的橡胶沥青（橡胶粉掺量为15%）。3种沥青（基质沥青、SBS沥青、AR沥青）性能对比见表1。其中，70＃基质沥青其它性能指标均满足相关规范要求。

表1 3种沥青（基质沥青、SBS沥青、AR沥青）技术指标对比Table 1 Comparison of three kinds of asphalt（matrix asphalt，SBS asphalt，AR asphalt）technical indicators

通过表1可以发现：

a.相较SBS沥青，AR沥青5℃延度及弹性恢复较小，表明其低温塑性及弹性性能相对较差。

b.AR沥青在15%掺量下软化点也较SBS沥青小12℃，表明其高温稳定性略低于SBS沥青。

c.相较SBS沥青，AR沥青性能差异最大的为其黏度指标，在135℃、180℃条件下其黏度分别为SBS沥青7.4倍、14.5倍。较大的的黏度使得AR沥青混合料施工时不得不提高拌和、碾压温度，一方面增加了燃料的消耗，同时也增加了混合料现场碾压质量控制难度。

1.2 AR-SBS复合沥青加工工艺

采用试验室高速剪切机进行AR-SBS复合沥青制备，具体掺配比例及制备工艺如下：

a.采用外掺法，制备2%掺量SBS改性沥青。具体加工工艺为：将SBS改性剂与70＃基质沥青混合料，在175℃左右剪切20 min，剪切速率取5 000 r／min。

b.制备AR-SBS复合改性沥青，具体加工工艺为：将上述制备好的2%掺量SBS改性沥青掺入10%（占沥青质量比例）橡胶粉，在180℃剪切15 min，剪切速率取5 000 r／min。

c.为保证橡胶粉充分溶胀、发育，同时确保AR-SBS混合改性沥青储存稳定性，在上述步骤掺入0.1%掺量稳定剂，并置于180℃条件下缓慢搅拌2 h，最终制备完成AR-SBS复合改性沥青。

上述AR-SBS复合改性沥青制备完成后，进行48 h离析试验，试验结果显示上、下管体内ARSBS复合改性沥青软化点差仅为1℃，表明该法制备的AR-SBS复合改性沥青具有较好的稳定性，具有推广使用的基础。

2 AR-SBS复合沥青性能试验

2.1 AR-SBS复合沥青技术指标

将制备的AR-SBS复合改性沥青进行上述性能指标测试，测试结果如表2所示。对比表1中SBS改性沥青及AR改性沥青性能指标，可知：

a.相较SBS改性沥青，AR-SBS复合改性沥青5℃延度、软化点略有降低，但相对AR改性沥青则显著提高，表明AR-SBS复合改性沥青低温塑性及高温稳定性介于SBS改性沥青与AR改性沥青之间。

b.比较各改性沥青黏度指标，AR-SBS复合改性沥青较AR改性沥青黏度显著降低，135℃延度、180℃黏度分别降低48%、34%，可有效减低拌和、碾压温度。

综上分析表明，AR-SBS复合改性沥青综合了SBS改性沥青及AR改性沥青的优点，在满足性能指标要求下，既消耗了废旧橡胶粉、使其在达到同等性能时降低了沥青成本，也具有SBS改性沥青优点，可作为SBS改性沥青及AR改性沥青的替代品使用。

表2 AR-SBS技术指标性能Table 2 AR-SBS technical index performance

2.2 AR-SBS复合沥青老化试验指标

由上述制备工艺可知，由于现橡胶粉与沥青相容性较差，为保证二者加工、存储稳定性及使用耐久性，AR-SBS复合沥青制备时通常需加入稳定剂等助剂。而稳定剂等助剂一般为轻质化学物质，存在易高温分解、挥发的隐患。为此，研究采用薄膜烘箱老化试验，对比分析老化试验前后ARSBS复合沥青各性能指标变化，以分析其是否具有加工、存储过程中性能衰减规律，进而为ARSBS复合沥青的推广使用提供理论指导。

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E20—2011）》中对老化试验规定试验温度为163℃，但结合SBS改性沥青及AR改性沥青工程应用可知，其拌和、施工温度相对较高，为此AR-SBS复合改性沥青老化试验温度选取为180℃进行。不同改性沥青老化试验技术指标如表3所示。

表3 不同改性沥青老化试验技术指标Table 3 Technical indicators of different modified asphalt aging tests

由表3对比分析可知：

a.由于老化试验采用薄膜加热，3种改性沥青均存在质量减少，且3种质量减少量均一致，为0.1%，均符合规范要求。需注意的是，AR-SBS复合改性沥青相较其它两种改性沥青质量损失并未增大。

b.比较各改性沥青老化前后5℃延度，虽然SBS改性沥青老化后延度仍较大，但相较老化前降低12.3℃，表明SBS改性沥青高温稳定性变化较大，而AR-SBS复合改性沥青与AR改性沥青则相对稳定。

c.比较各改性沥青老化前后软化点，SBS改性沥青降低9.4℃，而AR-SBS复合改性沥青与AR改性沥青则均增大。这主要是由于橡胶粉相较SBS高温稳定性更强，老化试验时降解比列相对更低，表明含橡胶粉类改性沥青具有较SBS改性沥青更好的高温稳定性。

d.比较各改性沥青老化前后高温黏度，SBS改性沥青黏度增大，AR-SBS复合改性沥青与AR改性沥青则减小。这可能是由于SBS改性沥青中SBS改性剂在高温下降解，降解产物增大了改性沥青体系黏度，而橡胶类改性沥青则持续发生溶胀反应，使沥青与改性剂相容性增强，进而促使改性沥青黏度降低。

综上分析表明，就整体指标而言，SBS改性沥青指标仍为最优，AR-SBS复合改性沥青次之，但就老化前后指标稳定性而言，橡胶粉的加入增强了SBS改性沥青稳定性，使AR-SBS复合改性沥青具有更稳定的老化性能指标。

3 AR-SBS复合改性沥青混合料技术指标

为了验证AR-SBS复合改性沥青是否具有工程适用性，在大埔至潮州高速公路（含大埔至漳州支线）第TJ2标段（K6＋140～K17＋700）路面工程试验路段中，选取相同SMA-13级配，然后分别对其进行最佳油石比确定，并对其进行路用性能试验，高温稳定性、水稳定性及疲劳试验结果如下。

3.1 高温稳定性

对3种不同改性沥青混合料进行60℃高温车辙试验，试验结果如图1所示。由试验结果可知：3种改性沥青混合料均具有较优的高温稳定性，3种混合料动稳定度均超过7 000次／mm。比较可知，AR沥青混合料与SBS混合料高温稳定性基本相当，且AR-SBS复合改性沥青混合料高温稳定性最优，分别较2种增加1 807、1 699次／mm，表明橡胶粉的掺入可有效改善SBS高温稳定性。

3.2 水稳定性

图1 3种改性沥青混合料高温稳定性Figure 1 High temperature stability of three modified asphalt mixtures

为评价水稳定性，对3种不同改性沥青混合料进行浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验［9-10］，试验结果如图2所示。由试验结果分析可知，3种改性沥青混合料两种试验方法水稳性由大到小顺序均为：SBS改性沥青混合料、AR-SBS复合改性沥青混合料、AR改性沥青混合料。这主要是由于SBS与沥青可形成交联紧密的网状结构，有水条件下其与集料粘附作用较强，而橡胶粉与沥青的交联更多的物理作用，因此橡胶粉的加入对SBS改性沥青混合料水稳定具有削弱作用。但整体而言，3种改性沥青混合料水稳定性均显著高于规范要求，满足路用性能要求。

图2 3种改性沥青混合料水稳定性Figure 2 Water stability of three modified asphalt mixtures

3.3 疲劳试验

为评价疲劳性能，对3种不同改性沥青混合料进行小梁四点弯曲试验，试验采用应力控制模式，采用0.3、0.4的2种应力比，试验温度选取15℃，试验结果如图3所示。由试验结果分析可知，2种应力比控制试验条件下，3种沥青混合料疲劳寿命由大到小顺序均符合如下规律：SBS改性沥青混合料、AR-SBS复合改性沥青混合料、AR改性沥青混合料。表明橡胶粉的掺入对SBS改性沥青混合料疲劳寿命存在一定减弱，但较橡胶沥青混合料仍具有较优的疲劳寿命。