浅析胶粉/SBS复合改性沥青现场湿法加工技术

摘  要：本文开展了胶粉/SBS复合改性沥青现场湿法加工技术研究，通过原材料选定、加工设备选择、配比确定、加工工艺研究等环节，在施工现场成功配制生产出合格胶粉/SBS复合改性沥青，该技术在项目的运用取得了良好的施工效果，为相关施工提供了参考。

关键词：胶粉/SBS;复合改性;长途运输;离析;现场加工

中图分类号：TU19 文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）12-0000-00

京蔚高速，地处河北北部张家口地区，路面工程全长66km，合同工程量中水泥稳定碎石基层232万t、沥青面层90万t，其中中面层设计路面结构为ARHM-20，即胶粉/SBS复合改性沥青混合料，工程量约为27.56万t，最佳油石比为4.9%（外掺），需胶粉/SBS复合改性沥青1.29万t左右。

1 胶粉/SBS复合改性沥青的性能与实用性

胶粉/SBS复合改性沥青（SCMA）是指同时采用橡胶粉以及SBS两种改性剂，按比例添加稳定剂及助剂后，在施工现场采用移动设备，通过高温剪切、发育等工艺流程制作成复合改性沥青产品的过程。此种工艺优点如下[1]：

（1）充分体现绿色、环保、低碳、降本、增效理念，利用废轮胎制作胶粉，变废为宝。

（2）SCMA混合料与单一SBS改性沥青和普通基质沥青相比，其高温性能、低温性能、抗疲劳性能等技术指标大幅提高。

1）ARHM-20复合改性沥青混合料动稳定度可以达6000（次/mm）以上，与单一SBS改性沥青混合料相比，ARHM-20改性混合料高温性能提高幅度达70%，可大幅度提高沥青路面在极端高温和车辆重载作用下的抗车辙性能。

2）SCMA混合料低温抗弯曲变形能力优于基质沥青混合料SBS改性沥青混合料。其低温弯曲应变可达3847（με），与SBS改性沥青混合料相比，低温性能提高幅度超过30%，可大幅改善沥青路面的低温抗裂性。

3）SCMA混合料拥有良好弹性恢复能力（耐久性），说明其抗疲劳性能强于单一SBS改性沥青和普通基质沥青混合料。

2对胶粉/SBS复合改性沥青使用材料的要求与选择

2.1基质沥青的选择

加工胶粉/SBS复合改性沥青在选择基质沥青时，并不能简单的认为延度、软化点、针入度三大指标符合沥青技术标准就能符合所有改性剂适配，达到其要求的改性效果。我们要研究基质沥青与改性剂之间存在的配比性问题，应从化学成分来考量，从沥青质、胶质、芳香分、饱和分，每个组分之间的比例关系对改性剂的直接影响等方面来研究其配比性问题。

所谓的改性沥青质量或等级高低是根据针入度（25℃）指标界定的，所以我们必须根据图纸设计中规定的改性沥青的类型和等级来挑选和确定基质沥青类型和标号。本工程技术指南和设计给定胶粉/SBS复合改性沥青的针入度为40～60（0.1mm），基质沥青采用SBS改性后，其针入度（25℃）指标要下降20～25（0.1mm）。以此来计算，70#重交沥青的针入度为60～80（0.1mm），加入改性剂后针入度一般在40～60（0.1mm），满足本工程技术指南和设计胶粉/SBS复合改性沥青技术指标要求，故本项目选用的是A级70号道路石油沥青（齐鲁石化和秦皇岛石油化工），并通过各化学组分配比试验。

2.2胶粉的选择

为了实现绿色、环保、低碳、降本、增效目标，我们使用的胶粉采用废旧轮胎制作，宜选用常温研磨粉碎的轮胎胶粉，且无其他杂质，且尽量使用轮胎内部老化较轻的部分，路用橡胶粉细度宜在40～80目以内。

2.3 SBS改性剂的选择

SBS聚合物改性剂属于热塑性橡胶类改性剂，根据分子结构型式的不同，SBS可分为线型和星型结构，综合考虑生产简易性和寒冷的气候分区，建议选择6302线型SBS改性剂。

2.4 相容剂的选择

为保證SBS改性沥青的质量稳定性，可适当添加相容剂和稳定剂。

2.5 稳定剂的选择（表1）

3室内小样的制备与检验

3.1 添加比例的确定

（1）橡胶粉掺量的确定。选择橡胶粉细度40目，SBS掺量为0%，通过实验可以看出，在橡胶粉细度及制备条件不变的情况下，随着胶粉掺量的产量变化，沥青的黏度、软化点、弹性恢复等指标也会随之变化。综合考虑技术经济、张家口气候特点和工程交通重载需求，暂时确定SCMA中胶粉掺量不低于内掺17%。

（2）SBS掺量的确定。我们从SBS掺量与软化点、粘度、弹性恢复、针入度、延度等指标的关系来综合分析，通过试验得知，SBS 改性剂在掺量变化的条件下，ARHM沥青混合料的软化点和粘度也会产生变化。当SBS掺量达到1.5%（内掺），软化点和黏度已达到较高值，综合考虑其经济性，暂时确定SCMA中SBS掺量内掺不小于1.5%。

综上所述，根据试验室各项试验结果可知，胶粉/SBS复合改性沥青的添加比例暂定内掺比例为基质沥青：胶粉：SBS改性剂：稳定剂为82.2﹕16.4﹕1.2﹕0.1，外产比例为100﹕20﹕1.5﹕0.15。

3.2 投料顺序的确定

在确定好SBS改性剂和胶粉的掺加比例后，紧接着要确定投料顺序，我们通过四种投料方式的试验，即（1）SBS改性剂和胶粉先分别研磨、发育后再混合一起;（2）先投入SBS改性剂，浸泡溶胀后再投入胶粉一起研磨、发育。（3）先投入胶粉，浸泡溶胀后再投入SBS改性剂一起研磨、发育;（4）胶粉和SBS一起混合、溶胀、研磨、发育四种方式，然后通过各自方式各项指标的检测对比，确定最佳的投料顺序。

将4种投入方式的SCMA数据进行统计，试验结果显示，暂时确定按（2）工艺即先投入SBS，溶胀后投入胶粉的添加方式作为生产时投料顺序。

3.3 剪切速率的确定

剪切速率的确定要根据改性沥青的高温流变、抗剪性能和低温延度指标来确定，通过试验，根据设定的几个剪切速率与SBS改性沥青软化点、延度、针入度等指标之间的关系，确保改性沥青的高温流变、抗剪性能和低温延度等指标，经过试验对比，暂定以5500r/min做为SBS改性剂和胶粉的剪切速率。

3.4 剪切时间的确定

确定了剪切速率，还要确定剪切的工程时间，通过对15min、35min、60min和90min的剪切试验，对复合改性沥青针入度、软化点和延度指标检验，经过指标对比，综合确定以35min的时长为剪切最佳时间。

3.5 剪切温度的确定

在确定剪切速率、剪切时间以后，我们就要确定剪切温度，通过采用165℃、175℃、185℃和195℃四个温度条件进行延度、软化点、针入度试验对比，综合对比选取185℃为最佳剪切温度。

3.6 稳定剂添加顺序的确定

我们根据混合改性沥青现场制作的特点，确定采用在发育过程中添加的生产方式。

3.7 发育时间的确定

根据现场和试验室现有条件，我们采用170～180℃高温静置发育，并选择了5种发育时间作为研究条件，通过各发育时间沥青三大指标检测值的差异，对比选取最佳发育时间。

通过实验表明，改性沥青在静止储存过程中，其性能也在不断的发生变化，指标显示，储存时间为2.5h时，改性沥青的高温稳定性最好，故推荐改性沥青发育采用高温静置2～2.5h的方式。

3.8试验室制备胶粉/SBS复合改性沥青样品及指标检验

确定了胶粉/SBS复合改性沥青试验室制备各项参数后，我们严格按照上述原材料、添加比例、投料方式、剪切速率、最佳剪切时间、最佳剪切温度、稳定剂最佳添加时间、发育方式和发育时间在试验室制备复合改性沥青成品小样并进行性能检测，试验选用的SCMA中橡胶粉掺量17%，SBS掺量为1.5%。

通过实验可知，试验室室内所制备胶粉/SBS复合改性沥青样品，制作工艺符合要求，各项技术指标均符合要求。

4胶粉/SBS复合改性沥青现场制作与验证

4.1对胶粉/SBS复合改性沥青现场加工设备的要求、选择与布设

根據《沥青混合料面层施工技术指南》关于对胶粉/SBS复合改性沥青技术指标要求，结合京蔚段工程所处地理位置、气候、水文条件和生产布置、进度计划等要求，选取改性、胶粉沥青一体成套设备（型号 35t/小时）2套、高剪切胶体磨（型号 ≥5500转/min）4套、导热油加热系统（250万大卡）2套、换热器4台、胶粉/SBS改性沥青溶胀罐（10t）4个、沥青泵（40m3）8台、成品改性沥青储存（50t）4个、基质沥青罐储存罐（50t）2个。

因胶粉/SBS复合改性沥青加工需使用胶粉、SBS改性剂、稳定剂等易燃产品，加工设备应与沥青拌和站分开布设，且有独立的加热系统和添加剂仓库，基质沥青供应可以通过沥青泵和管道与拌和站沥青罐连接，成品胶粉/SBS复合改性沥青可以通过沥青泵和管道连接到拌合站储存罐（需要储存必须带搅拌系统）。根据每日进度计划的胶粉沥青用量，做到现做现用，确保胶粉/SBS复合改性沥青的技术指标和沥青面层工程质量。

4.2制作工艺流程

（1）准备工作。检查材料和加工设备是否满足技术指标要求。

（2）投料预混。先将SBS改性沥青投入预混罐后，溶胀发育6～10min后，开始投入胶粉及添加剂。根据生产线实践生产，发现温度损失较大，必须配备满足温度供给的导热油换热器设备。

（3）研磨剪切分散。通过确定好的剪切速率、时间、温度等条件进行生产，验证并确定研磨剪切速率5500r/min，温度185℃左右，时间35min。

（4）溶胀发育。采用高温间歇搅拌发育，温度170～180℃，时间2～2.5h。

（5）稳定存储。胶粉/SBS复合改性沥青原则上应在24h内使用完毕，现场加工可以达到这个要求，但由于不可抗力，超过24h，必须进行降温储存。存储成品复合改性沥青设备必须由上下两层搅拌装置，对成品复合改性沥青进行搅拌，保证改性沥青的均匀性。

现场加工出小批量成品胶粉/SBS复合改性沥青成品后，取样做沥青原材性能检测验证，各项指标均符合要求，并采用GTM法做ARHM-20沥青混合料配合比，确定目标配合比设计结果为：10mm～20mm：5mm～10mm：3mm～5mm：机制砂：矿粉=37.0﹕26.0﹕6.0﹕27.0﹕4.0。最佳油石比为4.9%。并通过实际生产实践运用，工程质量、进度、安全、成本等各项指标均达到良好效果。

5经验总结

（1）原材料选择及配置比例。基质沥青选择齐鲁石化和秦皇岛石油化工生产的重交70#道路石油沥青、胶粉采用山东滨州胶粉厂生产的细度为40目TB胶粉、SBS改性剂采用独山子石化的6302型（线性）。掺加比例内掺为基质沥青：胶粉：SBS改性剂：稳定剂=82.2﹕16.4﹕1.2﹕0.1。外掺为100﹕20﹕1.5﹕0.15。

（2）投料顺序。按先投入SBS，溶胀6～10min后再投入胶粉的添加方式作为生产时投料的顺序。

（3）研磨剪切速率为5500 r/min、剪切时间为35min、剪切温度为185℃。

（4）复合改性沥青成品发育采用高温间歇搅拌方式（170～180℃），时间为2～2.5h。

（5）稳定剂添加顺序为成品复合改性沥青发育时添加。

（6）现场湿法加工设备的选择。

设备的选择必须由足够的加升温、高速率剪切设施，充足的基质沥青、成品改性沥青存储设施（必须带搅拌设施），精准的称量系统，加工区域相对独立，有单独的改性剂、胶粉仓库。具体单套现场加工设备需要的设备如下：改性、胶粉沥青一体成套设备（型号 35t/小时）1套、高剪切胶体磨（型号 ≥5500转/min）2台、导热油加热系统（250万大卡）1套、换热器2台、胶粉/SBS改性沥青溶胀罐（10t）2个、沥青泵（40m3）4台、成品改性沥青储存（50t）2个、基质沥青罐储存罐（50t）1个。

（7）创新点。通过本次胶粉/SBS复合改性沥青现场湿法加工工艺的研究与运用，总结出以下两个创新点。

1）此次工艺研究提出了胶粉/SBS复合改性沥青的现场生产设备的配备方法。

2）提出了现场SBS胶粉复合改性沥青生产配方、加工工艺和质量控制方法。

6应用效果

采用现场法胶粉/SBS改性沥青工艺具有显著的经济效益和社会效益。通过采用本工艺，京蔚高速于11月13日顺利完成沥青面层全部铺筑任务，经交通部道路国检中心交工检测，沥青面层各项指标均符合规范和设计要求，成绩优良，获得了社会的广泛认可和各方一致好评。

参考文献

[1] 费豪斌.胶粉与SBS复合改性沥青混合料的试验及应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2018，14（7）：148-151.

收稿日期：2020-10-18

作者简介：鲁泽建（1972—），男，河南濮阳人，本科，高级工程师，研究方向：路桥隧、水利水电工程施工。