CR/SBS 复合改性沥青及其混合料性能研究

2021-07-12洪锦祥朱剑南熊子佳程金梁龚明辉

江苏建材 2021年3期

洪锦祥，朱剑南，熊子佳，程金梁，龚明辉

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；2.江苏省建筑科学研究院，江苏南京 211103）

0 引言

随着交通行业的快速发展，车辆轴载强度增大、渠化交通日益明显，对沥青路面性能要求逐步提高。

废旧轮胎胶粉属于橡胶类，与沥青有一定的结合能力，加入到沥青后改善了道路抗疲劳、抗车辙等性能。但由于胶粉的掺量较大，改性沥青的稳定性不好，易产生分层、离析，影响其使用性能。因此，将胶粉与SBS 复合制备改性沥青,在减少污染的同时可增加改性沥青稳定性，从而提高沥青的综合性能。

1 原材料与试样制备

1.1 原材料

（1）基质沥青

采用70# 重交沥青，其性能指标均满足规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）要求，具体指标见表1。

表1 70# 重交沥青性能指标

（2）SBS

SBS 采用岳阳石化生产的SBS 791 系列，其性能指标见表2。

表2 SBS 791 性能指标

（3）胶粉

胶粉为40 目废旧轮胎的硫化胶粉，其性能指标见表3。

表3 胶粉性能指标

1.2 试样制备

（1）改性沥青

基质沥青在140 ℃恒温箱中保温1 h，取一定质量放至搅拌筒中。油浴温度为170 ℃，将搅拌筒放至油浴中保温0.5 h 至沥青有较好的流动性。然后将橡胶粉和SBS 分次边搅拌边加入沥青中。以2 000 r/min 的速度搅拌 30 min，再以 4 500 r/min剪切30 min。搅拌完成后将改性沥青存放在170 ℃环境下发育溶胀1 h 即完成改性沥青的制备。样品编号和配比如表4 所示。

表4 样品编号和配比

（2）沥青混合料

沥青混合料级配采用AC-13 型级配，油石比为5.0%，级配见表5。

表5 沥青混合料AC-13 级配

2 CR/SBS 复合改性沥青性能

2.1 基本性能

改性沥青软化点与针入度数据如图1 所示。

图1 改性沥青软化点与针入度数据

由图1 可知，加入胶粉后改性沥青的软化点有较明显的提升，且随着胶粉含量的增加软化点不断增大。由10%增加到15%时，软化点增加了8.4 ℃；由15%增加到20%时，软化点增加了1.6 ℃。说明当胶粉掺量大于15%时，胶粉对改性沥青的软化点影响不大。从针入度曲线来看，当胶粉掺量由10%变化到15%时，针入度有较明显的降低，当胶粉掺量由15%变化到20%时，针入度变化减缓，主要是因为胶粉掺量较低时，随着其掺量的增加，沥青中轻质组分被其吸收溶胀，胶粉与SBS 胶连，在沥青中逐渐形成三维网络结构，温度升高时，三维网络结构限制了沥青的流动，因而在胶粉掺量为10%~15%时改性沥青软化点提高速率较快。此时沥青分子整体性较好，针入度有较明显降低。当胶粉进一步增加，沥青中轻质组分减少，溶胀逐渐趋近饱和，直至胶粉过剩。此时，过剩的胶粉反而会破坏沥青胶体的整体结构。因此，当胶粉掺量大于15%时，改性沥青的软化点只有略微增长，针入度降低趋势也渐缓。

图2 不同改性沥青5 ℃延度

由图2 可知，SBS 改性沥青的延度最大，主要是因为SBS 在沥青中形成了良好的三维网络结构，较大地增强了沥青的柔韧性[1]。随着胶粉的加入，改性沥青的延度降低，当胶粉掺量由10%增加至15%时，延度降低较缓慢，当胶粉掺量由15%增加至20%时，延度有较明显的降低。这是因为胶粉颗粒尺寸较大，在沥青中易形成薄弱位点，拉伸力作用时，胶粉阻隔了力的传递，易发生断裂破坏，因此，胶粉会降低SBS 改性沥青的低温延度。

2.2 流变性能

沥青的流变性能是由SHRP 计划提出的。采用DSR 动态剪切流变仪评价沥青流变性能。测试改性沥青在高温区段（40~100 ℃）黏度随温度的变化曲线，反映高温时沥青的流变特性。分别制备不同掺量胶粉改性沥青测试其温度-黏度曲线。试验采用应力控制模式，沥青试样为直径25 mm、厚1 mm 圆片，温度为40~100 ℃，结果如图3 所示。

图3 改性沥青温度-黏度曲线

由图3 可知，加入胶粉后沥青的粘度增加。当胶粉掺量为10%~15%时，CR/SBS 改性沥青的黏度在低温时有较明显的差异。而在70~100 ℃差异逐渐缩小。但当胶粉掺量为20%时，温度为60~100 ℃，CR/SBS 改性沥青的黏度反而有微小的增长，这主要是因为胶粉掺量过多，少量胶粉是以尺寸较大的颗粒形式存在于沥青中，在剪切作用下，沥青试样内部作用力不再只是粘结力，还有胶粉与沥青分子的作用力，因此，此时的黏度值表现较大。说明当胶粉掺量大于15%时，胶粉过剩，改性沥青的性能有较小的变异现象，因此，胶粉掺量最佳值为15%。

3 CR/SBS 复合改性沥青混合料性能评价

3.1 高温性能

采用室内车辙试验评定不同混合料的高温稳定性，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，车辙板尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，橡胶轮碾压速度为（42±1）次/min，测试结果见表 6。

表6 不同改性沥青混合料动稳定度值

由表6 可知，随着胶粉掺量的增加，CR/SBS 改性沥青混合料的动稳定度值增大，车辙深度比SBS改性沥青、基质沥青有明显减小，说明胶粉能提高沥青混合料的抗车辙性能。胶粉掺量由15%增加到20%时，改性效果不明显，因此，与前述沥青性能相似，胶粉掺量最佳为15%。

3.2 低温性能

通过低温弯曲试验测定沥青混合料的低温性能，沥青小梁试件是由轮碾成型的车辙板切制而成的250 mm×30 mm×35 mm 棱柱体，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，低温弯曲试验小梁的试验结果见表7 和图4。

由表7 可知，当胶粉掺量为10%时，CR/SBS 改性沥青的最大弯拉应变比SBS 改性沥青大。而当胶粉掺量进一步增加时，最大弯拉应变减小。当胶粉掺量大于15%时，沥青中的轻质组分大部分被溶胀吸收，沥青黏度提高，低温下硬脆性增强，因此低温变形能力变差，更加容易开裂[2]。

图4 不同改性沥青混合料低温抗弯拉强度与弯曲劲度模量

表7 不同沥青混合料低温弯曲试验测试结果

由图4 可知，在强度方面，胶粉的加入增加了沥青混合料的强度性能，其抗弯拉强度和劲度模量均有提高。

3.3 抗水损性能

选用冻融劈裂试验测试沥青混合料的水稳性，试验温度为25 ℃，加荷速度为50 mm/min，结果见表8。

表8 不同沥青混合料TSR 值

从表8 可以看出，胶粉的加入提高了沥青混合料冻融劈裂强度值，这是因为胶粉与SBS 在高温时吸收沥青中的轻质组分形成三维网络，与矿料混合后在矿料均匀附着，使得改性沥青与矿料之间形成聚合物膜，防止水分进入，增强了混合料的抗水稳定性。当胶粉掺量增加到20%时，有一部分胶粉没有充分溶胀，以颗粒形式存在，使骨料表面存在裹附缺陷，有部分水分子通过此缺陷进入，TSR 值略有减小。因此，胶粉掺量最佳为15%。