高黏高弹TPE薄层改性沥青性能研究*

黄浩波，刘东杰，朱继双

（1 江西省高速公路物资有限公司，江西南昌 330000；2 江西百顺沥青应用新技术有限公司，江西南昌 330000；3 中路交建(北京)工程材料技术有限公司，北京 100176）

随着我国经济的快速发展，各种废弃橡胶制品和塑料制品等数量逐年增加［1-2］。大量的废弃橡胶制品和塑料制品等己经并且会逐渐加剧“黑色污染”和“白色污染”，必将造成日趋严重的环保问题。这种背景下，以废橡胶和废塑料为主对沥青进行改性的研究被国内不少科研院所和高校青睐。当前，SBS改性沥青技术主要用于我国高速道路上，但SBS由于自身材料性能存在着诸多问题，如与沥青的配伍性差、易老化、储存稳定性差等，同时，还需要施工单位具有很高的技术水平来保持其工艺的稳定性，防止改性沥青的性能波动［3］。

近十几年，对于高等级公路建设日新月异，通车里程日益增长，道路管理相关部门面临巨大的养护压力，翻修、加铺等传统养护方式需要耗费大量资金，由于资金缺口，目前有很多公路等待养护。在此情形下，我国公路进入养护时代，预防性养护理念开始被重视［4-5］。薄层沥青罩面技术具有很大的优势，例如覆盖面积广、降低成本、一次性修补到位等优点，可以有效延缓路面一些病害的产生及发展，可以提高路面的使用功能，延长路面使用寿命。针对路面养护技术，许多学者进行了微表处、超薄罩面、薄层罩面等预防性养护技术研究，但目前还存在易老化、储存稳定性差、工序复杂等问题［6］。

东南大学刘芳［7-8］通过有限元软件分析得到，由于薄层罩面表面温度变化较快，导致薄层罩面的表面应力、位移较大。重庆交通大学王小庆［9］分析旧沥青路面病害等产生原因，结合G319沙-青段的养护工程，确定乳化沥青加橡胶沥青的养护方案，得出掺0.3%液体酰胺类抗剥落剂可以有效提高花岗岩破碎卵石与沥青黏附性，橡胶沥青混凝土路面具有良好的抗滑及抗渗水等性能。杜宇兵等［10］对比分析四种常用的沥青路用性能，利用计算机程序Bisar3.0和灰色关联度理论分析得出高黏沥青的性能最优，但由于成本昂贵，故将高黏沥青、橡胶粉和SBS进行复合，提出薄层罩面专用沥青。

虽然国内外己对旧沥青路面加铺薄层罩面养护技术进行了多年的研究，然而对于薄层罩面技术还有很多问题亟待解决。TPE薄层罩面与下承层的粘结力对薄层罩面的路用效果起着关键的作用，上述薄层罩面的研究对与下承层的结合方法研究甚少。本研究将废橡胶粉、废旧热塑性塑料等材料加入到基质沥青中，分析不同橡塑改性剂的掺量和拌和工艺对沥青性能影响，提出高黏高弹TPE改性沥青制备工艺。在材料分子角度进行分析，提出与薄层罩面匹配的粘层方案，解决了薄层罩面常出现的强度低、施工周期长、成本高等问题，为后续薄层罩面专用改性沥青的开发研究提供改进方向。

1 实验部分

1.1 基质沥青

采用秦皇岛产中海油70#基质沥青，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行试验，试验结果见表1。该沥青相关技术指标符合现行规范《公路沥青路面施工技术规范》。

表1 70#基质沥青技术指标及检测数据Table 1 70# Matrix asphalt technical index and test data

1.2 TPE改性剂原材料

①废胶粉：本研究选用了废胶粉(80目)，其物理指标见表2。②废旧塑料：选用目前用量最大的废旧聚乙烯，熔融指数为 1.5g/10min(230℃，2.16kg)。③添加物为白色粉末状增塑剂。稳定剂采用单质硫和一种市售改性沥青稳定剂混合的复合稳定剂，相容剂采用富含芳香分的橡胶油类。

表2 废胶粉的物理性质Table 2 Physical properties of waste rubber powder

TPE改性剂制备：以废橡胶粉、废旧热塑性塑料、有机官能团接枝共聚物、降黏剂、脱硫活化助剂做合理配方搭配制备。配方见表3(A/B/C为废胶粉/废旧热塑性塑料/改性树脂)。

表3 TPE改性剂配方Table 3 TPE modifier formula

1.3 SBS改性沥青

SBS改性沥青采用市售的SBS改性沥青。

1.4 高黏高弹TPE薄层改性沥青的制备

将基质沥青放入160℃烘箱中加热，待沥青烘化后，将沥青放置在搅拌机中，然后添加改性剂。设定剪切条件为温度 160～170 ℃，时间 15～20 min，剪切速率 4000r/min。将TPE改性剂和基质沥青在该条件下剪切混合，经过物理改性制成TPE预制改性沥青。然后在一定温度下发育 30min，制得高黏高弹TPE薄层改性沥青。

2 高黏高弹TPE改性沥青性能研究

沥青性能试验以及混合料性能试验均按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。将酸酐改性苯乙烯类嵌段型热塑性弹性体（简称改性树脂）加入到热的沥青中，在高温及外力的作用下，端基逐渐软化并流动，中间基吸收基质沥青中的软沥青质，体积开始溶胀变大形成海绵状的物质，在常温状态时改性沥青体系中端基硬化形成物理交联，形成稳定的弹性网络体系。通过借助这类改性树脂与沥青的相互作用，对TPE改性剂优化，从而提高改性沥青的性能。样品配方Y1～Y4为高黏高弹TPE改性沥青，Y5～Y10为优化后的高黏高弹TPE改性沥青。

2.1 高温性能

按照交通运输部行业标准，国内常用软化点评价沥青及改性沥青的高温性能。黏度是由于流体分子结构间引力形成内摩擦，外部则表现为抵抗流动的能力。软化点及布氏黏度实验结果见表4。

表4 软化点及布氏黏度实验检测值Table 4 Test values of softening point and Brookfield viscosity

由表4可以看出，在沥青中掺入TPE改性剂后，改性沥青的软化点呈上升趋势，同时发现，随着改性剂中废旧热塑性塑料含量的减少，改性沥青软化点值也随之下降。随着TPE改性剂的加入，改性沥青的布氏黏度值也呈大幅度的提升，同时发现，随着改性沥青中废旧热塑性塑料比例掺量的降低，改性沥青的黏度值也随之降低，另外网络间形成的约束限制了沥青胶质的流动，加大了沥青抵抗高温变形的能力，在相同的温度条件下，为了使沥青有相对位移，必须施加更大的力，结果导致沥青高温变形力的提高［11］。

2.2 低温性能

通过针入度和延度来对改性沥青进行低温性能研究。针入度和延度试验结果见表5。

表5 针入度和延度试验检测值Table 5 Test values of penetration and ductility test

由表5可以看出，经TPE改性剂改性后，针入度明显降低，5℃延度值明显增大。可能是由于加入的胶粉粒子因其尺寸小且数量多，在低温条件下，模量与沥青模量相差较大，从而使应力集中，消耗掉大量能量，出现许多剪切带和银纹，较大胶粉粒子可以阻止单个银纹的生长和断裂，提高了沥青的可塑性，明显改善沥青的低温抗裂性能。此外，由Y7和Y10的对比可以看出，虽然改性沥青的软化点和延度值相差不大，但在Y10中废旧热塑性塑料含量大大降低，在一定程度上节约了成本。

2.3 流变性能

利用SHRP规范中的动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪，来评价TPE改性沥青的流变性能。实验数据见表6和表7。

表6 TPE改性沥青DSR试验数据Table 6 DSR test data of TPE modified asphalt

表7 TPE改性沥青低温参数Table 7 Low temperature parameters of TPE modified asphalt

由表6可知，在随着温度的提升，TPE改性沥青和基质沥青的车辙因子均呈大幅度下降趋势，且在相同温度下，TPE改性沥青的抗车辙因子明显高于基质沥青的抗车辙因子，说明TPE改性沥青具有较好的高温抗变形能力。在热机械力的作用下，TPE改性剂吸收沥青中的轻组分发生溶胀作用使体积增大，开始形成稳定的交联结构，加大了抗沥青胶体的流动性，提升TPE改性沥青的高温变形能力。对比优化后Y7与优化前Y3配方的G*/sinδ，发现其车辙因子大小相当，说明优化前后的改性沥青具有同样好的高温性能。

研究中Y7、Y8和Y9配方中废胶粉含量相同，由表7实验数据可以看出，Y7和Y9配方改性沥青的抵抗高低温抗性能力都略优于Y8改性沥青。可能是在高温情况下，改性树脂和沥青发生混合，改性树脂中的端基-苯乙烯链段开始发生变化，作为中间基的二烯烃链段开始吸收沥青中的沥青质发生溶胀作用，使得体积增大，重新建立一个胶体体系，成为一种同时具有弹性和延伸性且稳定的网状结构，明显改善沥青的性能［12-13］。BBR测试结果表明优化后沥青材料的蠕变劲度S变小，且蠕变劲度斜率m变大，说明优化后的沥青柔性和松弛能力均强于优化前的，优化后低温性能越好。

2.4 储存性能研究

离析实验是分析沥青储存稳定性的一个指标。离析实验结果见表8。

表8 TPE改性沥青离析结果Table 8 Segregation results of TPE modified asphalt

随着TPE 配方中废旧热塑性塑料掺量的减少，上下软化点差先是基本保持不变，之后迅速下降到 3.5℃。主要原因是TPE与沥青体系中存在着明显的相界面，TPE分子链之间排列紧密，分子间作用力加大，废旧热塑性塑料中存在结晶现象，溶剂分子很难打破界面通过热塑性塑料，分子受到晶格的约束作用，难溶于沥青［14］。

通过优化前后的对比，可以看出只有 Y7、Y8和Y10三个配方的改性沥青，上下软化点差值小于2.5℃，可以形成稳定体系。主要是由于稳定剂的加入使改性树脂发生交联反应和接枝反应，降低了改性树脂和沥青之间的表面张力和体系中的吉布斯自由能，在改性树脂和沥青间生成改性树脂沥青，使得改性树脂和沥青更好地结合。

3 结论

（1）高黏高弹TPE改性沥青主要应用在薄层罩面中，与市面常用的高黏改性沥青相比，具有良好的高低温性能，可显著地提高车辆在公路上行驶时稳定性，减少公路噪音，提高车辆行驶的舒适性。

（2）使用高黏高弹TPE改性沥青进行施工，无需特殊设备，施工具有速度快、使用寿命长等优点，不仅可以周期性地恢复原路面被磨耗的厚度，还可以处理路面的一般性破损，尤其在封闭路面龟网裂、防水抗滑、改善路容和增强耐磨性等方面，效果十分良好。

（3）TPE改性剂吸收沥青中的轻组分发生溶胀作用使体积增大，形成稳定的交联结构，加大了抗沥青胶体的流动性，提升TPE改性沥青的高温变形能力和低温抗裂能力。

（4）稳定剂可以使改性树脂发生交联反应和接枝反应，降低了改性树脂和沥青之间的表面张力和体系中的吉布斯自由能，在改性树脂和沥青间生成改性树脂沥青，使得改性树脂和沥青更好地结合，改善沥青的储存稳定性。