温拌橡塑复合改性沥青性能及应用研究*

2022-10-31林昌顺

化学与粘合 2022年5期

林昌顺

（贵阳市城市发展投资集团股份有限公司，贵州贵阳 550025）

引言

橡塑类改性沥青具有良好的弹性恢复、抗疲劳性能及降噪等优点，但同时橡塑沥青的缺陷限制了其应用推广。一方面橡塑沥青储存稳定性差，不利于橡塑性沥青高温储存和长距离运输，限制了橡塑沥青大量生产；另一方面橡塑改性沥青混合料由于沥青黏度大导致拌合温度高，在施工过程中产生大量烟雾对环境造成污染，影响施工质量[1～3]。杨德胜通过高温混炼工艺制备橡胶改性沥青，结果表明，加入相容剂和稳定剂可以提高胶粉的溶胀与分散程度[4]。于江等[5]通过对比掺（Evotherm）温拌沥青混合料和热拌沥青混合料的体积指标，认为Evotherm可以改善混合料的可压实特性；黄刚等[6]通过对掺Sasobit和掺Evotherm的温拌沥青混合料进行室内试验，证实两种温拌剂均可改善混合料的某些路用性能。Joel R.M.Oliveira[7]通过采用表面活性剂对橡胶沥青温拌改性来降低其沥青黏度，结果表明，少量的表面活性剂可降低生产温度30℃，同时对其性能无明显影响。

综上可知，虽然对各种温拌沥青混合料的性能已多有研究，但对橡塑复合改性沥青储存稳定性和混合料施工和易性相结合研究的还较少。本文基于改性沥青储存稳定性和混合料施工和易性，研究温拌橡塑复合改性沥青性能，并结合荧光显微镜、红外光谱仪对橡塑复合改性沥青储存稳定性进行分析，最终对三种温拌橡塑复合改性沥青混合料进行降温效果和路用性能评价。

1 试验材料

1.1 试验原材料

试验采用AH70#沥青，沥青的技术指标如表1所示。

表1 基质沥青技术指标Table 1 The technical index of matrix asphalt

考虑到橡胶粉目数对改性沥青性能的影响[8]，本文采用的脱硫橡胶粉目数为30目，性能技术指标结果如下表2所示。

表2 脱硫胶粉性能技术指标Table 2 The performance specifications of desulfurized rubber powder

根据课题组研究成果，线性低密度聚乙烯（LLDPE）高低温改善效果能同时兼顾，对低温性能不利影响最小，所以本文选用LLDPE与橡胶粉复合改性沥青进行后续试验。由于本文橡塑改性沥青离析问题需要改善，因此采用线性SBS,型号YH-792。增溶剂和稳定剂分别为糠醛抽出油和硫磺。

1.2 温拌剂

降黏型温拌剂90#有机费托蜡(简称FTA)，其状态为白色粉末细粒状；降黏型温拌剂110#有机费托蜡(简称FTB)，其状态为白色固体颗粒状，成分和温拌剂FTA类似，表面活性型温拌剂维什维克（简称C）。

图1 温拌剂种类Fig.1 The types of warm-mixing agents

1.3 橡塑复合改性沥青的制备

根据课题组研究成果稳定型橡塑复合沥青配方为：橡胶粉掺量为16%、LLDPE掺量为2%，SBS掺量为3%、糠醛抽出油掺量为4%，稳定剂掺量为0.3%。当剪切温度为170℃时，先向已熔化的基质沥青中边搅拌边加入PE和SBS，添加完后高速剪切45min，再边搅拌边加入橡胶粉，添加完后进行高速剪切1h，剪切速度为5500r/min，最后将试样放入163℃烘箱中发育1h，橡塑复合改性沥青配方简记为A。在制备温拌橡塑复合改性沥青剪切完成时，保持剪切温度和剪切速率不变，将一定量温拌剂加入橡塑复合改性沥青中剪切10min，完成温拌橡塑复合改性沥青的制备。

2 试验结果与分析

2.1 温拌橡塑复合改性沥青常规性能研究

按1.3完成温拌橡塑复合改性沥青的制备。降黏型温拌剂掺量分别为3%，表面活性型温拌剂掺量为0.5%，测试沥青的软化点针入度、延度、弹性恢复性能指标，评价温拌剂对改性沥青性能的影响，试验结果如表3所示。

表3 温拌橡塑复合改性沥青常规性能Table 3 The conventional properties of warm-mixed rubberplastic composite modified asphalt

（1）两种降黏型温拌剂对软化点都有提高，其中温拌剂FTB对软化点有显著提升。表面活性型温拌剂C对软化点无显著影响。

（2）温拌剂FTB对针入度降低效果比温拌剂FTA强，这跟对软化点提升效果一致。表面活性型温拌剂C对针入度减幅效果不明显。

（3）两种降黏型温拌剂均能降低沥青延度，温拌剂FTB对延度降低比温拌剂FTA明显，表面活性型温拌剂C对延度影响在掺量0.5%时，沥青延度存在峰值。

（4）两种降黏型温拌剂对弹性恢复均逐渐降低，表面活性型温拌剂C对弹性恢复影响较小，表明表面活性型温拌剂对橡塑复合改性沥青弹性回复率无明显影响。

2.2 流变性能分析

对温拌橡塑复合改性沥青进行动态剪切流变试验，试验条件为：温度区间52～88℃，温度梯度为6℃，应变参数为12%，角频率为10 rad/s，试验结果如图2所示，其中的70#JZ表示基质沥青即AH70#沥青。

图2 温拌橡塑改性沥青流变性能Fig.2 The rheological properties of warm-mixed rubber-plastic modified asphalt

相位角δ反映沥青黏性成分与弹性成分比值，δ越大时，沥青性能表现为黏性，受力后可恢复变形越小。车辙因子G/sinδ反映沥青高温抵抗车辙变形能力大小的技术指标，其值与抵抗车辙能力成正相关。由上图可得到如下结论：

（1）随着温度升高，基质沥青相位角随温度变化幅度最小，FTA和FTB温拌橡塑沥青相位角与温度成线性增长变化，C温拌橡塑沥青相位角随温度先缓慢后加快增长。但随着相位角增大，说明各种沥青弹性状态均在向黏性状态改变。

（2）对比橡塑复合改性沥青与温拌橡塑沥青可知，当三种温拌剂加入橡塑沥青后，使橡塑沥青相位角增大，表明温拌剂对橡塑沥青相对黏度有明显的增大趋势，65℃后，表面活性剂对相位角增加速度变快。

（3）当三种温拌剂分别加入橡塑沥青后，对橡塑沥青车辙因子均有不同程度的提升，随着温度的提高，沥青车辙因子逐渐降低，降低趋势逐渐缓慢，可见不论橡塑沥青还是温拌橡塑沥青，其抵抗车辙永久变形能力均随温度提高而降低，沥青均由弹性状态向黏性状态转移。

（4）对于加入表面活性型温拌剂C的橡塑复合改性沥青而言，与不加温拌剂的橡塑复合改性沥青相比，两者曲线基本一致，故基本可以认为温拌剂C对橡塑复合改性沥青车辙因子无明显影响，这与温拌剂C对橡塑沥青软化点影响规律一致。

2.3 温拌橡塑复合改性沥青储存稳定性分析

同时从宏观和微观角度出发，通过研究不同温拌剂对橡塑复合改性沥青储存稳定性影响，对温拌橡塑复合改性沥青储存后上下段沥青进行微观机理分析，分别采用软化点差、荧光显微、红外光谱分析，对比离析试管上下段沥青差异，探索离析机理。

2.3.1 离析试验

针对三种温拌剂三个掺量下对橡塑复合改性沥青储存稳定性分析，探索温拌剂与沥青相容性是否对其软化点差造成影响，温拌剂不同掺量同上。试验结果如下表4。

表4 不同温拌橡塑复合改性沥青软化点差试验结果Table 4 The test results of softening point difference of rubber-plastic composite modified asphalt mixed with different warm-mixing agents

从上表各橡塑沥青软化点差可知，三种温拌橡塑沥青软化点差均满足规范要求。与橡塑沥青软化点对比分析，三种温拌橡塑沥青软化点差没有出现较大波动，可见温拌剂没有不利于橡塑沥青储存稳定性，能均匀地相容于橡塑沥青中并且高温条件下不会发生离析现象。

离析试验虽然操作简单，但是也存在一些问题。首先试验所用的试管直径过小，阻碍了沥青上下的对流，并不能很好地模拟现场大储存容器的储存条件；其次，因为沥青经过改性后，具有良好的抗永久变形性能和应力特性，其流变性能发生了很大的变化，因此采用常规的沥青材料测试方法评价难以得出满意的结论[9]。

离析试验仅从宏观试验说明温拌橡塑沥青储存稳定性没有出现较大变化，其软化点差值得到改善并不能表明温拌橡塑沥青储存稳定性良好，其原因有两点，一是温拌橡塑沥青在热储存过程中，橡胶粉聚集下沉后的试样与PE、SBS上浮后的试样两者对软化点增幅效果接近从而导致软化点差较小。其二为橡胶粉与PE、SBS相互剪切改性过程中两者等效密度与沥青相差不大，温拌橡塑复合改性在热储存过程中改性剂聚集，上浮运动得到限制，改善了离析现象，从而上下部分软化点差较小。为了进一步从本质研究温拌橡塑沥青储存稳定性，采用荧光显微分析和红外光谱分析橡塑沥青微观变化及官能团是否变化。

2.3.2 荧光图像分析

荧光显微试验标本制作采用热压片法，同时为了避免制件误差影响，每组制做两片。将制备好的试样放入软件处理可将显微镜下成像导入电脑中进行着色处理，如颜色，对比度等均影响图像效果。三种温拌橡塑沥青及一种橡塑沥青荧光显微分析图片如下。

图3 温拌橡塑复合改性沥青荧光图Fig.3 The fluorescence images of warm-mixed rubber-plastic composite modified asphalt

（1）分析图（a）和图（b）可以看出，橡胶粉掺入沥青后在沥青中分散不均匀，出现了明显的结团结块现象，较大的块状颗粒分散在沥青中，胶粉与沥青存在清晰的界面，胶粉的溶解和降解效果不佳。这同时也说明了橡塑改性沥青稳定性差、易产生“离析”的现象。

（2）由（b）～（h）图可知，在橡塑复合改性沥青中分别加入三种温拌剂后，胶粉颗粒变小，各组试样上下部分橡胶粉颗粒大小，面积和颗粒数量几乎一致，橡胶粉下沉、聚集现象得到改善，添加温拌剂后的橡塑沥青中改性剂分布相对稍微均匀。

2.3.3 红外光谱分析

为进一步了解改性沥青改性效果及机理，探索温拌橡塑复合改性沥青是否发生了化学改性，采用红外光谱仪研究聚合物改性沥青是否形成某些官能团。本试验涉及的波数范围主要在4000～400cm-1,主要研究含氢原子团物质的分布情况,各种沥青红外对比图如下。

（1）由图4可知，在2915cm-1和2846cm-1处吸收峰强度较强，该处主要是分别由-CH2-伸缩振动的吸收峰，烷烃和环烷烃的C-H键收缩振动导致的，其中2915cm-1处强度最大，此处是-CH2-不对称伸缩振动强度，这两处的吸收峰表明基质沥青中存在大量饱和烃；1594cm-1处吸收峰分别是由两部分引起的，分别为C=N吸收振动和共轭双键C=C引起的，反映出基质沥青中存在芳香族化合物；1450cm-1左右的吸收峰主要是由于-CH3中C-H面内振动收缩造成；1368cm-1处左右的峰是由-CH3剪式振动引起的；773cm-1处周围的峰是由苯环上的C-H振动造成的，该范围也称为苯环取代区。

图4 基质沥青红外光谱Fig.4 The IR spectrum of matrix asphalt

（2）分析图5可得，在2915cm-1和2846cm-1处与基质沥青吸收峰位置大致相同，此处吸收峰为-CH2-伸缩振动及环烷烃等饱和C-H伸缩振动产生，橡塑沥青峰值强度相比基质沥青较小，说明改性沥青中饱和烃含量减少，在改性过程中被橡胶粉等改性剂溶胀吸收；1594cm-1处吸收峰分别为C=N吸收振动和共轭双键C=C引起的，相比而言橡塑沥青中此处峰值强度亦较略微缓和，表明橡塑沥青中存在芳香族化合物相比基质沥青略微减少；1450cm-1和1368cm-1两处吸收峰仅强度减小，主要是由芳环骨架中C=C伸缩振动及-CH2中C-H面内振动收缩造成；970.4cm-1和857.1cm-1两处峰值不同于基质沥青红外光谱图，可能分别由SBS改性剂中聚丁二烯双键和亚甲基-CH2-摇摆振动造成的；773cm-1处峰两种沥青基本相同，是由苯环取代区中苯环上C—H摇摆振动造成的。

图5 橡塑复合改性沥青红外光谱Fig.5 The IR spectrum of rubber-plastic composite modified asphalt

（3）分析图5可知，与基质沥青红外光谱对比，橡塑沥青红外光谱图存在峰值减小和个别新的吸收峰，表明橡塑复合改性沥青在改性过程中是物理改性和化学改性同时存在。

（4）分析图6可以看出，添加温拌剂后，温拌橡塑沥青红外光谱图与橡塑沥青红外光谱图吸收峰没有太大变化，可见温拌剂对橡塑沥青降黏属于物理改性，红外光谱中没有新的吸收峰即说明没有生成新的官能团，温拌改性过程中化学改性不明显。

图6 温拌橡塑复合改性沥青红外光谱Fig.6 The IR spectrum of warm-mixed rubber-plastic composite modified asphalt

3 路用性能分析

通过高温车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验对比分析温拌橡塑复合改性沥青混合料的路用性能。

3.1 高温稳定性

本文通过制备300mm×300mm×50mm车辙板试件，按照我国现行规程进行车辙试验，通过硬橡胶轮反复行走1h，模拟实际道路中受车轮荷载作用，通过动稳定度DS评价高温性能。实验结果如表5所示。

表5 不同温拌橡塑沥青混合料动稳定度结果Table 5 The dynamic stability test results of warm-mixed rubber-plastic asphalt mixture with different warm-mixing agents

由表5可知：温拌橡塑复合改性沥青混合料的动稳定度均满足规范要求。与橡塑沥青混合料动稳定度相比，三种温拌剂分别增加了10.1%、29.4%、11.7%，FTB型温拌剂对橡塑沥青混合料动稳定度增幅明显。

3.2 低温抗裂性

本文采用低温小梁弯曲试验对三种温拌橡塑复合改性沥青低温性能评价,以破坏应变(με)作为混合料低温性能的评价指标。

由表6可知：相比热拌条件下的橡塑沥青混合料，温拌条件下的低温性能分别下降了6.12%、7.09%、5.32%，可见温拌剂降低了橡塑沥青混合料低温性能，FTB型温拌剂对低温性能降低最大，表面活性型对降低低温性能程度最小，FTA降低作用居于二者之间。总体而言，三种温拌橡塑沥青混合料低温性能均略有降低，同时也满足改性沥青规范要求。

表6 不同温拌橡塑沥青混合料低温性能试验结果Table 6 The low temperature performances of warm-mixed rubber-plastic asphalt mixture with different warm-mixing agents

3.3 水稳定性

采用SGC试验制做残留稳定度试验和冻融劈裂试验试件评价混合料水稳定性，以浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比做为水稳定性能评价指标。试验结果分别见表7、表8所示。

表7 温拌橡塑复合沥青混合料浸水马歇尔试验结果Table 7 The immersion Marshall test results of warm-mixed rubber-plastic composite asphalt mixture with different warmmixing agents

表8 温拌橡塑复合改性沥青混合料冻融劈裂试验结果Table 8 The freeze-thaw splitting test results of warm-mixed rubber-plastic composite modified asphalt mixture with different warm-mixing agents

根据上表可知，各沥青混合料残留稳定度比均满足规范要求，与热拌橡塑沥青混合料对比分析可见，三种温拌剂对残留稳定度增加幅度变化不大，增幅程度FTA＞C＞FTB。与未加温拌剂的橡塑沥青混合料对比分析可见，三种温拌剂对劈裂强度比增加幅分别为0.9%、0.5%、0.7%，增幅程度FTA＞C＞FTB。