橡塑复合改性沥青在碎石封层中的研究与应用

李成斌,袁得杰,祁长有,王 亮,程雪萍

（甘肃省武威公路事业发展中心,甘肃 武威 733000）

0 引言

沥青是碎石封层中重要的黏结材料，其性能直接决定了沥青路面碎石封层的工程质量、路用性能以及使用寿命。随着沥青路面预防性养护要求的提高，交通量快速上升、重载车辆的增加以及极端恶劣的气候条件，普通沥青材料碎石封层已无法承担路面抵抗高温变形、疲劳开裂、低温缩裂、加速老化、水损害等路面病害的快速发展，逐渐不适应沥青路面碎石封层发展的需要。为了满足沥青路面碎石封层实施效果的提升和新型沥青类材料的需要，公路养护工作者纷纷开展对沥青材料的复合改性研究，在沥青材料中添加具有改善沥青材料高低温性能，抗裂性能，抗疲劳性能、抗老化性能的高分子聚合物等材料来提高碎石封层的路用性能，延长使用寿命。

橡塑复合改性沥青采用物理共混原理使SBS改性剂与橡胶粉均匀分布于基质沥青中形成一定的空间网络结构，具有SBS改性沥青和橡胶沥青双重性能特性，起到两种材料在性能上相互增强、增韧、增塑的相互协调、补充效果。橡塑复合改性沥青碎石封层在甘肃省河西荒漠地区夏季高温气候下抵抗变形的性能，冬季低温气候下抵抗荷载裂缝的性能，以及在极端气候下抵抗沥青材料自然老化的性能等方面都有明显提高，且对该地区昼夜温差较大的情况具有温度敏感性较低的特点。有效解决了甘肃省河西荒漠地区沥青路面碎石封层夏季易泛油，冬季易裂缝的问题，提高了沥青路面性能及使用寿命，降低了沥青路面养护成本。

为了寻找一种性能优良、价格适中、适用于甘肃省河西荒漠地区公路沥青路面碎石封层的胶结材料，根据SBS改性沥青和橡胶沥青研究生产的成功经验，鉴于SBS改性沥青和橡胶沥青的各自优势和特性，充分发挥这两种材料的性能优势，取长补短，降低成本，甘肃省武威公路事业发展中心试验检测室通过不断调整配方，自主成功研发生产出橡塑复合改性沥青，并首次应用于G569线K368+300~K369+200段、K385+150~K386+150段沥青路面预防性养护碎石封层实体工程中，经过长期跟踪观测，橡塑复合改性沥青碎石封层路用性能良好，已经超过SBS改性沥青及橡胶沥青碎石封层。

1 橡塑复合改性沥青简介

橡塑（废旧轮胎橡胶粉+SBS改性剂）复合改性沥青是用60目废旧轮胎橡胶粉、高分子聚合物SBS改性剂和适量的助剂、添加剂按一定配比混合，采用直接投入法在橡塑复合改性沥青专用生产加工设备上通过一定生产工艺形成的一种沥青路面新型复合黏结材料。其主要成分为60目废旧橡胶粉、SBS改性剂、增溶剂、稳定剂及其他助剂组成。废旧橡胶粉来源于废旧轮胎，其主要化学成分是天然橡胶和合成橡胶以及具有增强、增韧、增柔、防老化的炭黑、氧化锌、硫磺等材料，这些材料都具有改善沥青性能的作用。SBS是一种优良的沥青改性剂，具有优异的高低温性能和拉伸强度和伸长率。

废旧橡胶粉和SBS改性剂同属高分子材料，在增溶剂的作用下具有较好的相容性，两者复配制备成橡塑复合改性沥青，在稳定剂的作用下具有较好的存储稳定性，加工生产出的橡塑复合改性沥青，一方面可有效改善沥青路面碎石封层的路用性能，同时具有SBS改性沥青和橡胶沥青双重性能特性，起到两种改性材料在性能上相互增强、增韧、增塑的相互协调、补充效果，另一方面可消耗废旧轮胎，解决废旧轮胎带来的环境污染问题，起到废旧材料循环利用、保护自然环境、实现低碳绿色发展目的，符合落实道路交通绿色发展理念和国家倡导的“资源节约型、环境友好型”政策。同时，废旧橡胶粉的利用可减少SBS的用量，起到节约能源的目的。鉴于以上原因，研究应用橡塑复合改性沥青具有很好的社会效益和经济效益，符合当前公路养护需要。

2 橡塑复合改性沥青的制备和加工

2.1 原材料的选择

2.1.1 基质沥青的选择

基质沥青作为生产橡塑复合改性沥青的基础，首先要考虑基质沥青与改性材料的配伍性、标号以及蜡含量这三大问题。基质沥青要选择针入度较大的沥青品种，这类沥青品种具有足够数量的软相沥青质，且芳香族含量较多溶解能力较强，容易形成改性材料与沥青体系均匀结构的共混物。其次选用合适的基质沥青标号，生产加工橡塑复合改性沥青的SBS改性沥青选用I-C级改性沥青，基质沥青一般选用90号沥青。最后要选用含蜡量较低的基质沥青，含蜡量低，基质沥青与橡胶粉、SBS改性剂的相溶性就好，生产出的橡塑复合改性沥青存储稳定性就好，改性效果就理想。

经过对克炼90号、镇海90号、韩国SK90号基质沥青进行试验对比，最终确定采用三者之中25 ℃针入度较大、含蜡量较低，10 ℃延度较好的韩国SK90号基质沥青作为母体基质沥青来制备橡塑复合改性沥青。

2.1.2 橡胶粉的选择

橡胶粉采用精细常温粉碎法加工生产的废旧轮胎橡胶粉。废旧轮胎胶粉具有良好的耐磨性、抗老化性、低温抗开裂能力以及柔软性与弹性，在沥青路面改性时效果更好。其次，废旧轮胎橡胶粉产量大、价格低，不仅可以提高沥青路面的使用性能和使用寿命，还能显著降低成本。

废旧轮胎胶粉细度不同，对改性沥青的改性效果也有所不同。一般轮胎胶粉越细，越容易搅拌均匀，在一定程度上可以缩短反应时间，防止发生离析、沉淀现象。同时，改性沥青中所用的废旧轮胎胶粉也不能过细，细度太高的话会影响橡胶沥青的弹性，甚至失去弹性。经过对40目、60目、80目橡胶粉进行制备橡塑复合改性沥青并进行性能试验，最终确定采用60目的废旧轮胎橡胶粉。

2.1.3 SBS改性剂及其他添加剂

SBS改性剂是以苯乙烯（硬段S）、丁二烯（软段B）为单体组成的三嵌段共聚物，具有优良的低温柔韧性、拉伸强度与变形恢复性能，同时具有良好的加工性能，是理想的沥青改性材料。根据以往生产SBS改性沥青的经验，采用燕山石化公司研制开发成功的SBS改性剂。稳定剂为硫磺。增溶剂为糠醛抽出油。

2.2 配方设计

根据生产SBS改性沥青及橡胶沥青积累的经验，SBS改性剂采用3%、2%、1%三种掺量，废旧轮胎橡胶粉采用14%、12%、10%三种掺量，采用正交试验方法交叉掺配，组合出9种配方，通过对9种配方制备的橡塑复合改性沥青进行针入度、5 ℃延度、软化点、25 ℃弹性恢复试验发现橡胶粉和SBS改性剂对橡塑复合改性沥青性能的影响，总结出SBS改性剂、废旧轮胎橡胶粉与橡塑复合改性沥青性能之间的变化关系，最终寻找一种性能最优的改性材料掺配比例。

在确定SBS改性剂和橡胶粉最佳掺配比例后，采用4%、3%、2%的糠醛抽出油掺量和0.3%硫磺掺量进行储存稳定性试验，最终发现4%糠醛抽出油的加入可以使橡胶粉达到最佳相容效果，大大提高了橡塑复合改性沥青的储存稳定性能。

对所有试验数据进行筛选、分析后最终确定橡塑复合改性沥青最优配方为SBS改性剂3%、橡胶粉10%、糠醛抽出油4%和硫磺0.3%。根据此配方制备的橡塑复合改性沥青的性能如表1所示。

表1 试验检测结果

2.3 性能比较

生产出的橡塑复合改性沥青与SBS改性沥青、橡胶沥青从25 ℃针入度、5 ℃延度、软化点、25 ℃弹性恢复进行试验对比得出试验数据，从表2可以看出橡塑复合改性沥青软化点更高、低温延度更好、材料弹性恢复性能更强，高温抗变形性能、低温柔韧性能、变形恢复性能、抗自然老化性能均超过SBS改性沥青，远优于橡胶沥青，更加适用于甘肃省河西荒漠地区地理、气候条件下的沥青路面碎石封层当中。

表2 性能比较表

2.4 最优加工工艺参数

橡塑复合改性沥青加工过程及参数如下：先在普通搅拌条件下加温至180 ℃后加入SBS改性剂搅拌10 min，接着在180 ℃普通搅拌条件下加入60目橡胶粉继续搅拌10 min，然后在180 ℃条件下加入糠醛抽出油、硫磺及其他添加剂以4 200 r/min，高速剪切80 min，最后在165 ℃条件下普通搅拌发育至气泡消失，最终加工出橡塑复合改性沥青。加工生产工艺流程如图1所示。

图1 橡塑复合改性沥青加工生产参数及工艺流程图

3 橡塑复合改性沥青碎石封层在甘肃省河西荒漠地区的应用

甘肃省河西荒漠地区地处西北干旱区，气候干燥、少雨，全年气温变化较大，夏季温度高，最高可达37 ℃以上，冬季温度低，最低可达-23 ℃以下，且全年日夜温差很大，一年的温度变化高达60 ℃左右，一天内的温度变化可以高达20 ℃左右。面对甘肃省河西荒漠地区极端恶劣的气候条件，对该地区沥青路面碎石封层黏结材料提出了更加严格的要求，基质沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青已经无法满足该地区气候条件下沥青路面碎石封层的路用性能，实施后的沥青路面碎石封层夏季易泛油，冬季易裂缝，降低了碎石封层的路用性能及使用寿命，增加了沥青路面养护成本。

为了解决甘肃省河西地区沥青路面碎石封层夏季易泛油，冬季易裂缝的难题，甘肃省武威公路事业发展中心首次将橡塑复合改性沥青碎石封层应用于该地区代表性路段，G569线K385+150~K386+150段、K368+300~K369+200段共计1.9 km路段用于研究橡塑复合改性沥青碎石封层的路用性能。该次实施路段橡塑复合改性沥青碎石封层原材料均符合甘肃省地方标准《公路沥青路面碎石封层设计与施工技术规范》（DB62/T 3130—2017）[1]中的相关要求。橡塑复合改性沥青洒布量为1.5~1.8 kg/m2，喷洒温度应不低于180 ℃。碎石撒布量为16~18 kg/m2，碎石覆盖率为100%，施工工艺流程与SBS改性沥青碎石封层和橡胶沥青碎石封层相同。

4 橡塑复合改性沥青碎石封层路用性能研究

在实施完成的G569线K368+300~K369+200段0.9 km橡塑复合改性沥青碎石封层路段左、右幅路段设置16处检测点，在G569线K385+150~K386+150段公里路段左、右幅路段设置20处检测点，对路面PCI值、渗水系数、构造深度、层间抗拉拔强度等指标进行了检测，同时与同条件、同路段实施的橡胶沥青、SBS改性沥青碎石封层路段的实施效果进行了比较，发现橡塑复合改性沥青碎石封层呈现如下特点：一是橡塑复合改性沥青碎石封层集料撒布后脱落、掉粒现象较少，成型后基本没有碎石掉粒，改性沥青和橡胶沥青碎石封层成型后不同程度存在掉粒现象，从而体现了橡塑复合改性沥青与石料的黏结力更好；二是橡塑复合改性沥青层间抗拉拔强度比普通改性沥青和橡胶沥青高29.2%，层间抗拉拔强度高；三是橡塑复合改性沥青抑制路面裂缝反射能力更好；四是橡塑复合改性沥青低温抗裂性和高温稳定性更优。

通过对施工现场的长期观测及试验结果的分析发现，橡塑复合改性沥青碎石封层修复路面病害效果好，封水效果强，路面构造深度大，有效提高了碎石封层的水平抗拉性能、结构层抗剪切强度，增强了碎石封层与原沥青路面层间黏结度和沥青与集料的黏附力，有效阻止了高温季节沥青的软化流动，消除了低温季节沥青路面裂缝产生的集中应力。

5 结语

橡塑复合改性沥青，一方面可以有效改善基质沥青性能，同时具有SBS改性沥青和橡胶沥青双重性能特性，起到两种材料在性能上相互增强、增韧、增塑的相互协调补充的效果。另一方面，采用该材料实施的碎石封层在甘肃省河西荒漠地区极端气候条件下具有良好的高温抗流动、抗变形性能，低温抗开裂性能，昼夜温差较大的情况下温度敏感性较小，同时具有较好的抗自然老化性能。结合G569线K368+300~K369+200段、K385+150~K386+150段实施同步碎石封层实施效果来看，橡塑复合改性沥青碎石封层在甘肃省河西荒漠地区沥青路面预防性养护中得到了成功应用，解决了该地区沥青路面碎石封层夏季易泛油、冬季易裂缝的问题，提高了沥青路面性能及使用寿命，降低了沥青路面养护成本，非常适用于甘肃省河西荒漠地区气候条件下沥青路面碎石封层，有很好的应用前景。