張東長,李 亞

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

國內(nèi)道路交通流量急劇增加，對(duì)道路面層強(qiáng)度、高溫性能和耐久性等性能有了更高的要求[1].添加改性劑能有效改善傳統(tǒng)瀝青的使用性能，現(xiàn)階段單一改性效果較好的改性劑有SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和橡膠粉[2-3].在已有的研究中，俄國伏爾加格勒交通部門采用橡膠粉改性瀝青鋪設(shè)路面,以減少路面結(jié)冰引起的交通事故；英國在薩里郡交通荷載繁重的道路上鋪設(shè)SBS改性瀝青；國內(nèi)對(duì)SBS和橡膠粉改性瀝青的制備也比較成熟[4-5].需要注意的是二者在應(yīng)用中仍有很多不足之處：SBS和橡膠粉均不能有效與基質(zhì)瀝青融合相容，單一改性后的瀝青穩(wěn)定性差，極易產(chǎn)生離析，未使用穩(wěn)定助劑的情況下改性效果不理想[6-8]；摻入大量價(jià)格昂貴的SBS改性劑導(dǎo)致建設(shè)成本劇增，橡膠粉雖能有效降低成本，但其高溫性能差[9].針對(duì)以上不足，賈成賀、王志剛、高占華等[10-12]相繼提出將SBS和橡膠粉作為復(fù)合改性劑來生產(chǎn)SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青，還發(fā)現(xiàn)將SBS和橡膠粉共同使用，不僅能利用大量的廢輪胎橡膠以減輕環(huán)境污染，降低改性瀝青中昂貴的SBS改性劑使用量，而且其使用性能較普通瀝青高，適用于修建高等級(jí)路面.

1 復(fù)合改性機(jī)理

SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青主要由橡膠粉、SBS和基質(zhì)瀝青組成，必要時(shí)可添加穩(wěn)定劑.由于SBS和橡膠粉均與基質(zhì)瀝青相容性差，且SBS與橡膠粉之間無化學(xué)物理作用，故復(fù)合改性機(jī)理由SBS改性機(jī)理和橡膠粉改性機(jī)理共同作用疊加而成.溶脹作用和相容作用是SBS和橡膠粉在基質(zhì)瀝青中主要發(fā)生的反應(yīng)[13].

橡膠粉和SBS以顆粒狀態(tài)懸浮于瀝青中，通過吸附基質(zhì)瀝青中的部分油分，表面擴(kuò)張膨脹形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；橡膠粉顆粒表面形成一層光滑的凝膠膜，增加其與基質(zhì)瀝青的耦合面積.這種方式不僅可以在一定程度上加大瀝青黏度，也可改善改性瀝青對(duì)環(huán)境溫度的敏感性[14].SBS屬于橡膠類聚合物，有效增大瀝青中膠質(zhì)的質(zhì)量占比，在SBS分子與瀝青分子間產(chǎn)生相互作用力，促使瀝青從膠體結(jié)構(gòu)向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.

為透徹掌握SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青的改性機(jī)理，國內(nèi)多位學(xué)者通過微觀結(jié)構(gòu)分析和宏觀表現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了深入研究.黃成武[15]采用掃描電鏡觀察復(fù)合改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)橡膠粉顆粒和SBS鏈段聯(lián)系緊密，有序地分布于基質(zhì)瀝青中且沒有出現(xiàn)各自聚集成塊的情況；根據(jù)紅外光譜圖像對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性瀝青的紅外光譜基本上是由基質(zhì)瀝青、SBS和橡膠粉改性劑的紅外光譜疊加而成，從而表明橡膠粉、SBS與基質(zhì)瀝青三者之間相互沒有明顯的化學(xué)反應(yīng)，以各自的物理形態(tài)融聚.韋大川等[16]對(duì)復(fù)合改性瀝青截面的微觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SBS和橡膠粉在基質(zhì)瀝青中均勻分散并能相容并存，三者的物理結(jié)構(gòu)相互連接，其改性效果大大提高.

2 制備工藝

目前橡膠粉改性瀝青的制備工藝有干法和濕法，均采用低速攪拌.SBS改性瀝青采用高速剪切研磨生產(chǎn)，二者工藝截然不同，因此對(duì)制備工藝的選擇直接影響SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量.郭吉坦等[17]通過改變添加SBS與橡膠粉的先后順序，制備不同的復(fù)合改性瀝青，并測(cè)定其三大指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比分析，確定SBS與橡膠粉的最佳添加順序和制備工藝，即先在基質(zhì)瀝青中添加SBS進(jìn)行高速剪切和膨脹發(fā)育，再在發(fā)育好的SBS改性瀝青中，摻入橡膠粉，進(jìn)行低速攪拌.劉貞鵬[18]以SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青的高溫性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定適用于高溫環(huán)境的制備工藝，即開始在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉，進(jìn)行人工低速攪拌，使其分散均勻，然后用高速剪切機(jī)快速剪切30 min，再加入SBS改性劑與橡膠瀝青共混物，共同剪切30 min，最后簡易攪拌30 min，進(jìn)行膨脹發(fā)育，生成最終的SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青.

河北省張承高速公路率先將SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青應(yīng)用于實(shí)際高等級(jí)公路工程.為了提高復(fù)合改性瀝青質(zhì)量，使其達(dá)到高速公路面層要求，考慮復(fù)合改性瀝青中SBS和橡膠粉抗剪切能力的不同，對(duì)傳統(tǒng)制備工藝進(jìn)行改進(jìn).如圖1所示.在熱瀝青中，摻入SBS改性劑進(jìn)行高速剪切與膨脹發(fā)育，然后摻入橡膠粉共同剪切發(fā)育，生成最終的復(fù)合改性瀝青；在多重高剪切作用下，SBS和橡膠粉被研磨的極細(xì)，且在基質(zhì)瀝青中分散均勻，從而顯著提高了瀝青的改性效果和儲(chǔ)存穩(wěn)定性[12].復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和相容性還與穩(wěn)定劑的先后添加順序有關(guān)，復(fù)合改性瀝青中后加穩(wěn)定劑的性能更優(yōu)，并具有很好的重復(fù)性[19].

圖1 張承高速公路SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青制備工藝

3 復(fù)合改性瀝青的性能

3.1 高溫性能

摻入SBS和橡膠粉能有效提高瀝青的高溫性能，有利于減少瀝青路面車轍和波浪等永久性變形.陳莉[20]通過不同摻量組合的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瀝青的針入度和延度在摻入橡膠粉和SBS后都有明顯的改善，其針入度較基質(zhì)瀝青均變小，5 ℃延度明顯升高.但是，隨著橡膠粉和SBS摻量比例逐漸改變，復(fù)合改性瀝青的針入度和5 ℃延度取值差異較大；在固定的橡膠粉摻量情況下，其針入度隨SBS含量增加而減小，5 ℃延度變化量則與SBS含量多少成正相關(guān)關(guān)系.

在橡膠粉外摻量不變的情況下，SBS的添加量和形狀對(duì)復(fù)合改性瀝青的高溫性能產(chǎn)生不同的影響.楊平文等[21]在基質(zhì)瀝青中摻入18%的橡膠粉，并分別摻入低于2%的線型和星型SBS，進(jìn)行復(fù)合改性研究，發(fā)現(xiàn)SBS添加量越多，則復(fù)合改性瀝青的高溫性能改善效果越明顯，表明了SBS是復(fù)合改性瀝青高溫性能的主要決定因素；在摻量比例相同時(shí)，線型SBS的低溫性能改善程度比星型SBS好，但高溫性能弱于星型SBS，可根據(jù)實(shí)際性能需求進(jìn)行選擇.黃成武[15]通過對(duì)普通瀝青和不同類型改性瀝青的熱重及差熱(TG/DSC)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)橡膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的余留量均高于基質(zhì)瀝青的余留量，復(fù)合改性瀝青的余留量僅次于SBS改性瀝青，從而表明摻入SBS橡膠粉復(fù)合改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的熱穩(wěn)定性有很大的改善作用.

3.2 抗老化性能

SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青老化是環(huán)境和自身材料性能共同作用的結(jié)果，使得瀝青組分向重質(zhì)化方向轉(zhuǎn)變.向麗[22]通過紅外線光譜分析復(fù)合改性瀝青的老化過程發(fā)現(xiàn)，瀝青組分中的碳鏈鍵發(fā)生斷裂并在氧氣作用下生成羰基，在環(huán)境熱量和氧氣雙重作用下瀝青中的硫元素轉(zhuǎn)化為亞砜基，生成的極性物質(zhì)導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生極大變化，瀝青中原有的膠體結(jié)構(gòu)向重質(zhì)化改變.對(duì)老化前后基本性質(zhì)和動(dòng)態(tài)流變學(xué)指標(biāo)對(duì)比分析可知，基質(zhì)瀝青和不同類型的改性瀝青抗老化性能改善效果依次為：橡膠粉改性瀝青>SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青.這表明在基質(zhì)瀝青中添加SBS和橡膠粉改性劑都能不同程度地改善抗老化性，而復(fù)合改性瀝青的抗老化改善效果較好，能滿足實(shí)際工程要求.涂娟等[23]在成品SBS改性瀝青中添加不同含量的橡膠粉來分析其對(duì)復(fù)合改性瀝青抗老化性的提高程度，發(fā)現(xiàn)添加橡膠粉可顯著改善SBS改性瀝青的耐熱老化性和紫外老化性，橡膠粉含量越多則復(fù)合改性瀝青抗老化性越好，從而說明復(fù)合改性瀝青中橡膠粉是改善抗老化性的主要因素.

3.3 路用性能

由于SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青具有很好的抗滑性和降噪效果，可將其應(yīng)用于城市道路.與傳統(tǒng)未改性的瀝青路面對(duì)比，添加橡膠粉的瀝青路面可消減環(huán)境交通噪音1～5 dB，具有良好的降噪效果，且其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建造減噪墻的費(fèi)用[24].韋大川[25]設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青和SBS改性瀝青兩種路面的交通噪音，并進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)行車車輛的駕駛速度越快，復(fù)合改性瀝青路面的噪音消減能力較普通瀝青路面越強(qiáng)，可削弱1.5 dB.朱平[26]自主研制了適用于透水路面的大空隙SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料，并測(cè)試其路用性能，測(cè)定復(fù)合改性瀝青透水路面的抗滑值和構(gòu)造深度，發(fā)現(xiàn)其抗滑值和構(gòu)造深度值比未改性的瀝青路面大得多；此外自主配制的大空隙混合料的高溫性能和低溫性能改善效果良好，瀝青中由于添加SBS和橡膠粉使得瀝青黏度和吸能能力增加，顯著提高大空隙復(fù)合改性瀝青的水穩(wěn)定性和抗疲勞性.楊光[27]研制了適用于季凍區(qū)的SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青路面，在特定摻配比下，其低溫性能表現(xiàn)優(yōu)良，低溫環(huán)境下的耐久性和抗凍融性能大大改善，可擴(kuò)大復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用范圍，并降低季凍地區(qū)的道路建設(shè)成本.

4 結(jié)語

SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，能有效緩解車轍病害，其優(yōu)異的低溫性和抗老化性可延長瀝青的使用壽命，替代現(xiàn)階段常用的聚合物改性瀝青.將其應(yīng)用于高等級(jí)路面工程中，既降低路面建設(shè)初期投入和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，又延長道路使用壽命和節(jié)約營運(yùn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景.但目前對(duì)于SBS橡膠復(fù)合改性瀝青的研究和制備仍有很多待提高之處，未來研究中可以在以下兩個(gè)方面進(jìn)行突破：1)研發(fā)有效的增溶劑，促進(jìn)SBS、橡膠粉和基質(zhì)瀝青三者之間互容，減輕復(fù)合改性瀝青的離析現(xiàn)象；2)制備黏度大的SBS橡膠粉復(fù)合改性瀝青，替代進(jìn)口高黏瀝青，并應(yīng)用于城市排水路面，從而既能達(dá)到城市路面排水效果，又在很大程度上減輕城市噪音污染.

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