鎖利軍

(山西工程技術(shù)學(xué)院 土木與建筑工程系，山西 陽泉 045000)

0 引 言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了很大的發(fā)展空間[1-2]。高等級公路建設(shè)超過了500萬公里，高速公路通車?yán)锍坛^15萬公里，因此橋梁的數(shù)量也隨之增多[3]。為了滿足橋面變形在兩梁端之間、梁端與橋臺之間的位置上設(shè)置了伸縮縫[4-6]，目的是為了調(diào)節(jié)由車輛荷載和橋梁建筑材料所引起的上部結(jié)構(gòu)之間的位移和聯(lián)結(jié)，伸縮縫的結(jié)構(gòu)及材料屬性對橋梁的壽命和行車的舒適性有著重要的影響，伸縮縫結(jié)構(gòu)一旦破壞后，行車速度、安全會受到很大影響，甚至造成行車事故[7]。目前，橋梁伸縮縫的填充材料多數(shù)為膠結(jié)料[8]，其中瀝青膠結(jié)材料因具有高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性和應(yīng)力松弛性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[9-12]。但統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，伸縮縫用瀝青膠結(jié)材料在某些地區(qū)使用壽命只有2～3年，之后需要頻繁養(yǎng)護(hù)維修，這大大增加了膠結(jié)材料的使用成本[13]。因此，需要對伸縮縫用瀝青膠結(jié)材料進(jìn)行改性，以提高瀝青的性能[14]。閆正和等通過調(diào)整生物油再生劑的摻雜量，研究了生物油再生劑熱再生老化SBS瀝青膠結(jié)料及其混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)隨著生物油再生劑摻量的增加，再生SBS改性瀝青的低溫性能和彈性恢復(fù)率提高，高溫性能降低，其中生物油再生劑的最佳摻量為9%～12%，再生混合料的低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性最佳，但摻量過多則會降低熱再生混合料的高溫抗車轍變形能力[15]。崔榮華選擇將SBS和PPA對基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，對比測試后發(fā)現(xiàn)SBS/PPA復(fù)合改性瀝青的粘度增大，具有更好的高溫穩(wěn)定性及失效溫度，其短期老化性能較差而長期老化性能較好，SBS/PPA復(fù)合改性瀝青中添加穩(wěn)定劑DBP后形成了穩(wěn)定的SBS空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改性瀝青的儲存穩(wěn)定性得到顯著改善，并且SBS/PPA復(fù)合改性瀝青更具有經(jīng)濟(jì)性[16]。廢舊輪胎中的一些成分有利于提高瀝青材料的品質(zhì)，橡膠粉在瀝青中產(chǎn)生的溶脹作用可以增加瀝青的粘度，橡膠改性瀝青材料具有較好的高溫穩(wěn)定性。肖川等結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于廢舊橡膠粉改性瀝青材料的研究成果，對橡膠粉瀝青改性材料的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和探討[17]。SBS是較為常用的改性劑，由剛性的聚苯乙烯段和柔性聚丁依稀段構(gòu)成，摻雜SBS可使瀝青具有較好的彈性、塑性和延展性。張耀[18]制備了兩種SBS/廢舊橡膠粉復(fù)合改性的高粘瀝青材料,并對制得的高粘瀝青材料展開性能研究，結(jié)果表明，兩種高粘瀝青的高低溫性能和感溫性能都隨著各自增粘改性劑摻量的增加而得到改善，北美巖瀝青對瀝青高溫性能的改善效果要好于多聚磷酸，兩種高粘瀝青的高溫性能都好于橡膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青。本文通過添加橡膠粉、SBS改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，并控制改性瀝青制備成本，研究了橡膠粉摻雜量對伸縮縫用改性瀝青膠結(jié)料各項(xiàng)性能參數(shù)的影響，力求制備出最具性價比的復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

基質(zhì)瀝青：70#道路石油瀝青，其參數(shù)指標(biāo)如表1所示，衡水澤浩橡膠化工有限公司；線型SBS：型號為YH-791，拉伸強(qiáng)度為21.5 MPa，斷裂伸長率為851%，熔體流動速率為0.14 g/10 min，山東金耐特環(huán)?？萍加邢薰?；橡膠粉：40目脫硫膠粉，其參數(shù)指標(biāo)如表2所示，衡水奧達(dá)化工橡膠有限責(zé)任公司；穩(wěn)定劑：硫磺，有效成分含量≥99.5%，表觀密度為1.0～1.5 g/cm3，水分含量<0.3%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；增容劑：芳烴油，閃點(diǎn)為230 ℃，運(yùn)動粘度為40 Pa·s，芳烴含量為83%，密度為1.05 g/cm3，衡水奧達(dá)化工橡膠有限責(zé)任公司。

表1 70#道路石油瀝青的參數(shù)指標(biāo)Table 1 Parameters index of 70# road asphalt

表2 橡膠粉的參數(shù)指標(biāo)Table 2 Parameters index of rubber powder

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

首先，稱取450 g 70#基質(zhì)瀝青放入燒杯中，加熱至170 ℃并恒溫1 h保證基質(zhì)瀝青完全熔融；其次，稱取占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的SBS改性劑加入到基質(zhì)瀝青中；接著，將占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的增容劑芳烴油逐次加入到瀝青中，均勻攪拌25 min；然后，將占基質(zhì)瀝青不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%，10%，15%和20%)的橡膠粉加入到熔融狀態(tài)的瀝青中，利用高速剪切儀在180～200 ℃的溫度下進(jìn)行混合，保證橡膠粉和SBS改性劑混合均勻，固定剪切速率為2 000 r/min，剪切時間為60 min，當(dāng)發(fā)現(xiàn)橡膠粉開始膨脹，粘度逐漸增大，攪拌變得困難時，開始逐步加入占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的硫磺穩(wěn)定劑，給定5 000 r/min的剪切速率高速剪切10 min，溫度保持在170～180 ℃；最后，剪切完成后放入150 ℃的烘箱溶脹發(fā)育1 h，即得不同橡膠粉摻雜量的復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。

2 結(jié)果與討論

2.1 針入度測試

圖1為樣品的針入度測試結(jié)果，1～6#樣品分別代表基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、(5%，10%，15%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。從圖1可以看出，基質(zhì)瀝青的針入度最高為57.5/0.1 mm，SBS改性劑和橡膠粉摻入后改性瀝青的針入度均出現(xiàn)降低，隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青針入度持續(xù)降低，當(dāng)膠粉摻雜量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的針入度最小為40.5/0.1 mm。分析原因?yàn)镾BS改性劑在高速剪切作用下形成細(xì)小顆粒，并形成SBS改性劑分散相均勻分布，這些分散相與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，會降低瀝青整體的自由能，阻礙了分子間的相對運(yùn)動，導(dǎo)致針入度下降。橡膠粉摻雜到瀝青中后，與輕質(zhì)油分吸附結(jié)合，在高溫處理后橡膠粉體積膨脹并貫穿分布在瀝青基體中，阻礙了分子的相對運(yùn)動，并且摻雜量越多，改性瀝青的針入度越低。

圖1 基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的針入度Fig 1 Penetration of matrixasphalt,SBS modified asphalt and rubber powder/SBS composite modified asphalt binder

2.2 軟化點(diǎn)測試

圖2為樣品的軟化點(diǎn)測試結(jié)果，1～6#樣品分別代表基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、(5%，10%，15%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。從圖2可以看出，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)最低為50.7 ℃，隨著SBS改性劑和橡膠粉的摻入，改性瀝青的軟化點(diǎn)均得到了提高，其中橡膠粉/SBS復(fù)合改性的瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)要高于SBS改性瀝青。隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)先升高后降低，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，軟化點(diǎn)達(dá)到最大值64.8 ℃。分析原因?yàn)镾BS改性劑的摻雜能夠與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，穩(wěn)定劑能夠促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)形成穩(wěn)定體系，這種穩(wěn)定的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)會提高瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)。橡膠粉摻雜后的改性機(jī)理和SBS改性劑類似，惰性的橡膠粉能夠在高溫和硫磺的促進(jìn)作用下與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)，并且橡膠粉之間也會發(fā)生交聯(lián)，不僅提高了橡膠粉之間的韌性和強(qiáng)度，也改善了復(fù)合改性瀝青整體的穩(wěn)定性，提高了軟化點(diǎn)。但當(dāng)橡膠粉摻雜量過多時，過量的橡膠粉會在局部聚集，在高溫和穩(wěn)定劑的作用下發(fā)生軟化，且熱氧化反應(yīng)能夠使橡膠粉顆粒膨脹導(dǎo)致分子鏈斷裂，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)被撐開，從而使軟化點(diǎn)降低。

圖2 基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)Fig 2 Softening point of matrixasphalt,SBS modified asphalt and rubber powder/SBS composite modified asphalt binder

2.3 延度測試

延度是表征瀝青塑性變形能力的重要指標(biāo)，延度越大，則改瀝青材料的塑性越好，抗變形能力越強(qiáng)。圖3為樣品的延度測試結(jié)果，1～6#樣品分別代表基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、(5%，10%，15%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。從圖3可以看出，基質(zhì)瀝青的10 ℃延度測試值最低為14.2 cm，隨著SBS改性劑和橡膠粉的摻入，改性瀝青膠結(jié)料的延度均得到了提高。隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的延度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的延度最大為18.1 cm，相比基質(zhì)瀝青，延度提高了27.46%。這是因?yàn)镾BS改性劑和基質(zhì)瀝青在高溫下可以發(fā)生較好的交聯(lián)反應(yīng)形成海綿狀膠體，這種結(jié)構(gòu)提高了瀝青的低溫抗變形能力，從而延度增加。橡膠粉/SBS復(fù)合改性的效果要優(yōu)于單SBS改性，這是因?yàn)橐徊糠窒鹉z粉能夠與基質(zhì)瀝青形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來提高瀝青材料的塑形，一部分橡膠粉能夠與基質(zhì)瀝青在高溫下溶脹吸附，瀝青和橡膠粉顆粒的界面逐漸模糊，并形成凝膠狀物質(zhì)，這種固狀物的存在會增強(qiáng)改性瀝青的穩(wěn)定性，改善改性瀝青的抗變形能力。

圖3 基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的延度Fig 3 Ductility of matrixasphalt,SBS modified asphalt and rubber powder/SBS composite modified asphalt binder

2.4 粘度測試

圖4為樣品的粘度測試結(jié)果，1～6#樣品分別代表基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、(5%，10%，15%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。從圖4可以看出，基質(zhì)瀝青的粘度最低為375 Pa·s，隨著SBS改性劑和橡膠粉的摻入，改性瀝青的粘度得到了明顯改善，其中橡膠粉/SBS復(fù)合改性的瀝青膠結(jié)料的粘度要高于SBS改性瀝青。隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的粘度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的粘度最大為751 Pa·s，相比基質(zhì)瀝青，粘度提高了100.27%。

圖4 基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的粘度Fig 4 Viscosity of matrixasphalt,SBS modified asphalt and rubber powder/SBS composite modified asphalt binder

2.5 熒光顯微鏡測試

圖5為改性瀝青膠結(jié)料的熒光顯微鏡測試圖，黃綠熒光色代表橡膠粉顆粒和SBS顆粒。從圖5(a)可以看出，SBS改性劑在基質(zhì)瀝青中的分散性較好，SBS顆粒分布均勻，沒有出現(xiàn)大顆粒黃綠熒光色物質(zhì)。從圖5(b)可以看出，隨著少量橡膠粉的摻入，出現(xiàn)較大顆粒的黃綠熒光色物質(zhì)，橡膠粉顆粒和SBS顆粒分布均勻，說明SBS在基質(zhì)瀝青中的分散性要稍微優(yōu)于橡膠粉。從圖5(c)可以看出，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，復(fù)合改性瀝青的顆粒細(xì)小，SBS和橡膠粉分散良好，沒有發(fā)生明顯的交聯(lián)。從圖5(d)可以看出，當(dāng)橡膠粉的摻雜量增加到25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，橡膠粉出現(xiàn)了明顯的交聯(lián)，這是因?yàn)橄鹉z粉摻雜過多，橡膠粉之間及橡膠粉與瀝青顆粒之間產(chǎn)生較大的作用力，且瀝青和橡膠粉的極性作用過大，導(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)，分散性變差。

圖5 改性瀝青膠結(jié)料的熒光顯微鏡測試圖(×400)(a)SBS；(b)5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉/SBS；(c) 15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉/SBS ；(d)20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉/SBSFig 5 Fluorescence microscope test diagrams of modified asphalt binder(×400)

2.6 FT-IR測試

圖6為樣品的紅外光譜測試結(jié)果，1～6#樣品分別代表基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、(5%，10%，15%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料。

從圖6可以看出，基質(zhì)瀝青的吸光度最小，在2 920和2 951 cm-1處的吸收峰均為反對稱CH2基團(tuán)伸縮振動產(chǎn)生的特征峰，在2 948 cm-1處的吸收峰為對稱CH2亞基團(tuán)的振動特征峰。3～6#樣品為橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，在2 919.5 cm-1處的吸收峰為反對稱亞甲基CH2的振動吸收峰，對稱亞甲基CH2的振動吸收峰在2 850.6 cm-1處，在 2 360.1 cm-1處為CO2吸收峰，在1 457.5 cm-1處為對稱形式CH3烷烴彎曲振動頻譜，在727.6和807.1 cm-1處分別為CH2平面振動的吸收峰和苯環(huán)上C-H鍵的吸收峰。整體來看，橡膠粉改性瀝青的吸光度隨著橡膠粉摻雜量的增加而降低，所有改性橡膠粉的特征峰位置沒有發(fā)生改變，僅是強(qiáng)度發(fā)生變化，說明復(fù)合改性瀝青并沒有產(chǎn)生新物質(zhì)，改性過程屬于物理改性[19]。

圖6 基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的FT-IR圖譜Fig 6 FT-IR spectra of matrixasphalt,SBS modified asphalt and rubber powder/SBS composite modified asphalt binder

2.7 老化性能測試

表3為基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料老化前后的指標(biāo)測試數(shù)據(jù)。從表3可以看出，所有瀝青膠結(jié)料在老化處理后針入度均出現(xiàn)降低，軟化點(diǎn)升高，延度降低，粘度升高。在老化處理后基質(zhì)瀝青的針入度下降幅度最大為45.04%，僅采用SBS改性的瀝青和不同摻雜量橡膠粉/SBS復(fù)合改性的瀝青在老化處理后下降幅度遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青，15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉/SBS摻雜的改性瀝青的針入度降幅最小僅為10.07%。老化處理后瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)均升高，延度均出現(xiàn)了不同程度的降低，基質(zhì)瀝青在老化后延度降低最大為72.54%，橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的降幅要小于基質(zhì)瀝青，且15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉/SBS改性瀝青的降幅最低為10.49%，要明顯小于SBS改性瀝青的46.31%。所有瀝青膠結(jié)料在老化處理后粘度均出現(xiàn)明顯增高，其中基質(zhì)瀝青升高了36.8%，SBS改性瀝青上升了30.56%，橡膠粉/SBS改性瀝青的上升幅度小于SBS改性瀝青，其中15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉/SBS改性瀝青膠結(jié)料的上升幅度最小為6.92%。從數(shù)據(jù)來看，無論是SBS單獨(dú)改性瀝青還是橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，其抗老化性能均得到了顯著改善，橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的效果優(yōu)于SBS改性瀝青。隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能先增大后降低，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，抗老化性能最佳。分析其原因?yàn)闉r青材料老化處理過程中，瀝青中的飽和組分會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷憬M分，還有向膠質(zhì)和瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變的趨勢，并且由于溫度較高和氧的作用下，瀝青材料還會發(fā)生熱聚合反應(yīng)和氧化反應(yīng)，很容易在基質(zhì)中形成高分子量的膠團(tuán)，這種高分子量的膠團(tuán)增多使瀝青變脆，導(dǎo)致針入度和延度降低，軟化點(diǎn)和粘度升高。當(dāng)SBS改性劑或橡膠粉摻入后，在熱和氧環(huán)境下SBS改性劑或橡膠粉會發(fā)生降解反應(yīng)并和基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之間的相互作用力降低了瀝青的溫度敏感性，增強(qiáng)了抗老化性能。

表3 基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料老化前后的指標(biāo)測試數(shù)據(jù)Table 3 Index testdatas of matrix asphalt,SBS modified asphalt and rubber powder/SBS composite modified asphalt binder before and after aging

3 結(jié) 論

(1)SBS改性劑和橡膠粉摻入后改性瀝青的針入度均出現(xiàn)降低，而軟化點(diǎn)、延度和粘度均得到了提高。隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青針入度持續(xù)降低，軟化點(diǎn)、延度和粘度先升高后降低。當(dāng)膠粉摻雜量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，復(fù)合改性瀝青膠結(jié)料的針入度最小為40.5/0.1 mm；當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，軟化點(diǎn)、延度和粘度均達(dá)到最大值，分別為64.8 ℃，18.1 cm和751 Pa·s。這是因?yàn)镾BS改性劑和橡膠粉的摻雜能夠與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而善了改性瀝青整體的穩(wěn)定性。

(2)SBS改性劑在基質(zhì)瀝青中的分散性要稍微優(yōu)于橡膠粉，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，復(fù)合改性瀝青的顆粒細(xì)小，SBS和橡膠粉分散良好，沒有發(fā)生明顯的交聯(lián)；當(dāng)橡膠粉摻雜過多時，橡膠粉之間及橡膠粉與瀝青顆粒之間產(chǎn)生較大的作用力，導(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)，分散性變差，改善效果減弱。

(3)基質(zhì)瀝青的吸光度最小，復(fù)合改性瀝青的吸光度隨著橡膠粉摻雜量的增加而降低，所有改性橡膠粉的特征峰位置沒有發(fā)生改變，復(fù)合改性瀝青沒有產(chǎn)生新物質(zhì)，改性過程屬于物理改性。

(4)所有瀝青膠結(jié)料在老化處理后針入度均出現(xiàn)降低，軟化點(diǎn)升高，延度降低，粘度升高。SBS改性劑和橡膠粉摻入后，改性瀝青的抗老化性能均得到了顯著改善，橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的效果優(yōu)于SBS改性瀝青，隨著橡膠粉摻雜量的增加，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能先增大后降低，當(dāng)橡膠粉的摻雜量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，抗老化性能最佳。