黃 凱

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

近幾年隨著“一帶一路”倡議推進(jìn)，我國(guó)公路建設(shè)重心開(kāi)始西移。西部地區(qū)晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、紫外線(xiàn)強(qiáng)烈，惡劣的氣候條件對(duì)瀝青路面提出了比東部、南部及中部地區(qū)更高的要求，因此西部地區(qū)瀝青路面應(yīng)具備較高的高低溫性能、抗疲勞性能及抗老化性能[1]。通過(guò)對(duì)瀝青改性，可以改善瀝青混合料高低溫性能及抗老化性能，是提高瀝青路面使用性能和耐久性的解決方案[2]。

SBR改性與SBS改性是目前常用的兩種瀝青改性方式，但是由于SBR與SBS的分子結(jié)構(gòu)不同，兩種改性瀝青具備不同的性能特點(diǎn)。大量研究表明：SBR改性瀝青具備優(yōu)良的低溫抗裂性能，但是高溫性能不佳；而SBS改性瀝青具備優(yōu)良的高溫性能，低溫性能相對(duì)較弱，且SBS具備更加優(yōu)良的抗紫外線(xiàn)老化能力[3]。因此可以綜合SBR與SBS改性劑特點(diǎn)，制備適用于西部地區(qū)瀝青路面的復(fù)合改性瀝青。本文將從復(fù)合改性瀝青制備工藝及改性劑摻量出發(fā)，開(kāi)展復(fù)合改性瀝青制備及復(fù)合改性瀝青路用性能研究。

1 原材料

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青采用中石化70#基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 70#基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)表

1.2 SBR改性劑

SBR又稱(chēng)聚苯乙烯丁二烯共聚物，是一種合成橡膠，目前廣泛應(yīng)用于輪胎、電纜及醫(yī)療器械等行業(yè)。作為瀝青改性劑時(shí)，SBS有膠粉、膠塊及乳液三種形態(tài)。本文采用膠粉形態(tài)的SBR作為改性劑，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 SBR主要性能指標(biāo)表

1.3 SBS改性劑

SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，是一種與橡膠性能較為相似的熱塑性彈性體，其具有優(yōu)良的低溫性能與抗拉強(qiáng)度。本文SBS采用巴陵石化生產(chǎn)的線(xiàn)型YH796#SBS，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 YH796#SBS主要性能指標(biāo)表

1.4 穩(wěn)定劑

SBR及SBS均與瀝青存在相容性不足的缺陷，為提高復(fù)合瀝青制備過(guò)程中SBR與SBS在瀝青中的分散程度，本文采用硫磺作為穩(wěn)定劑，改善復(fù)合改性瀝青穩(wěn)定性，硫磺主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 硫磺主要性能指標(biāo)表

2 復(fù)合改性瀝青制備

2.1 復(fù)合改性瀝青制備工藝

由于SBR與瀝青的相容性?xún)?yōu)于SBS，因此制備復(fù)合改性瀝青時(shí)，需先投放SBS改性劑，具體制備流程為：將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃，投入定量的SBS，采用高速剪切機(jī)剪切1 h，然后加入定量的SBR剪切1 h，最后投入定量穩(wěn)定劑剪切20 min(全過(guò)程瀝青溫度控制在160 ℃，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 rpm)。

2.2 改性劑摻量對(duì)瀝青性能的影響

本文復(fù)合改性瀝青制備的改性劑有SBR、SBS及硫磺，為制備路用性能滿(mǎn)足要求的復(fù)合改性瀝青，展開(kāi)改性劑摻量研究。SBR、SBS及硫磺均設(shè)置4個(gè)摻量水平，為提高試驗(yàn)效率，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表

基于正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)參數(shù)制備復(fù)合改性瀝青，并對(duì)改性瀝青進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度及135 ℃黏度，結(jié)果見(jiàn)表6。

采用均值分析法，分析改性劑摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能影響。均值分析法是指對(duì)不同因素相同水平試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行算數(shù)平均，并以該均值評(píng)價(jià)該水平對(duì)瀝青的影響[4]。根據(jù)表6試驗(yàn)結(jié)果，繪制各指標(biāo)均值如圖1～4所示。

表6 復(fù)合改性瀝青正交試驗(yàn)結(jié)果表

由圖1～4可知：

圖1 針入度均值變化趨勢(shì)圖

(1)從針入度來(lái)看，隨SBR、SBS及硫磺三種改性劑摻量增加，復(fù)合瀝青的針入度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榱蚧怯欣谔岣逽BS與SBR與瀝青的相容性，促使兩者發(fā)生溶脹，吸收大量輕質(zhì)組分，使瀝青中的瀝青質(zhì)及膠質(zhì)含量相對(duì)增加，瀝青變“硬”，從而針入度下降。

圖2 軟化點(diǎn)均值變化趨勢(shì)圖

圖3 5 ℃延度均值變化趨勢(shì)圖

圖4 135 ℃黏度均值變化趨勢(shì)圖

(2)從軟化點(diǎn)來(lái)看，隨SBS及硫磺摻量增加，復(fù)合瀝青的軟化點(diǎn)明顯上升，這是因?yàn)镾BS在瀝青中溶脹形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且硫磺有利于提高SBS與瀝青的相容性，因此隨摻量增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)量越多，瀝青高溫穩(wěn)定性越好，軟化點(diǎn)越高。而隨著SBR摻量增加，復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)上升緩慢，說(shuō)明SBR改性劑對(duì)提高瀝青高溫穩(wěn)定性的能力有限。

(3)從5 ℃延度來(lái)看，隨SBS與SBR摻量增加，復(fù)合改性瀝青的延度增加，而延度變化與硫磺摻量無(wú)明顯特征關(guān)系，說(shuō)明SBS與SBR改性劑均有利于改善復(fù)合瀝青的低溫性能。

(4)從135 ℃黏度看，隨SBS與硫磺摻量增加，復(fù)合改性瀝青的黏度增加明顯，而隨SBR摻量增加，復(fù)合改性瀝青的黏度出現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)，規(guī)定改性瀝青的135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度≤3 Pa·s，因此以上各摻量的改性瀝青均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3 影響因素顯著性分析

為探究三種改性劑摻量對(duì)瀝青性能影響的顯著性，采用SPSS軟件對(duì)表5數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。

由表7可知，SBS摻量對(duì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)的影響P值均<0.05，為顯著影響；SBR摻量對(duì)瀝青5 ℃延度的影響P值<0.05，為顯著影響；硫磺摻量對(duì)瀝青針入度與135 ℃黏度的影響P值<0.05，為顯著影響。

表7 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果表(P值)

據(jù)前文各改性劑摻量對(duì)瀝青指標(biāo)的影響規(guī)律與顯著性綜合分析，確定SBR與SBS復(fù)合改性瀝青的SBS摻量為6%、SBR摻量為3.5%、硫磺摻量為0.2%。

3 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能研究

為探究復(fù)合改性瀝青作為結(jié)合料時(shí)混合料的路用性能，本文前文推薦SBS、SBR及硫磺摻量制備復(fù)合改性瀝青作為試驗(yàn)組，以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青作為對(duì)照組展開(kāi)混合料路用性能研究?；旌狭喜捎肁C-13型級(jí)配，高溫性能采用車(chē)轍試驗(yàn)以動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)，低溫性能采用小梁彎曲試驗(yàn)以彎曲勁度模量指標(biāo)評(píng)價(jià)，水穩(wěn)定性能采用凍融劈裂試驗(yàn)以?xún)鋈谂褟?qiáng)度比評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果表

由表8可知：

(1)原樣的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度排序?yàn)镾BS改性瀝青>復(fù)合改性瀝青>SBR改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青；彎曲勁度模量排序?yàn)镾BR改性瀝青<復(fù)合改性瀝青復(fù)合改性瀝青>SBR改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青。這說(shuō)明高溫穩(wěn)定性最好的為復(fù)合改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料，低溫抗裂性最好的為SBR改性瀝青混合料與復(fù)合改性瀝青混合料，水穩(wěn)定性最好的為SBS改性混合料與復(fù)合改性瀝青混合料。由此說(shuō)明，復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出較優(yōu)良的綜合路用性能。

(2)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期熱氧老化后，瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性能均有所劣化，但SBS改性瀝青與復(fù)合改性瀝青的抗老化性能較好。由表8可知，改性瀝青混合料各指標(biāo)老化前后差值排序?yàn)椋篠BS改性瀝青<復(fù)合改性瀝青

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)SBR與SBS復(fù)合改性瀝青制備及其混合料性能研究，得出以下結(jié)論：

(1)針入度隨SBR、SBS及硫磺摻量增加而提高，而軟化點(diǎn)、5 ℃延度及135 ℃黏度隨三者摻量增加而降低，SBS與SBR均有利于改善瀝青的低溫性能，但是提高SBR摻量對(duì)改善瀝青高溫性能的作用有限。

(2)SBS改性劑摻量對(duì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均為顯著影響，SBR摻量對(duì)瀝青5 ℃延度為顯著影響，硫磺摻量對(duì)瀝青針入度與135 ℃黏度為顯著影響，綜合瀝青各指標(biāo)受改性劑摻量變化影響規(guī)律分析，得出復(fù)合改性瀝青改性劑推薦摻量：SBS為6%、SBR為3.5%、硫磺為0.2%。

(3)通過(guò)四種瀝青混合料的路用性能研究可知，復(fù)合改性瀝青混合料的綜合路用性能最佳，且SBS改性瀝青混合料與復(fù)合改性瀝青混合料的抗老化性能較好。