摘 要

為了提高傳統橡膠改性瀝青的施工和易性與熱貯存穩定性，并進一步增強穩定型橡膠粉改性瀝青的高溫穩定性與低溫延展性，將穩定型膠粉與SBS改性劑進行復配，并研究了不同穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的針入度指標性能和混合料路用性能與疲勞特性。結果表明，2.5%、3.0%SBS改性劑與16%、20%穩定型膠粉復合改性瀝青的針入度介于45～60(0.1mm)、軟化點接近80℃、彈性恢復率大于85%，相較于5%SBS改性瀝青，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青有更優的高低溫性能和抗老化性能;推薦適宜的SBS改性劑摻量為3%、穩定型膠粉摻量為16%~20%;3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料、3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的動穩定度達到了7720、8656次/mm，-10℃低溫最大彎曲應變達到了6415.6、6656.5με，低溫斷裂應變能達到了0.784、0.823kJ/㎡，浸水馬歇爾殘留穩定度比和凍融劈裂強度比均大于95%，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料比5%SBS改性瀝青混合料有更優異的高低溫性能和水穩定性;SBS改性劑的摻入可以顯著改善穩定型膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命，加入穩定型膠粉與SBS復合改性劑后，瀝青混合料具有優異的抗疲勞性能。

關鍵詞 道路工程 | 穩定型膠粉改性瀝青 | 穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青 | 路用性能

引言

目前我國已成為世界上最大的橡膠資源消耗大國和廢舊輪胎產生大國，在當前環保政策許可下如何有效處理每年產生的大量廢舊輪胎是我們亟需解決的問題瀝青網sinoasphalt.com。將廢輪胎膠粉應用于道路材料中，不僅能夠提高瀝青的品質和路用性能，而且可實現廢輪胎的循環利用，是廢輪胎資源化和無害化利用的有效途徑，解決“黑色污染”這一世界性環保難題，廢舊橡膠粉用于改性瀝青也符合我國“綠色交通”與“綠色公路建設”的建設理念要求，具有顯著的社會效益。大量研究和工程實踐表明，橡膠瀝青具有高粘、高彈、溫度敏感性低的特性，廢輪胎膠粉可以有效提高瀝青混合料的高、低溫路用性能，抗疲勞性能、抗車轍、抗水損害，改善瀝青路面的長期服役性能，延長使用壽命，橡膠瀝青路面美觀、噪聲低、維護費用低，有利于節約資源，采用橡膠瀝青是有效解決瀝青路面早期病害發生的主要途徑，也能夠降低建設養護成本。

廢舊輪胎橡膠粉改性瀝青高粘高彈、環保性能能突出，是最有前途替代SBS改性劑的材料，然而傳統橡膠瀝青的應用仍有較多技術難題:①橡膠粉改性瀝青的橡膠粉摻量不大;②橡膠粉改性瀝青的加工技術落后，導致橡膠改性瀝青性能不高，尤其是高溫性能較難適應極端高溫和重載道路使用性能要求;③橡膠粉改性瀝青的制備工藝復雜，只能現改性現用，設備周轉不便;④橡膠粉改性瀝青貯存穩定性差、黏度高，導致其無法工廠化生產和施工難度大，并且施工過程中有大量異味。已對橡膠瀝青和橡膠瀝青混合料進行了較多研究，但對于廢舊橡膠怎樣復合改性的技術研究卻很少，針對上述問題，本文采用特定生產工藝將廢舊膠粉與SBS改性劑進行復配，通過高溫、長時間剪切作用使橡膠粉充分脫硫、降解，以提高橡膠改性瀝青的施工和易性與熱貯存穩定性，通過加入SBS改性劑來彌補穩定型橡膠粉改性瀝青的高溫穩定性與低溫延展性，為了避免穩定性橡膠改性瀝青在制備過程中排放大量刺鼻的有害氣體，在基質瀝青中摻加橡膠粉的同時，也摻加了瀝青質量0.1%的瀝青除臭劑，與此同時，在復合改性瀝青制備過程中采用蓄熱式直燃爐處理+導熱油換熱器+(多管+布袋)干式除塵器進行有害氣體處理。研究成果可為穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青路面的推廣應用提供借鑒。

原材料與試驗方案

原材料

基質瀝青為遼河石化生產的AH－70重交通道路石油瀝青，主要技術指標見表1。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)由北京燕山石化生產，星型SBS改性劑型號為YH－802(SBS4402)，嵌段比S∶B=4∶6，主要技術參數見如下:相對密度0.94g/cm3，拉伸強度23.6MPa，伸長率680%，灰分量＜0.5%，回彈率47%。采用市售深度脫硫活化的60目子午輪胎膠粉，其性能如下:細度60目，相對密度0.297g/cm3，金屬含量0.02%，灰分3.4%，丙酮抽取物2.5%，炭黑含量32.6%，橡膠烴含量53.2%。

穩定性膠粉與SBS復合改性瀝青制備

考慮到摻加橡膠粉后穩定性橡膠瀝青的高低溫性能均比基質瀝青有明顯提升，同時橡膠粉摻量越大，穩定型橡膠瀝青的經濟性越好，因此采用了較大的橡膠粉摻量，試驗研究摻量變化12%、16%、20%、24%共4組橡膠粉摻量;摻加SBS改性劑后，穩定性橡膠瀝青復合SBS改性瀝青的路用性能會進一步提高，但也會增加改性瀝青的生產成本，因此復合改性瀝青中采用了較低的SBS改性劑摻量，經初步試驗確定，每組橡膠粉摻量下變化2.5%、3.0%、3.5%共3組SBS改性劑摻量。

穩定型橡膠改性瀝青生產加工中，基質瀝青既要加熱到較高溫度又要避免長時間高溫造成瀝青老化，因此采用快速升溫罐取代了傳統的浮頭式換熱器、螺旋板式換熱器等換熱裝置，快速升溫罐可在30min內將基質瀝青從120℃加熱到190℃，同時罐內裝有攪拌裝置，高溫報警和低液位報警系統，可使瀝青快速均勻加熱，降低能耗、提高效率、避免局部高溫老化。制備穩定性膠粉與SBS復合改性瀝青時，首先將基質瀝青在快速升溫罐中加熱至165℃，加入預定質量比例的橡膠粉，進入快速預混灌中以500rad/min速率勻速攪拌30min，使橡膠顆粒充分溶脹，然后快速升溫橡膠瀝青共混物至185℃，接著在大功率膠體磨中以5000rad/min速率剪切90min，之后保持185℃~190℃加工溫度，以500rad/min速率攪拌發育4h，完成穩定性橡膠改性瀝青制備。調節加熱溫度至180℃~185℃，在穩定型橡膠改性瀝青中摻加預定質量的SBS改性劑，接著在大功率膠體磨中以5000rad/min速率剪切60min，加入硫磺穩定劑后繼續剪切45min，最后發育60h，完成穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青制備。

為了避免穩定性橡膠改性瀝青在制備過程中排放大量刺鼻的有害氣體，在基質瀝青中摻加橡膠粉的同時，也摻加了瀝青質量0.1%的瀝青除臭劑(除臭劑主要有醇類物質和催化劑兩種成分組成)，與此同時，在復合改性瀝青制備過程中采用蓄熱式直燃爐處理+導熱油換熱器+(多管+布袋)干式除塵器進行有害氣體處理，經檢測尾氣處理后能達到排放標準。

穩定型膠粉復合SBS改性瀝青針入度指標性能

目前尚無橡膠復合SBS改性瀝青技術指標要求，本研究參照JTGF40-2004和交通運輸部《橡膠瀝青路面技術規范》(征求意見稿)中SBS聚合物改性瀝青和橡膠改性瀝青的相關技術指標及要求，采用針入度評價體系中的軟化點、延度、針入度、彈性恢復、離析軟化點差、旋轉粘度等關鍵控制指標研究穩定型膠粉復合SBS改性瀝青的路用性能。針入度體系指標試驗方法、步驟及試驗條件嚴格按照JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》和JTGF40-2004《瀝青路面施工技術規范》進行，試驗結果見表2。

由表2針入度體系評價試驗結果可知:①摻加2.5%、3.0%、3.5%SBR與12%、16%、20%、24%穩定型橡膠粉，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青具有優異的高低溫性能，其中25℃針入度為47~72(0.1mm)，5℃延度為28~53cm，軟化點大于63℃、最大軟化點達到了85℃，25℃彈性恢復率為76.6%～92.8%，將低劑量SBS改性劑與穩定型橡膠粉復配后，按照本文1.2制備工藝生產的穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的針入度指標性能可以滿足JTGF40-2004聚合物改性瀝青SBS(I-C)、SBS(I-D)的技術要求。②分析不同穩定型橡膠粉與SBS改性劑摻量下復合改性瀝青各性能指標變化趨勢，總體上，隨著穩定型橡膠粉和SBS改性劑摻量增大，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的針入度減小，軟化點、5℃延度、彈性恢復率、135℃粘度和離析軟化點差隨穩定型橡膠粉和SBS改性劑摻量增大而增大，表明增大穩定型橡膠粉和SBS改性劑摻量均能改善復合改性瀝青的高低溫性能，但也會導致復合改性瀝青貯存穩定性不良。③在2.5%、3.0%、3.5%SBS改性劑摻量下，穩定型橡膠粉摻量由12%增大至24%，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的針入度分別減小了18、15、17(0.1mm)、針入度減小幅度分別為25%、22.1%、26.6%，軟化點分別增大了12℃、12℃、11℃，軟化點增大幅度分別為19%、16.9%、14.9%，5℃延度增大了11、10、6cm、軟化點增大幅度分別為39.3%、23.8%、13.3%，135℃粘度增大了0.76、1.02、1.01Pa·s、135℃粘度增大幅度為20.6%、25.2%、23.1%，25℃彈性恢復率增大了9.3%、11.5%、10.8%，提高幅度分別為12.1%、14.4%、13.2%，增大穩定型膠粉摻量對復合改性瀝青高低溫性能有明顯的改善作用，但是過多的橡膠粉摻量會導致復合改性瀝青離析軟化點差和粘度增大，導致熱貯存穩定型不滿足橡膠粉改性瀝青離析軟化點差小于3.0℃和135℃運動粘度小于5.0MPa的規范限制要求。由此可見橡膠粉摻量不宜大于20%。④對比不同穩定型膠粉和SBS摻量下復合改性瀝青針入度體系指標變化趨勢，可以發現，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的針入度指標、25℃彈性恢復率指標、135℃延度指標受穩定型膠粉改性劑摻量影響更加顯著，而5℃延度指標、軟化點指標受SBS改性劑摻量影響更為顯著，SBS和穩定型膠粉摻量對離析軟化點差均有顯著影響。⑤相較于20%穩定型膠粉改性瀝青，摻加2.5%、3.0%、3.5%SBS改性劑后，穩定型膠粉改性瀝青的針入度明顯降低，軟化點、延度和彈性恢復率顯著增大，尤其是在2.5%、3.5%SBS改性劑摻量下，2.5%SBS+20%穩定型膠粉、3.0%SBS+20%穩定型膠粉復合改性瀝青的延度比20%延度增大近1倍，軟化點升高約20℃，針入度降低約10(0.1mm)，彈性恢復率增大了約20%，同時穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的離析軟化點差小于3.0℃、135℃運動粘小于5.0MPa，將穩定型膠粉與SBS改性劑復配后既能滿足橡膠粉改性瀝青熱貯存穩定型和施工和易性要求，又能顯著改善穩定型膠粉改性瀝青膠結料的高低溫性能。⑥2.5%、3.0%SBS與16%、20%穩定型膠粉4種復合改性瀝青的針入度介于45~60(0.1mm)、軟化點接近80℃、彈性恢復率大于85%，相較于5%SBS改性瀝青，4種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青有更優的高低溫性能。

綜合考慮穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的高低溫性能、施工和易性與工程經濟性，推薦適宜的SBS改性劑摻量為3%、穩定型膠粉摻量為16%~20%，表3對比了2種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青(A為3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青、B為3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青)、SBS改性瀝青(C)以及20%穩定型膠粉改性瀝青(D)全套針入度技術指標與PG分級指標，由表3可知，4種改性瀝青的針入度體系與PG分級體系評價體系指標結果一致，4種改性瀝青的高、低溫性能排序均為B＞A＞C＞D，2種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青比5%SBS改性瀝青有更優異的高低溫性能和抗老化性能優勢。下文將開展這2種復合改性瀝青混合料的性能研究。

穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料性能

試驗采用JTGF41-2004規范AC-16礦料級配中值。穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料施工工藝與SBS改性瀝青混合料的工藝基本相同，但由于橡膠粉復合改性瀝青粘度較高，因此，橡膠粉復合改性瀝青混凝土的拌合、壓實的溫度需要做適當調整，室內試驗控制集料加熱溫度為190℃，復合改性瀝青加熱溫度180℃，試件成型溫度175℃。按照JTGF40-2004規范要求馬歇爾法設計方法試驗流程確定穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量(OAC)，空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、飽和度(VFA)、馬歇爾穩定度(MS)試驗結果見表4，由表4可知，2種穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料的空隙率滿足JTGF40-2004規范3%~6%、馬歇爾穩定度大于8kN、礦料間隙率大于13.5%和瀝青飽和度VFA介于65%~75%的要求，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度比5%SBS改性瀝青混合料增大了1.3~2.5kN、最佳瀝青用量增大了0.5%~0.7%，但是采用大量廢舊輪胎膠粉替代基質瀝青和SBS改性劑，總體上有較好的經濟優勢。下文在表6最佳瀝青用量條件下按照JTGF40-2004規范要求制備試件，并進行混合料路用性能對比試驗。

穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料高溫穩定性

按照JTGE20-2011《試驗規程》中T0919-2011瀝青混合料車轍試驗評價穩定型膠粉與SBS復合SBS改性瀝青混合料的高溫穩定性，試驗鋼輪接觸壓強0.7MPa，試驗溫度為60℃，結果見表5。由表5可知，①3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料、3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的動穩定度達到了7720、8656次/mm，加載60mm后的總車轍變形量為1.588、1.501mm，穩定性膠粉與SBS復合改性瀝青混合料具有優異的高溫穩定性。②相較于5%SBS改性瀝青混合料，3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料、3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的動穩定度提高幅度達12.8%、25.2%，車轍變形量降低了15.2%、19.8%，2種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料比5%SBS改性瀝青混合料有更優異的高溫穩定性。③2種復合改性瀝青混合料的動穩定度為20%穩定型膠粉改性瀝青混合料的1.83、2.03倍，同時車轍變形量降低了23.3%、27.5%，可見摻加3%SBS改性劑能顯著提升穩定性膠粉改性瀝青混合料的高溫穩定性能，應對我國極端高溫條件下瀝青路面車轍問題，將SBS與穩定型膠粉進行復配是有必要的。

穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料低溫抗裂性能

按照JTGE20-2011《試驗規程》中T0715-2011瀝青混合料彎曲試驗評價穩定型膠粉與SBS復合SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗溫度為-10℃，采用50mm/min速率加載。根據試驗加載過程中的荷載-位移曲線關系并積分獲取試件斷裂應變能，從能量角度評價試穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料的低溫性能，試驗結果見表6。

表6試驗結果表明，①3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料、3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的最大彎曲應變達到了6415.6、6656.5με，遠大于JTGD50-2017《公路瀝青路面設計規范》冬嚴寒區彎曲應變大于3000με的要求，2種復合改性瀝青混合料的低溫斷裂應變能達到了0.784、0.823kJ/㎡，研究認為，當低溫斷裂應變能大于0.65kJ/㎡時，瀝青混合料的低溫抗裂性能較好，綜合最大彎曲應變和斷裂應變能2個評價指標，穩定性膠粉與SBS復合改性瀝青混合料具有優異的高溫穩定性。②相較于5%SBS改性瀝青混合料，3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料、3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的彎拉強度提高幅度達14.5%、20.5%，最大彎曲應變提高幅度達43.6%、49%，斷裂應變能提高幅度達17.9%、23.8%，2種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料比5%SBS改性瀝青混合料有更優異的低溫抗裂性能。③20%穩定型膠粉改性瀝青混合料的最大彎曲應變達到了4154.8με，滿足JTGD50-2017《公路瀝青路面設計規范》冬嚴寒區彎曲應變大于3000με的要求，具有良好的低溫性能，摻加3%SBS改性劑后，20%穩定型膠粉與3%SBS復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度、最大彎曲應變、斷裂應變能相較于20%穩定型膠粉改性瀝青混合料提高了37.3%、60.2%、39.7%，可見摻加3%SBS改性劑能顯著提升穩定性膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料水穩定性

浸水馬歇爾與凍融劈裂強度試驗按照JTGE20-2011《試驗規程》中T0709、T0729試驗方法進行，結果見表7。

由表7可知，經歷1次凍融循環和長時間高溫水浴損傷作用后，4種改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度比和凍融劈裂強度比均大于90%，具有優良的水穩定性。對比發現，2種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度比和凍融劈裂強度比均大于95%，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度、劈裂強度以及浸水馬歇爾殘留穩定度比和凍融均高于5%SBS改性瀝青混合料，表現出了更優異的水穩定性。

穩定型膠粉復合SBS改性瀝青混合料疲勞性能

疲勞性能試驗按照JTGE20-2011《試驗規程》中T0739瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗方法進行，以800、1000με應變水平進行加載，加載頻率10Hz，試驗溫度為20℃，試驗結果見表8。

由表8可見，4種改性瀝青混合料在相同應變水平下的疲勞壽命排序為:3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料(B)＞3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料(A)＞5%SBS改性瀝青混合料＞20%穩定型膠粉改性瀝青混合料，SBS改性劑的摻入可以顯著改善穩定型膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命，加入穩定型膠粉與SBS復合改性劑后瀝青混合料具有優異的抗疲勞性能。在800με應變水平下，3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料(B)、3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的疲勞壽命比5%SBS改性瀝青混合料提高了26.9%、53.2%，在1000με應變水平下，2種復合改性瀝青混合料疲勞壽命比5%SBS改性瀝青混合料提高了63.9%、68.9%。

結論

a.摻加2.5%、3.0%、3.5%SBS與12%、16%、20%、24%穩定型橡膠粉，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青具有優異的高低溫性能，其中25℃針入度為47~72(0.1mm)，5℃延度為28~53cm，軟化點大于63℃、最大軟化點達到了85℃，25℃彈性恢復率為76.6%~92.8%，將低劑量SBS改性劑與穩定型橡膠粉復配后，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青的針入度指標性能可以滿足JTGF40-2004聚合物改性瀝青SBS(I-C)、SBS(I-D)的技術要求。

b.推薦適宜的SBS改性劑摻量為3%、穩定型膠粉摻量為16%~20%，3%SBS+16%穩定型膠粉、3%SBS+20%穩定型膠粉2種穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青比5%SBS改性瀝青有更優異的高低溫性能和抗老化性能優勢。

c.3%SBS與16%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料、3%SBS與20%穩定型膠粉復合改性瀝青混合料的動穩定度達到了7720、8656次/mm，-10℃低溫最大彎曲應變達到了6415.6、6656.5με，低溫斷裂應變能達到了0.784、0.823kJ/㎡，浸水馬歇爾殘留穩定度比和凍融劈裂強度比均大于95%，穩定型膠粉與SBS復合改性瀝青混合料比5%SBS改性瀝青混合料有更優異的高低溫性能和水穩定性。

d.SBS改性劑的摻入可以顯著改善穩定型膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命，加入穩定型膠粉與SBS復合改性劑后瀝青混合料具有優異的抗疲勞性能。