双改性新工艺对大孔隙沥青混合料性能的影响

周 勇，戴伟军，罗晓枫，沈 贤，沈菊男

(1.常州市新北区市政绿化管理所，江苏 常州 213100；2.苏州科技大学，江苏省生态道路产业化研究中心，江苏 苏州 215009)

1 概述

随着公路交通的飞速发展，各式车辆更新换代迅速，因而产生大量废旧轮胎，伴随而来的废旧轮胎处理问题亦日益严峻。废旧轮胎的主要成分为橡胶，橡胶是一种高分子材料，很难在环境中自然分解。如果不采用合理方式对其进行处理，不仅会带来资源浪费的问题，还会带来严重的环境污染问题。石油沥青和橡胶在性质上同属高分子有机材料，具备一定程度的天然亲和性。已有研究表明，将废旧轮胎制成橡胶粉掺加到沥青中，不仅能有效利用废旧轮胎资源，减少对环境的污染，还能明显提高沥青的性能[1]。目前，橡胶粉用于沥青混合料的改性工艺有两种，即干拌法和湿拌法[2]。湿拌法是将橡胶粉直接投入沥青中高速剪切，生产得到橡胶粉改性沥青，再与集料搅拌生产得到湿拌法橡胶粉改性沥青混合料。干拌法是直接将橡胶粉、集料及改性沥青投入混合料搅拌锅内搅拌，生产得到干拌法橡胶粉改性沥青混合料。两种拌和工艺各有优劣[3]。湿拌法技术及工艺相当成熟，且生产出的混合料路用性能稳定，但生产工艺复杂，生产过程中还会产生大量烟气，污染环境。而干拌法生产设备简单，施工方便，生产过程中产生的烟气较少，但生产出的混合料性质不稳定[4]。但出于环保需求，实际工程中需要选用干拌法橡胶粉改性沥青混合料生产工艺。但两者工艺生产出的橡胶粉改性沥青混合料路用性能具体差异之处研究较少，且差异内因尚不明确。

目前，大孔隙沥青混合料因其良好的排水，降噪和抗滑表面性能，越来越受到人们的重视。改性高黏沥青是保证大孔隙沥青混合料性能特别是抗老化耐久性的重要保证。SBS和橡胶粉是常用的沥青改性剂。为了既能利用废旧料节省改性成本，又能提高改性效果，利用SBS和橡胶粉双改性来制备大孔隙沥青混合料。

本项目提出了一种使用SBS和橡胶粉制备大孔隙沥青混合料新工艺，即用SBS改性沥青(湿拌)和橡胶粉干拌生产大孔隙沥青混合料双改性技术，然后对用该新技术制备的大孔隙 OGFC-13沥青混合料的主要宏观性能(包括冻融劈裂强度、高温动稳定度及飞散损失率)进行评价并与比较试样比较，进一步探索两种不同橡胶粉改性方式对混合料性能的影响。

2 试验

2.1 原材料

本试验选用市场常用的70号道路石油沥青，其基本性能如表1～表4所示。

表2 橡胶粉性能

表3 SBS改性剂性能

表4 集料体积指标

2.2 混合料拌和制备工艺

本研究选定OGFC-13级配，最佳油石比确定为6%[5]。采用相同的油石比和级配，分别制备沥青混合料。新SBS和橡胶粉双改性工艺见图1。

新双改性工艺其实是SBS湿拌和橡胶粉干拌双改性工艺(简称橡胶粉干拌法)：首先将基质沥青加热到175 ℃，随后加入掺量为4.5%的SBS高速剪切45 min，最后在175 ℃烘箱中发育2 h制得，即为湿法SBS改性沥青。然后，将湿法SBS改性沥青与175 ℃烘热6 h的集料和橡胶粉一起投入沥青搅拌锅中进行搅拌，即为新工艺制备的大孔隙沥青混合料。

除此，比较试样一是SBS和橡胶粉湿拌法制备的沥青混合料(简称橡胶粉干法)：首先将基质沥青加热到175 ℃，随后加入掺量为4.5%的SBS高速剪切 45 min，最后在175 ℃烘箱中发育2 h，再加入掺量为10%的橡胶粉低速剪切30 min，最后在175 ℃烘箱中发育2 h制得双改性沥青[6]，然后再与加热的集料进行制备沥青混合料。

比较试样二是SBS改性沥青混合料。首先将基质沥青加热到175 ℃，随后加入掺量为4.5%的SBS高速剪切45 min，最后在175 ℃烘箱中发育2 h制得，即为湿法SBS改性沥青，然后再与加热的集料进行制备沥青混合料。

2.3 性能测试方法

本试验选择车辙动稳定度作为沥青混合料高温稳定性的指标，其值可通过沥青混合料车辙试验(T 0709—2011)测得；选择冻融劈裂试验(JTG E20—2011)来反映沥青混合料耐水损坏的能力，利用冻融劈裂强度比 TSR(%)测试沥青混合料水稳定性，TSR的比值越大代表混合料的水稳性能越好，越小则表明水稳性能越差；选择浸水飞散试验来评价由于沥青混合料在交通荷载作用下，路面表面集料脱落而散失的程度。按照 (JTG E20—2011)测试每个试样的高温动稳定度、冻融劈裂强度比和肯塔堡飞散损失率，来对比两种拌和工艺生产出的沥青混合料的性能差异。

3 结果与讨论

3.1 高温性能

根据JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范规定：重载交通量路段OGFC混合料的动稳定度要求为大于3 000次/mm。试验沥青混合料高温动稳定试验结果见表5，图2。

表5 不同拌和工艺下混合料高温动稳定试验结果 次/mm

由表5及图2可见，干法橡胶粉OGFC的动稳定度是3 605，比湿法橡胶粉混合料的4 552低30%，同时还比SBS单改性的3 139增加了15%。这一结果说明了，添加10%橡胶粉干拌后，其混合料的高温稳定性相比于SBS单改性有所提高，应该是橡胶粉的增加提高了混合料中沥青的性能。但是橡胶粉干法对沥青抗高温效果显然没有橡胶粉湿拌的效果好，但是还是比规范要求的3 000高20%。

3.2 水稳性能

OGFC沥青混合料的大孔隙对它的耐久性的影响是人们关心的主要问题。冻融劈裂强度是用来评价它的抗冻和抗湿性能，即抗温度和水影响的性能，也是耐久性性能之一。规范要求冻融强度比(TSR%)，即未冻试样的劈裂强度与动融后的试样的劈裂强度比必需不小于80%。不同拌和工艺OGFC-3沥青混合料冻融劈裂强度试验结果见表6，图3。

由表6及图3可见，干法橡胶粉OGFC的冻融劈裂强度比(TSR)为82.5%，比湿法橡胶粉混合料的84.4%低1.9%，同时还比SBS单改性的80.3%增加了2.2%。同样，这一结果说明添加10%橡胶粉干拌后，其混合料的抗水稳定性比SBS单改性有所提高，应该是橡胶粉的增加提高了混合料中沥青的性能。但是橡胶粉干法对沥青抗水稳定性能效果显然没有橡胶粉湿拌的效果好，但是还是比规范要求的80%高2.5%。总之，不同的拌和工艺对抗水稳定的影响较小。

3.3 飞散损失率

由于本试验选用的OGFC-13级配为大孔隙沥青混合料，为避免沥青混合料的脱落、掉粒等问题，需要对沥青混合料进行飞散试验，以确保结构稳固。肯塔堡飞散实验结果如表7，图4所示。

表7 不同拌和工艺沥青混合料的浸水飞散损失试验结果

由表7及图4可见，三种混合料的飞散损失率均满足规范要求。其中，橡胶粉的两种不同改性工艺均较SBS单独改性混合料抗飞散性能有所提升，说明橡胶粉对沥青的改性可以较为明显的提升混合料的抗飞散性能。湿拌法沥青混合抗飞散损失(5.1%)效果尤为突出，效果较单掺SBS(11.8%)单独改性降低1倍多。干拌法较湿拌法OGFC沥青混合料的抗飞散性(8.0%)比湿法橡胶粉沥青混合料(5.1%)约能提高32%。

3.4 原子力显微镜分析

借由原子力显微镜(AFM)来分析两种拌和工艺对沥青混合料性能影响的内在原因。检测的沥青样品经过阿布森方法从上述三种沥青混合料中提取，通过AFM扫描SBS改性沥青、干拌法橡胶粉SBS双改性沥青及湿拌法橡胶粉SBS双改性沥青。扫描结果见图5,图6。

图5和图6分别是3D和2D形貌图。由图5可见，三种沥青都出现了红白颜色椭圆形的“蜂状结构”[7]。其中图5(a)的“蜂状结构”呈现大而少的现象，图5(b),图5(c)的“蜂状结构”呈现小而密的现象。结合图5，图6发现，“蜂状结构”中的白色部分是由白色的“柱状结构”垂直向上组合而成，“蜂状结构”中的红色部分是由红色的“柱状结构”垂直向下组合而成。“蜂状结构”越大，对应的“柱状结构”就越大越高[8]。说明在干拌法和湿拌法橡胶改性沥青的生产过程中，橡胶粉会吸收沥青中的轻组分，从而使得橡胶粉自身体积发生膨胀，这个行为可以恢复部分橡胶粉的可塑性，而能够明显改善其力学及高温性能[9]。与此同时，由于沥青中的轻组分减少，变相提高了沥青中的沥青质含量，沥青质含量的相应提高可以降低沥青的温度敏感性，提高沥青黏度和韧性，这些都解释了橡胶粉添加沥青混合料各项性能提高的原因[10]。

由二维图像可以看出干拌法与湿拌法形貌规律基本一致，但是对比它们的三维扫描高度可以看出，湿拌法沥青“柱状结构”较干拌法数量多而更高大一点，同时湿拌法沥青“蜂状结构”较干拌法更密集一点。因此，湿拌法橡胶粉SBS双改性沥青混合料较干拌法各项性能更好一点，但性能差异不大，干拌法可以达到接近湿拌法的效果，同时考虑到环保和经济效益，在一定条件下干拌法可以替代湿拌法。

3.5 红外光谱分析

借助红外光谱分析不同沥青微观性能，得到如图7所示结果。

由图7可知图中峰形成的原因是改性沥青基团振动频率被吸收减弱而形成的。基质沥青的波峰有：2 923.46 cm-1和2 852.36 cm-1，这两个峰是基质沥青的C—H键伸缩振动产生的；1 455.25 cm-1是C—H面内弯曲振动产生的，1 376.69 cm-1是-CH3键剪式振动产生的。有橡胶粉改性的沥青的红外特征峰与单SBS改性沥青的红外特征峰类型一致，说明橡胶粉改性沥青并没有产生新的基团。橡胶粉对沥青性能改性是通过吸收饱和分和芳香分溶胀，是一种物理变化，且干拌法与湿拌法性能差异不大。

4 小结和结论

用于制备大孔隙沥青混合料的高黏沥青的要求不断提高。本研究提出了SBS湿拌和橡胶粉干拌双改性的新工艺制备OGFC-13沥青混合料，并对混合料的宏观和微观性能进行了全面评价，并与SBS和橡胶粉湿拌沥青混合料进行比较。三个沥青混合料的宏观性能都能满足规范要求，不论干拌法还是湿拌法都能提高沥青混合料的性能。新工艺方便，施工容易，节省成本。主要结论如下：

1)添加10%橡胶粉干拌双改性OGFC-13沥青混合料的动稳定度，抗水稳性能和抗飞散性能都比SBS单改性的性能要提高，说明橡胶粉的添加并干拌提高了沥青的性能，从而提高了混合料的性能。

2)干拌法橡胶粉双改性沥青混合料宏观性能总体稍微差一点，但差距不大，特别是飞散试验和抗水稳定性能，干拌法可以达到接近湿拌法的效果。

3)湿拌法较干拌法沥青“蜂状结构”分布略微密集，“柱状结构”略微高大一点，说明湿拌法橡胶粉SBS双改性沥青混合料性能要略微优于干拌法。红外光谱分析可知，无论是干拌还是湿拌，橡胶粉对沥青性能改性是一种物理变化，其改性效果相差不多。

4)干拌法橡胶粉OGFC沥青混合料工法，施工简单方便，可以节省成本，且更加环保，在符合道路设计要求的范围内可以替代湿拌法。