高粘复合改性橡胶沥青技术性能的影响因素分析★

刘 俊 高继明 马庆伟

(1.葛洲坝集团交通投资有限公司，陕西 西安 710077； 2.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065； 3.西安公路研究院，陕西 西安 710065)

大量工程实践均表明橡胶沥青可有效降低工程成本，但目前橡胶沥青中废旧胶粉掺量较高约20%[1]，这就造成普通橡胶沥青存在粘度大、施工和易性差、易离析等缺陷[2,3]，橡胶沥青虽成本较低，极大地限制了应用范围。

近年来，利用SBS改性剂和胶粉对沥青性能的不同改性作用[4]，充分发挥各自的优势，得到的SBS/橡胶复合改性沥青能具有更好的综合性能[5]。复合改性橡胶沥青中SBS的掺量较小，这也降低了成本。另外SBS改性剂的加入也可以在保证改性效果的基础上减少橡胶粉的用量，降低改性沥青的粘度，方便施工，同时降低沥青的用量[6]。

本文采用螺杆挤出工艺制备脱硫胶粉，将SBS与脱硫胶粉共混剪切得到高粘复合改性橡胶沥青，研究添加剂、不同脱硫胶粉、胶粉类型等对高粘复合改性橡胶沥青的性能影响，确定高粘复合改性橡胶沥青的配比方案，为高粘复合改性橡胶沥青进一步推广应用提供参考和依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验采用陕西地区较为常用的韩国双龙70号沥青，其技术指标见表1[10]。

表1 韩国双龙70号基质沥青性能

胶粉为江阴产40目轮胎橡胶粉；脱硫剂为420型脱硫剂；SBS改性剂采用中石油独山子公司的6302L线型改性剂。

1.2 试样制备方法

热机械—化学复合脱硫胶粉制备方法：采用德国Berstorff GmbH双螺杆挤出机[7]，将石油树脂(10%质量百分比)、420型脱硫剂(0.3%质量百分比)与硫化胶粉均匀混合，于120 ℃下反应72 h，随后在280 ℃转速100 rpm螺杆挤出机中进行脱硫。

高粘复合改性橡胶沥青制备方法：基质沥青升温到180 ℃左右，将称好的脱硫胶粉加入到基质沥青中，以4 000 rpm 的转速下剪切分散约0.5 h，再加入SBS剪切30 min，最后掺入一定比例的硫磺粉剪切搅拌15 min。

2 不同脱硫胶粉对高粘复合改性橡胶沥青性能的影响分析

通过胶粉的溶胶含量与高粘复合改性橡胶沥青的常规性能研究不同脱硫胶粉对高粘复合改性橡胶沥青性能的影响，选用了两种脱硫胶粉，A为未添加脱硫剂的脱硫胶粉，B为添加脱硫剂的脱硫胶粉。

2.1 溶胶—凝胶含量

经索氏抽提后两种脱硫胶粉的溶胶—凝胶含量见表2。

表2 脱硫胶粉溶胶—凝胶含量 %

由表2可知：1)与硫化胶粉相比，脱硫胶粉A的溶胶含量增大了近2倍，在螺杆挤出过程中，废旧橡胶粉中的硫化键由于剪切力和热力的作用发生降解，实现了废橡胶粉的脱硫。2)对比两种脱硫胶粉可知，脱硫剂的加入可有效增加橡胶粉的溶胶含量，脱硫胶粉B较脱硫胶粉A溶胶含量提高约9.7%，有利于改善胶粉的性能。

2.2 常规性能对比

不同胶粉类型下的高粘复合改性橡胶沥青性能见表3。

表3 高粘复合改性橡胶沥青常规性能

由表3可知：1)对比方案1和方案2，改性沥青软化点降低了5 ℃、弹性恢复提高了6%。此外，175 ℃粘度从3.68 Pa·s降到1.5 Pa·s以下，降低约59.23%。主要原因为橡胶粉经脱硫工艺后，交联结构被打断，分布成小分子结构，与沥青的相容性得到提高，脱硫胶粉的粘性部分增加，弹性部分降低。2)对比方案2和方案3，脱硫剂对脱硫胶粉改性沥青性能影响较为明显，对比分析可见掺加脱硫胶粉B更适于制备高粘复合改性橡胶沥青。

2.3 微观结构

不同高粘复合改性橡胶沥青微观结构如图1所示[8，9]。

由图1可知：1)普通橡胶沥青中，橡胶颗粒分布较为杂乱，残留颗粒尺寸较大，一般大于50 μm。说明普通橡胶粉在制备过程中主要发生物理溶胀作用，高速剪切对其外观尺寸作用不明显。2)掺加脱硫胶粉的高粘复合改性橡胶沥青经短时间剪切后胶粉即可均匀分散，且掺加脱硫剂B的高粘复合改性橡胶沥青中橡胶粉分布更均匀，颗粒残留尺寸更小。因此，进一步表明掺加脱硫胶粉B更适于制备高粘复合改性橡胶沥青。

3 胶粉类型对高粘复合改性橡胶沥青的性能影响分析

3.1 不同改性剂组合方案

轿车轮胎橡胶粉通过螺杆挤出的脱硫胶粉为CR240，CR260，CR280，溶胶含量分别为31.6%，33.1%和35.3%；卡车轮胎橡胶粉280 ℃下的降解产品为TR280，溶胶含量为38.3%。未脱硫的卡车胎原胶粉简称为TR0。

不同高粘复合改性橡胶沥青的掺配方案如表4所示。不同高粘复合改性橡胶沥青的性能如表5所示。

表4 不同高粘复合改性橡胶沥青的配比

表5 不同高粘复合改性橡胶沥青的性能

3.2 胶粉脱硫程度对高粘复合改性橡胶沥青的影响

由表5中试验结果可知：1)脱硫胶粉改性沥青性能指标变化趋势较为明显：弹性恢复明显增大；随着脱硫胶粉挤出温度的升高，所制备的脱硫胶粉改性沥青针入度呈增大趋势；软化点也呈上升趋势；老化前后延度指标与针入度相似，均随着脱硫胶粉挤出温度的升高而增大。2)对比6号～8号试验结果，改性沥青延度均比其余试验组增大，且RTFOT老化后的延度明显优于原改性沥青，说明卡车轮胎制备的脱硫胶粉提高了改性沥青的耐老化性能。3)加入未脱硫胶粉虽提高了改性沥青的软化点，但是其会降低改性沥青老化前后的低温延度，且其粘度明显增大，不利于施工。

3.3 胶粉种类对高粘复合改性橡胶沥青的影响

对比表5中不同胶粉对改性沥青性能的影响可见，CR280与TR280对改性沥青的针入度、软化点、粘度和弹性恢复等指标影响趋势类似；加入CR280废胶粉使改性沥青老化前后的低温延度有所降低，这主要是由于轿车轮胎橡胶粉中的合成胶较难降解，溶胶含量低，胶粉残留颗粒尺寸过大，低温延度是容易产生应力集中，导致其测量指标有所降低。因此，提高废旧橡胶粉的脱硫程度和溶胶含量，可以有效改善脱硫胶粉改性沥青的低温性能。

3.4 胶粉含量对高粘复合改性橡胶沥青的影响

将脱硫胶粉与SBS复合，不但提高了改性沥青的性能，还能降低成本。表5中6号～8号试验结果表明随着TR280含量的增加，高粘复合改性橡胶沥青的针入度逐渐降低、软化点逐渐增大。TR280使沥青的低温延度增大，特别是老化后低温延度有明显提高；高粘复合改性橡胶沥青的135 ℃运动粘度随TR280含量的增加而增大。

4 高粘复合改性橡胶沥青的配方研究

拟定高粘复合改性橡胶沥青的配方，如表6所示。

表6 高粘复合改性橡胶沥青的不同掺配方案

不同掺配比例下高粘复合改性橡胶沥青的性能见表7。

相比于SBS改性沥青，A，B方案的软化点分别增大了2.7%，5.5%，老化前延度则分别变化了-1.5%，2.1%，175 ℃粘度则分别增大了7.5%，17.9%，从表7中数据可进一步看出B组(2%SBS+30%胶粉)沥青的高低温性能、粘度、储存稳定性等均优于SBS改性沥青，而A组(2%SBS+15%胶粉)沥青性能与SBS改性沥青相当。同理，可得C，D，E，F方案3%SBS+胶粉的4组沥青的高低温性能、粘度及储存稳定性等均优于SBS改性沥青。

相较于高粘沥青，G,H方案的软化点分别增大了4.6%,6.3%，延度分别增大了36.5%，46.1%，175 ℃粘度则分别降低了10.2%，5.5%，而三者的60 ℃粘度则相差不大，可见4%SBS+20%胶粉复配的高粘复合改性橡胶沥青的综合性能与高粘沥青大致相当。

表7 不同高粘复合改性橡胶沥青的性能

5 高粘复合改性橡胶沥青的技术要求

根据高粘复合改性橡胶沥青的配方研究，综合分析可得到适用不同级配的三种配方：2%SBS+15%胶粉配方可适用于连续级配(AC类)，3%SBS+15%胶粉配方可适用于间断级配(SMA类)，4%SBS+20%胶粉配方可适用于排水性沥青路面中。根据表7中不同高粘复合改性橡胶沥青的技术指标试验结果，按照95%的保证率取整得到适用于不同级配的高粘复合改性橡胶沥青技术要求。三种高粘复合改性橡胶沥青的技术标准如表8所示。

表8 适用于不同级配的高粘复合改性橡胶沥青技术要求

6 结论

通过对比不同高粘复合改性橡胶沥青的性能，研究了石油树脂、脱硫剂、脱硫胶粉含量等对沥青性能的影响，确定了高粘复合改性橡胶沥青的配方，得到以下结论：

1)掺加不同脱硫胶粉的高粘复合改性橡胶沥青的性能试验及微观结构试验结果表明，与硫化胶粉相比，掺加脱硫胶粉后的高粘复合改性橡胶沥青的粘度显著降低，且其延度和弹性恢复显著提高，其中掺加脱硫胶粉B(添加脱硫剂的脱硫胶粉)的沥青，其性能改善更加明显，且其微观形态更加均匀，因此，掺加脱硫胶粉B(添加脱硫剂的脱硫胶粉)更适于制备高粘复合改性橡胶沥青。

2)相较于轿车轮胎橡胶粉CR280，加入卡车轮胎橡胶粉TR280的高粘复合改性橡胶沥青的软化点、延度、粘度及弹性恢复等性能更优，可见卡车轮胎橡胶粉TR280更适用于制备脱硫胶粉。

3)提出适用于不同级配类型的高粘复合改性橡胶沥青的技术指标要求。其中，2%SBS+15%胶粉配方可用于AC类连续级配，3%SBS+15%胶粉配方可用于SMA类间断级配，4%SBS+20%胶粉配方可用于OGFC类开级配。