高黏改性剂的研发与性能评价

杜姣姣 张明明 周有安

(重庆重交再生资源开发股份有限公司 重庆市沥青路面再生工程技术研究中心，重庆 401121)

0 引言

根据《国家环境保护规划》的精神，树立科学发展观，走可持续发展道路，建设资源节约型，环境友好型生态城市。国家出台政策给予“海绵城市”建设的高度重视，而透水沥青路面为“海绵城市”建设中的一项关键技术，透水路面是面层透水基层不透水的路面，这类路面能有效减小噪声[1,2]，适应城市交通荷载作用，对城市暴雨的管理和补充地下水资源起到重要作用。透水沥青混合料是典型骨架空隙结构的开级配混合料[3],相较一般的沥青路面，其主要的结构特征是孔隙率较高(我国规范要求大于18%)，因而也被称为多孔性路面。其中透水沥青路面中最核心的技术为高黏改性剂改性制得的高黏改性沥青。为此，近年来国内很多道路工作者都致力于高黏改性剂的研发[4-9]，已经取得了一部分成果并且进行了试验段的铺设，但是存在的问题依然不少。目前，国内使用的高黏度改性沥青大部分仍然依靠进口，购买价格比较昂贵。因此，研发出一种适用于国内的且价格相对低廉的高黏改性剂具有重要意义。

1 原材料性质

不同的改性剂改性机理与改性效果各不相同，各自针对的侧重点也不一样，常用的改性剂主要有SBS，SBR，EVA(乙烯醋酸乙蛹共聚物)和橡胶等[10]。本次选用这四种改性剂(SBS、橡胶粉、树脂、油)作为原材料，加入到沥青以后分别与沥青的四组分发生反应[11]，稳定的分散在沥青中而不出现离析的现象[12],从而产生一系列沥青性能的改善，根据各自的侧重点达到一个相辅相成的效果。

1.1 基质沥青

制备高黏改性沥青的基质沥青选用70号基质沥青，根据JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范[13]要求，按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程规定，对基质沥青进行性能试验，检测结果满足规范要求，具体数据如表1所示。

1.2 SBS

本次选用目前道路上比较成熟的SBS改性剂作为高黏改性剂的主要成分，SBS易吸收沥青中的饱和酚发生溶胀，溶胀后的SBS极性更接近胶质，沥青组分对聚合物粒子的充分溶胀和聚合物粒子对沥青组分的良好吸附是对沥青进行聚合物改性，能够提高沥青的韧性、延展性、抗疲劳性和抗剥离能力等性能[14]。

1.3 橡胶粉

橡胶粉是橡胶粉末的简称，一般用废旧轮胎加工而成。常采用的加工方法有：常温粉碎法、冷冻法、常温化学法。不同生产工艺生产的胶粉对沥青的性能也不同。废轮胎胶粉常用做沥青的改性剂，这是因为废胎胶粉的主要化学成分有合成橡胶、可塑剂、炭黑及灰分等。天然橡胶、合成橡胶具有较强的弹性和韧性，分子结构一般为线型、支链型或交链型。经硫化后，橡胶分子形成三维空间网状结构，橡胶的弹性、韧性、强度及耐磨性都得到显著提高，加入到沥青里面可以显著改善其低温性能，可以说是既环保又节约成本。

1.4 树脂

石油树脂具有较好的粘结性，橡胶中加入石油树脂能起到增粘、补强、软化的作用。高黏改性剂沥青一个重要的指标便是60 ℃的动力粘度，增粘的作用便是增加高黏改性沥青的动力粘度，沥青动力粘度的提高，可以明显增加粗集料颗粒之间的点粘结能力，对于沥青混合料的强度和水稳定性都有良好的提升作用。但是仅加入热塑性树脂难以使沥青胶结料的包裹性和黏附性满足要求,需配合热塑性弹性体类改性剂加以使用[15]。

1.5 油

环烷油来自天然石油，价格低廉、来源可靠，并且由于其特有的结构，环烷油有着与某些树脂及聚合物优良的兼容性，并且与橡胶有着良好的增塑与互溶性。因此，选用环烷油来作为改性剂的增塑剂，促使橡胶塑化成型，增加热塑性橡胶与沥青的相容性。

2 高黏改性沥青材料配方正交设计

2.1 因素与水平的选择

试验所选取的4个因素分别为橡胶粉、SBS、油、树脂各自的掺量。分别将其命名为A，B，C，D。其各因素水平根据前期实验及相关文献参考如表2所示。

表2 各因素水平表

表2中各水平代表该因素占沥青质量的百分比，根据正交实验的水平和因素选取，本次研究正交实验组数确定为9组，分别测试每一组的三大指标以及动力黏度对各因素进行初步的判断，从正交表中选取L9(34)的正交表格实验安排，具体排列及测试数据见表3，表4。

表3 正交试验表

表4 正交试验数据处理

2.2 各因素水平极差分析

将正交试验测试数据进行各因素水平极差分析，确定各因素的最优组合，通过4组最优组合确定高黏改性剂的配方。具体数据如表5～表8所示。

根据表5～表8的极差分析，通过k值确定各因素优化水平组合：

针入度：A1B1C2D3，延度：A3B3C1D1。

软化点：A3B3C3D1，黏度：A3B3C2D1。

表5 针入度极差分析表

表6 延度极差分析表

表7 软化点极差分析表

表8 黏度极差分析表

由于黏度与延度是较难控制的两个指标，因此优先从黏度与延度指标中进行选择，从黏度与延度的优组合A3B3C1D1以及A3B3C2D1可以看出，两个优选组合均出现了A3，B3，D1，所以可以确定的优水平为A3，B3，D1，然后通过观察因素C每个水平出现的频率，C2出现次数最多，同时发现因素C在C2水平时各指标数据都比较完美，因此确定C因素优水平为C2，暂定最佳配方组合为A3B3C2D1。即橡胶粉5%，SBS 6%，油1%，树脂1%。由于此比例为该因素占沥青质量的百分比，调整为高黏改性剂配方为：橡胶粉∶SBS∶油∶树脂=38∶46∶8∶8。

3 高黏改性剂配方验证

得出正交实验确定高黏改性剂初步配比，需要进一步进行高黏改性沥青性能的验证以确定配方的效果及稳定程度，验证掺量为基质沥青的12%，使用剪切方法为JT/T 860.2—2013沥青混合料改性添加剂 第2部分：高黏度添加剂[16]附录B推荐方法：

1)用电子天平称量500 g基质沥青试样放于盛样器中，在烘箱中加热180 ℃。

2)按照比例称取一定质量的高黏度添加剂，加入到沥青中并用玻璃棒搅拌均匀。

3)使用剪切机按照4 000 r/min～5 000 r/min速率对沥青剪切30 min，剪切过程中温度维持在(180±10)℃。

4)关闭剪切机，将制备好的高黏添加剂改性沥青放入(180±5)℃烘箱中发育30 min，完成后立即浇模进行相关实验。

配方验证相关数据如表9所示。

表9 高黏改性沥青实验数据

从表9可以看出，高黏改性剂配方橡胶粉∶SBS∶油∶树脂=38∶46∶8∶8，通过交通部规范要求剪切方法进行剪切实验，各指标均符合JT/T 860.2—2013沥青混合料改性添加剂 第2部分：高黏度添加剂要求，且效果良好，对沥青有着很好的改性效果。因此可以确定高黏改性剂配方：橡胶粉∶SBS∶油∶树脂=38∶46∶8∶8可以作为一种新型的高黏改性剂来对沥青进行改性，但同时也需要进一步验证混合料的性能是否满足相关规范要求。

4 OGFC沥青混合料性能验证

JT/T 860.2—2013沥青混合料改性添加剂 第2部分：高黏度添加剂规定高黏度添加剂可用于各种热拌沥青混合料。但是目前道路行业中普遍用于排水沥青路面中。因此将其用于OGFC-13排水沥青混合料中进行路用性能的验证。由于此高黏改性剂还处于室内验证阶段，没有到工厂制作改性剂颗粒小样这一阶段，故此次采用湿法拌和混合料，直接使用高黏改性沥青进行实验。

室内试验用高黏度添加剂改性沥青混合料拌和、成型温度控制参数如表10所示。

表10 沥青混合料温度控制表

根据规范要求温度控制，进行混合料的搅拌与性能验证，具体实验数据如表11所示。

表11 高黏改性沥青混合料实验数据

从表11中数据可以看出，此次高黏改性沥青混合料的试验基本能满足规范要求，其中尤其重要的飞散试验指标也是效果突出。飞散试验主要就是测试混合料集料之间的点粘结能力，粘结能力越好，混合料的表面集料越不容易脱落和散失，说明沥青在常温的条件下黏度越高，高黏改性剂给沥青带来的性能提升就越好。其他指标比如高温稳定性、残留稳定度等等，也都优于一般的混合料，进一步证明了该配方高黏改性剂的优异性，可开始试用。

5 结语

1)根据L9(34)正交试验结果极差分析，从各因素的最优组合确定高黏改性剂配方为橡胶粉∶SBS∶油∶树脂=38∶46∶8∶8。2)基于高黏改性剂配方剪切得到高黏改性沥青进行性能验证，各项指标均符合JT/T 860.2—2013沥青混合料改性添加剂 第2部分：高黏度添加剂规范要求，表现出良好的混合料路用性能。3)采用湿法进行高黏改性沥青混合料(OGFC-13)的性能验证，飞散效果尤为突出，其他性能也均是符合要求。确定该配方作为一种新型的高黏改性剂能够对沥青进行改性并带来优异的沥青及混合料性能提升的效果。4)此次研究只是建立在实验室的基础上，还没有到工厂化小样生产的阶段，下一阶段将进行小样的小试、中试。且此次混合料实验也是采用的湿法进行，干法能否达到同样的效果也是需要继续验证。5)缺少与其他同类高黏改性剂的对比以及不同掺量带来的改性效果验证。6)对高黏改性机理的分析比较浅显，后期还需要查阅相关的文献以及大量的实验来支撑自己的理论知识。