近年來隨著我國薄層罩面和透排水瀝青混凝土路面技術的快速發展，對高性能優質瀝青的需求量持續增長。目前廣泛應用的高黏瀝青是通過向基質瀝青中添加高黏改性劑改性而得到，高黏改性劑是以高分子聚合物為主要成分，經過一定工藝合成並製備成為均勻粒子狀的改性材料，以增強瀝青絕對黏度、瀝青與集料之間的黏結性能，提高瀝青混合料強度、水穩性和抗飛散、耐疲勞等性能。常用的高黏改性劑有日本的TPS，交通部公路科學研究院研製的PA-T型添加，深圳海川的SINOTPS，上海浦東建設的RST瀝青改性劑，普遍價格昂貴約為30000~50000元/t，致使高黏瀝青改性成本較高。而將廢舊橡膠粉作為瀝青改性劑不僅價格低廉還實現廢舊輪胎的有效再利用，具有很好的環保意義。美國經過長期研究後，絕大部分州認為橡膠瀝青可用於排水瀝青路面，例如，俄勒岡州規定使用黏度等級AC-30的瀝青結合料摻加12%的橡膠粉。法國排水性瀝青混合料中也採用了廢輪胎橡膠粉作為瀝青的改性劑，以提高低溫柔性、確保高瀝青用量、增加混合料的凝聚力和抗老化性能。因此可見適量廢舊橡膠粉也能實現對瀝青高低溫、黏度、耐久性等性能的改善，並用於多空隙與薄層罩面瀝青路面中。
由於單一改性的瀝青存在一定的性能或價格缺陷，致使人們開始了向瀝青中摻加兩種或兩種以上改性劑的研究，其中常見的有SBS/橡膠粉、SBS/TLA、橡膠粉/PE等不同類型的複合改性，但目前針對高黏劑和橡膠粉複合改性的研究相對較少。本文為降低高黏瀝青成本，提高橡膠瀝青路用性能，結合利用橡膠粉和高黏改性劑對基質瀝青進行復合改性，通過減少高黏改性劑的用量降低成本的同時合理利用廢舊輪胎，既節約了成本又使廢棄物得到再次利用，實現節能減排和環境保護。通過採用正交試驗製備系列橡膠粉/高黏劑複合改性瀝青，以高溫穩定性、低溫柔韌性、彈性恢復性能、135℃黏度指標確定最佳復配方案。在以最優復配比的改性瀝青與傳統添加量的橡膠瀝青、高黏瀝青、SBS改性瀝青進行路用性能對比分析。
原材料與製備工藝
原材料
基質瀝青。本研究採用重交70號道路石油瀝青作為基質瀝青，滿足《公路瀝青路面施工技術規範》的技術要求。
改性劑。採用重慶某廢舊橡膠粉公司生產的40目、60目和80目廢舊輪胎橡膠粉和市售高黏劑，高黏劑主要成分為熱塑性橡膠，配以黏結性樹脂、增塑劑和抗老化劑等成分合成的改性劑顆粒，膠粉指標滿足《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》要求。
複合改性瀝青製備工藝
首先將基質瀝青加熱到140℃分別加入不同目數與劑量的廢舊橡膠粉和高黏改性劑，人工攪拌均勻後放入163℃烘箱發育溶脹60min，在採用實驗室高速剪切乳化機180℃下高速剪切60min，最後在170℃下低速攪拌發育60min，製得橡膠粉/高黏劑複合改性瀝青。
試驗結果與分析
為了得到橡膠粉目數、橡膠粉劑量、高黏劑劑量3個因素對複合改性瀝青性能的影響，本文采用正交試驗對比此三項因素進行研究。參考高黏瀝青、橡膠瀝青中高黏改性劑、廢舊橡膠粉推薦值為內摻12%、15%以及目前常用廢舊膠粉目數40~80目，選取具有一定梯度的水平條件進行Lg(33)正交試驗分析。
針入度
可知：極差值大小為橡膠粉摻量＞橡膠粉目數＞高黏劑摻量，表明橡膠粉摻量對針入度影響最大，其次為膠粉目數，高黏劑摻量對針入度影響最小。隨著膠粉摻量、高黏劑摻量增加，複合改性針入度均值逐漸降低，主要是由於橡膠粉與高黏劑中熱塑性橡膠摻量的增加導致基質瀝青中的輕質組分逐漸被吸收，並且廢舊橡膠粉的狀態逐漸從遊離相轉向雙連續相，再轉變為膠粉連續而自由瀝青不連續相，這一過程使複合瀝青逐漸變硬針入度值降低；橡膠粉目數增加，複合改性瀝青針入度均值增加，表明橡膠粉變細比表面積增大吸收輕質組分的速率增大，廢舊橡膠粉脫硫和降解速率增大，使複合改性瀝青中橡膠分子鏈段增多黏度增加，瀝青變軟，複合改性瀝青中有效顆粒減少，橡膠粉網絡結構失穩，並隨著橡膠顆粒體積減小，部分已經吸收的輕質組分將會從廢舊橡膠粉中釋放了出來，進一步使複合改性瀝青變軟，針入度提高。
高溫穩定性分析
採用軟化點指標分析評價複合改性瀝青高溫性能。
可以看出：進行高黏劑與橡膠粉複合改性時，對高溫性能影響程度的大小依次為高黏劑摻量＞橡膠粉摻量＞橡膠粉目數。軟化點隨著高黏劑摻量的增加呈現出逐漸增大的趨勢，表明高黏劑中熱塑性橡膠和黏結性樹脂的加入使得改性瀝青形成了空間網狀結構，阻礙了分子之間的相對運動，極大地提高了改性瀝青的高溫穩定性能。但是添加量由4%到8%再到12%，增大的程度分別為30.4%、4.9%，即高溫性能提升幅度下降。在與高黏劑複合改性中膠粉摻量增加軟化點均值也逐漸增大，添加量從5%到10%再到15%，軟化點均值增幅分別為5.4%、0.8%，表明在10%摻量的基礎上繼續提高膠粉的摻量對瀝青高溫穩定性提升效果並不顯著，主要是因為廢舊橡膠粉增加，膠粉顆粒在瀝青中從遊離態轉向為連續態，膠粉顆粒之間交聯作用增強，分子力增大，軟化點均值提高，但廢舊橡膠粉進一步增加，單位膠粉的溶脹作用減弱，廢舊膠粉之間的交聯作用減小，分子力下降，所以軟化點均值增長減緩。膠粉目數對高溫性能影響最小，在膠粉目數由40目到60目，60目到80目軟化點僅提高了2.9%和1.0%，表明膠粉顆粒體積變小，橡膠粉間交聯作用減弱，分子力減小，橡膠粉顆粒在瀝青中難以形成骨架結構，所以40、60、、80目橡膠粉對軟化點均值大小改變基本不產生影響。
低溫柔韌性分析
低溫延度反映了瀝青在低溫下的變形能力，採用5℃延度分析評價複合改性瀝青低溫柔韌性。
可以看出，高黏劑摻量極差值為13.97，對低溫性能影響最大，高黏劑摻量越大5℃延度越大，表明高黏劑中熱塑性橡膠、黏結性樹脂和增塑劑對延度改善起到了良好的效果，但當添加量從4%到8%，8%到12%，對低溫性能的提升效果卻不相同，分別提高了78.9%、19.2%，可見在已經添加8%的基礎上繼續加入高黏劑低溫性能改善並不顯著；其次為橡膠粉目數極差值5.43，對低溫性能影響較大，採用的膠粉目數越大膠粉越細改性得到的瀝青5℃延度均值越大，但是膠粉目數從40目到60目，60目到80目低溫性能提升效果也不相同，分別提高了27.7%、3.6%，即在60目時繼續磨細膠粉提高目數對低溫性能改善並不明顯。在試驗範圍內的橡膠粉摻量極差值0.83，對低溫性能影響最小，隨著膠粉摻量由5%到10%，10%提高到15%，5℃延度均值僅提高了0.3%、3.8%。主要是由於隨著目數的增加，橡膠粉比表面積增大，溶脹反應變強，廢舊橡膠粉溶於瀝青中的數量增多，複合改性瀝青低溫柔韌性增強；但橡膠粉摻量持續增加將產生溶脹不充分現象，部分橡膠粉出現抱團現象，降低了橡膠粉之間的交聯作用，致5℃延度變化趨於緩和。
彈性恢復性能分析
彈性恢復用於評價聚合物改性瀝青的可恢復變形能力。
可知，高黏劑摻量極差值23.4對彈性恢復性能影響最大，但隨著高黏劑摻量由4%提高到8%再提高到12%，彈性恢復均值分別增長了23.9%、5.8%，即彈性恢復性能增幅趨緩，這是因為高黏改性劑的高分子鏈在瀝青中產生鉸接，在外力作用下高黏改性劑良好的彈性性能得以充分體現使複合改性瀝青的彈性形變和彈性恢復比例明顯。橡膠粉摻量和目數極差值僅為2.5和0.27，對彈性恢復性能影響程度較小，但隨著橡膠粉目數和膠粉摻量增加，複合改性瀝青彈性性能分別表現出逐漸降低和先增大後減小的不同趨勢，主要是由於目數增大，橡膠粉與瀝青接觸比表面積增大，有效廢舊橡膠粉的體積減小，彈性性能降低；廢舊橡膠粉摻量增加，廢舊橡膠粉顆粒之間的交聯作用增強，分子力增大，膠粉溶脹充分，彈性恢復性能增加，但是當膠粉摻量達到一定的程度後，廢舊膠粉顆粒溶脹不充分，並且廢舊橡膠粉之間的交聯作用降低，分子力下降，因此摻量到一定的程度彈性恢復開始出現下降。
135℃黏度性能分析
135℃高溫黏度主要用於評估瀝青的高溫工作特性，若黏度過大，瀝青的和易性和可泵性會變差，在混合料拌和及路面施工過程中會引發一系列問題，因此在美國SHRP規範和我國《公路瀝青路面施工技術規範》中都明確規定了改性瀝青的135°Ｃ黏度要小於3.0Pa·s。
可知，橡膠粉摻量對135℃黏度影響最大，當橡膠粉摻量由5%到10%再到15%，複合改性瀝青135℃黏度均值分別提高了35%、40.9%，表明膠粉摻量超過10%後，繼續加入橡膠粉使得複合改性瀝青輕質組分持續降低，高溫黏度快速提高以至影響施工。其次為高黏劑對135℃黏度影響較大，當高黏劑摻量由5%到10%到15%，135℃黏度均值分別提高了11%、21.3%，即在10%的摻量下繼續提高135℃黏度均值會進一步快速增大，但高黏劑摻量對135℃黏度影響僅為橡膠粉摻量的47.2%，相對較小。40目、60目、80目複合改性瀝青135℃黏度均值接近極差值較小，表明橡膠粉目數對135℃黏度影響很小。
最佳復配方案
通過對以上正交試驗結果分析，在首先考慮複合改性瀝青高溫、低溫、彈性恢復性能的基礎上結合135℃黏度指標進行選擇控制，並綜合考慮價格成本和廢舊橡膠粉利用量因素，優選出正交試驗設計下的最佳方案。
可知，考慮高溫、低溫性能時，最優組合方案為採用80目橡膠粉摻加量為15%，高黏劑摻量12%，但由正交試驗編號3、6、9可以看出當廢舊橡膠粉摻量為15%時複合改性瀝青135℃黏度都遠超規範要求，將造成施工困難，故複合改性瀝青中廢舊橡膠粉摻量應小於15%，並且橡膠粉摻量對135℃黏度影響最大，結合正交試驗方案橡膠粉摻量應選取5%、10%。可知高黏劑摻量對複合改性瀝青高溫、低溫、彈性恢復性能影響最大，故最佳高黏劑採用量為12%，但由試驗橡膠粉目數對135℃黏度影響程度可知此時採用10%廢舊橡膠粉摻量將導致135℃黏度過大，影響施工。而為了儘可能多的使用廢舊橡膠粉材料，並保證高溫、低溫、彈性恢復性能，此時可降低高黏改性劑用量採用10%的廢舊橡膠粉摻量。因此在考慮高溫、低溫、彈性恢復、135℃黏度指標性能的情況下。
看出每增加4%摻量的高黏改性劑，生產每噸複合改性瀝青所需要的改性劑成本就會增加近1000元，然而由高黏劑摻量對複合改性瀝青高溫、低溫、彈性恢復性能影響最大，但當摻量由8%增加到12%時，性能提升幅度卻有所下降，並且考慮到1、2、3方案廢舊橡膠粉利用量較少，故推薦採用4、5、6方案。可知廢舊橡膠粉目數對複合改性瀝青低溫性能影響較大，膠粉目數從40目到60目，60目到80目低溫性能分別提高了27.7%、3.6%，即60目到80目低溫性能提升效果不甚明顯，同時考慮廢舊輪胎粉碎成本推薦採用60目廢舊橡膠粉，最終推薦方案5。
瀝青性能比較
為進一步分析推薦方案複合改性瀝青的改性效果，將其與基質瀝青、60目15%摻量的廢舊橡膠粉改性瀝青、12%高黏劑摻量改性瀝青、4%SBS改性劑摻量改性瀝青進行性能比較。
可知，推薦方案製得的橡膠粉/高黏劑複合改性瀝青高溫、低溫和彈性恢復性能均超過了目前常用的SBS改性瀝青，並且軟化點指標相對SBS改性瀝青提高了26.7%；加入推薦方案的橡膠粉/高黏劑複合改性使得基質瀝青軟化點、5℃延度和彈性恢復性能分別提高了56.8%、2170%和512.2%，改性效果顯著；推薦方案製得的橡膠粉/高黏劑複合改性瀝青相對於只添加15%橡膠粉的橡膠瀝青軟化點、5℃延度和彈性恢復性能分別提高了40.4%、198.7%和51.1%，各項指標均顯著提高；推薦方案製得的橡膠粉/高黏劑複合改性瀝青軟化點、5℃延度和彈性恢復性能為高黏瀝青的93%、61.9%和97%，即除低溫性能有較大差距外，高溫和彈性恢復性能接近，並且對比製得每噸改性瀝青所需的改性劑價格推薦方案和高黏瀝青分別為2161元、3600元，可知推薦方案經濟優勢顯著。
結語
(1)採用正交試驗分析研究得到進行橡膠粉/高黏劑複合改性瀝青時，廢舊橡膠粉摻量對針入度、135℃黏度指標的影響最大，而高黏劑摻量是瀝青軟化點、5℃延度和彈性恢復性能變化的主要因素。
(2)在考慮複合改性瀝青高溫、低溫、彈性恢復性能的基礎上結合135℃黏度指標進行選擇控制，並綜合考慮價格成本和廢舊橡膠粉利用量因素，優選出正交試驗設計下的最優方案為添加10%的60目橡膠粉與8%摻量的高黏劑進行復合改性。
(3)推薦方案複合改性瀝青的高溫、低溫和彈性恢復性能相對於基質瀝青、橡膠瀝青改性提升效果顯著，且各項指標優於SBS改性瀝青，僅低溫性能與高黏瀝青具有較大差距，但經濟環保優勢明顯。
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