近年来随着我国薄层罩面和透排水沥青混凝土路面技术的快速发展，对高性能优质沥青的需求量持续增长。目前广泛应用的高黏沥青是通过向基质沥青中添加高黏改性剂改性而得到，高黏改性剂是以高分子聚合物为主要成分，经过一定工艺合成并制备成为均匀粒子状的改性材料，以增强沥青绝对黏度、沥青与集料之间的黏结性能，提高沥青混合料强度、水稳性和抗飞散、耐疲劳等性能。常用的高黏改性剂有日本的TPS，交通部公路科学研究院研制的PA-T型添加，深圳海川的SINOTPS，上海浦东建设的RST沥青改性剂，普遍价格昂贵约为30000~50000元/t，致使高黏沥青改性成本较高。而将废旧橡胶粉作为沥青改性剂不仅价格低廉还实现废旧轮胎的有效再利用，具有很好的环保意义。美国经过长期研究后，绝大部分州认为橡胶沥青可用于排水沥青路面，例如，俄勒冈州规定使用黏度等级AC-30的沥青结合料掺加12%的橡胶粉。法国排水性沥青混合料中也采用了废轮胎橡胶粉作为沥青的改性剂，以提高低温柔性、确保高沥青用量、增加混合料的凝聚力和抗老化性能。因此可见适量废旧橡胶粉也能实现对沥青高低温、黏度、耐久性等性能的改善，并用于多空隙与薄层罩面沥青路面中。
由于单一改性的沥青存在一定的性能或价格缺陷，致使人们开始了向沥青中掺加两种或两种以上改性剂的研究，其中常见的有SBS/橡胶粉、SBS/TLA、橡胶粉/PE等不同类型的复合改性，但目前针对高黏剂和橡胶粉复合改性的研究相对较少。本文为降低高黏沥青成本，提高橡胶沥青路用性能，结合利用橡胶粉和高黏改性剂对基质沥青进行复合改性，通过减少高黏改性剂的用量降低成本的同时合理利用废旧轮胎，既节约了成本又使废弃物得到再次利用，实现节能减排和环境保护。通过采用正交试验制备系列橡胶粉/高黏剂复合改性沥青，以高温稳定性、低温柔韧性、弹性恢复性能、135℃黏度指标确定最佳复配方案。在以最优复配比的改性沥青与传统添加量的橡胶沥青、高黏沥青、SBS改性沥青进行路用性能对比分析。
原材料与制备工艺
原材料
基质沥青。本研究采用重交70号道路石油沥青作为基质沥青，满足《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。
改性剂。采用重庆某废旧橡胶粉公司生产的40目、60目和80目废旧轮胎橡胶粉和市售高黏剂，高黏剂主要成分为热塑性橡胶，配以黏结性树脂、增塑剂和抗老化剂等成分合成的改性剂颗粒，胶粉指标满足《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》要求。
复合改性沥青制备工艺
首先将基质沥青加热到140℃分别加入不同目数与剂量的废旧橡胶粉和高黏改性剂，人工搅拌均匀后放入163℃烘箱发育溶胀60min，在采用实验室高速剪切乳化机180℃下高速剪切60min，最后在170℃下低速搅拌发育60min，制得橡胶粉/高黏剂复合改性沥青。
试验结果与分析
为了得到橡胶粉目数、橡胶粉剂量、高黏剂剂量3个因素对复合改性沥青性能的影响，本文采用正交试验对比此三项因素进行研究。参考高黏沥青、橡胶沥青中高黏改性剂、废旧橡胶粉推荐值为内掺12%、15%以及目前常用废旧胶粉目数40~80目，选取具有一定梯度的水平条件进行Lg(33)正交试验分析。
针入度
可知：极差值大小为橡胶粉掺量＞橡胶粉目数＞高黏剂掺量，表明橡胶粉掺量对针入度影响最大，其次为胶粉目数，高黏剂掺量对针入度影响最小。随着胶粉掺量、高黏剂掺量增加，复合改性针入度均值逐渐降低，主要是由于橡胶粉与高黏剂中热塑性橡胶掺量的增加导致基质沥青中的轻质组分逐渐被吸收，并且废旧橡胶粉的状态逐渐从游离相转向双连续相，再转变为胶粉连续而自由沥青不连续相，这一过程使复合沥青逐渐变硬针入度值降低；橡胶粉目数增加，复合改性沥青针入度均值增加，表明橡胶粉变细比表面积增大吸收轻质组分的速率增大，废旧橡胶粉脱硫和降解速率增大，使复合改性沥青中橡胶分子链段增多黏度增加，沥青变软，复合改性沥青中有效颗粒减少，橡胶粉网络结构失稳，并随着橡胶颗粒体积减小，部分已经吸收的轻质组分将会从废旧橡胶粉中释放了出来，进一步使复合改性沥青变软，针入度提高。
高温稳定性分析
采用软化点指标分析评价复合改性沥青高温性能。
可以看出：进行高黏剂与橡胶粉复合改性时，对高温性能影响程度的大小依次为高黏剂掺量＞橡胶粉掺量＞橡胶粉目数。软化点随着高黏剂掺量的增加呈现出逐渐增大的趋势，表明高黏剂中热塑性橡胶和黏结性树脂的加入使得改性沥青形成了空间网状结构，阻碍了分子之间的相对运动，极大地提高了改性沥青的高温稳定性能。但是添加量由4%到8%再到12%，增大的程度分别为30.4%、4.9%，即高温性能提升幅度下降。在与高黏剂复合改性中胶粉掺量增加软化点均值也逐渐增大，添加量从5%到10%再到15%，软化点均值增幅分别为5.4%、0.8%，表明在10%掺量的基础上继续提高胶粉的掺量对沥青高温稳定性提升效果并不显著，主要是因为废旧橡胶粉增加，胶粉颗粒在沥青中从游离态转向为连续态，胶粉颗粒之间交联作用增强，分子力增大，软化点均值提高，但废旧橡胶粉进一步增加，单位胶粉的溶胀作用减弱，废旧胶粉之间的交联作用减小，分子力下降，所以软化点均值增长减缓。胶粉目数对高温性能影响最小，在胶粉目数由40目到60目，60目到80目软化点仅提高了2.9%和1.0%，表明胶粉颗粒体积变小，橡胶粉间交联作用减弱，分子力减小，橡胶粉颗粒在沥青中难以形成骨架结构，所以40、60、、80目橡胶粉对软化点均值大小改变基本不产生影响。
低温柔韧性分析
低温延度反映了沥青在低温下的变形能力，采用5℃延度分析评价复合改性沥青低温柔韧性。
可以看出，高黏剂掺量极差值为13.97，对低温性能影响最大，高黏剂掺量越大5℃延度越大，表明高黏剂中热塑性橡胶、黏结性树脂和增塑剂对延度改善起到了良好的效果，但当添加量从4%到8%，8%到12%，对低温性能的提升效果却不相同，分别提高了78.9%、19.2%，可见在已经添加8%的基础上继续加入高黏剂低温性能改善并不显著；其次为橡胶粉目数极差值5.43，对低温性能影响较大，采用的胶粉目数越大胶粉越细改性得到的沥青5℃延度均值越大，但是胶粉目数从40目到60目，60目到80目低温性能提升效果也不相同，分别提高了27.7%、3.6%，即在60目时继续磨细胶粉提高目数对低温性能改善并不明显。在试验范围内的橡胶粉掺量极差值0.83，对低温性能影响最小，随着胶粉掺量由5%到10%，10%提高到15%，5℃延度均值仅提高了0.3%、3.8%。主要是由于随着目数的增加，橡胶粉比表面积增大，溶胀反应变强，废旧橡胶粉溶于沥青中的数量增多，复合改性沥青低温柔韧性增强；但橡胶粉掺量持续增加将产生溶胀不充分现象，部分橡胶粉出现抱团现象，降低了橡胶粉之间的交联作用，致5℃延度变化趋于缓和。
弹性恢复性能分析
弹性恢复用于评价聚合物改性沥青的可恢复变形能力。
可知，高黏剂掺量极差值23.4对弹性恢复性能影响最大，但随着高黏剂掺量由4%提高到8%再提高到12%，弹性恢复均值分别增长了23.9%、5.8%，即弹性恢复性能增幅趋缓，这是因为高黏改性剂的高分子链在沥青中产生铰接，在外力作用下高黏改性剂良好的弹性性能得以充分体现使复合改性沥青的弹性形变和弹性恢复比例明显。橡胶粉掺量和目数极差值仅为2.5和0.27，对弹性恢复性能影响程度较小，但随着橡胶粉目数和胶粉掺量增加，复合改性沥青弹性性能分别表现出逐渐降低和先增大后减小的不同趋势，主要是由于目数增大，橡胶粉与沥青接触比表面积增大，有效废旧橡胶粉的体积减小，弹性性能降低；废旧橡胶粉掺量增加，废旧橡胶粉颗粒之间的交联作用增强，分子力增大，胶粉溶胀充分，弹性恢复性能增加，但是当胶粉掺量达到一定的程度后，废旧胶粉颗粒溶胀不充分，并且废旧橡胶粉之间的交联作用降低，分子力下降，因此掺量到一定的程度弹性恢复开始出现下降。
135℃黏度性能分析
135℃高温黏度主要用于评估沥青的高温工作特性，若黏度过大，沥青的和易性和可泵性会变差，在混合料拌和及路面施工过程中会引发一系列问题，因此在美国SHRP规范和我国《公路沥青路面施工技术规范》中都明确规定了改性沥青的135°Ｃ黏度要小于3.0Pa·s。
可知，橡胶粉掺量对135℃黏度影响最大，当橡胶粉掺量由5%到10%再到15%，复合改性沥青135℃黏度均值分别提高了35%、40.9%，表明胶粉掺量超过10%后，继续加入橡胶粉使得复合改性沥青轻质组分持续降低，高温黏度快速提高以至影响施工。其次为高黏剂对135℃黏度影响较大，当高黏剂掺量由5%到10%到15%，135℃黏度均值分别提高了11%、21.3%，即在10%的掺量下继续提高135℃黏度均值会进一步快速增大，但高黏剂掺量对135℃黏度影响仅为橡胶粉掺量的47.2%，相对较小。40目、60目、80目复合改性沥青135℃黏度均值接近极差值较小，表明橡胶粉目数对135℃黏度影响很小。
最佳复配方案
通过对以上正交试验结果分析，在首先考虑复合改性沥青高温、低温、弹性恢复性能的基础上结合135℃黏度指标进行选择控制，并综合考虑价格成本和废旧橡胶粉利用量因素，优选出正交试验设计下的最佳方案。
可知，考虑高温、低温性能时，最优组合方案为采用80目橡胶粉掺加量为15%，高黏剂掺量12%，但由正交试验编号3、6、9可以看出当废旧橡胶粉掺量为15%时复合改性沥青135℃黏度都远超规范要求，将造成施工困难，故复合改性沥青中废旧橡胶粉掺量应小于15%，并且橡胶粉掺量对135℃黏度影响最大，结合正交试验方案橡胶粉掺量应选取5%、10%。可知高黏剂掺量对复合改性沥青高温、低温、弹性恢复性能影响最大，故最佳高黏剂采用量为12%，但由试验橡胶粉目数对135℃黏度影响程度可知此时采用10%废旧橡胶粉掺量将导致135℃黏度过大，影响施工。而为了尽可能多的使用废旧橡胶粉材料，并保证高温、低温、弹性恢复性能，此时可降低高黏改性剂用量采用10%的废旧橡胶粉掺量。因此在考虑高温、低温、弹性恢复、135℃黏度指标性能的情况下。
看出每增加4%掺量的高黏改性剂，生产每吨复合改性沥青所需要的改性剂成本就会增加近1000元，然而由高黏剂掺量对复合改性沥青高温、低温、弹性恢复性能影响最大，但当掺量由8%增加到12%时，性能提升幅度却有所下降，并且考虑到1、2、3方案废旧橡胶粉利用量较少，故推荐采用4、5、6方案。可知废旧橡胶粉目数对复合改性沥青低温性能影响较大，胶粉目数从40目到60目，60目到80目低温性能分别提高了27.7%、3.6%，即60目到80目低温性能提升效果不甚明显，同时考虑废旧轮胎粉碎成本推荐采用60目废旧橡胶粉，最终推荐方案5。
沥青性能比较
为进一步分析推荐方案复合改性沥青的改性效果，将其与基质沥青、60目15%掺量的废旧橡胶粉改性沥青、12%高黏剂掺量改性沥青、4%SBS改性剂掺量改性沥青进行性能比较。
可知，推荐方案制得的橡胶粉/高黏剂复合改性沥青高温、低温和弹性恢复性能均超过了目前常用的SBS改性沥青，并且软化点指标相对SBS改性沥青提高了26.7%；加入推荐方案的橡胶粉/高黏剂复合改性使得基质沥青软化点、5℃延度和弹性恢复性能分别提高了56.8%、2170%和512.2%，改性效果显著；推荐方案制得的橡胶粉/高黏剂复合改性沥青相对于只添加15%橡胶粉的橡胶沥青软化点、5℃延度和弹性恢复性能分别提高了40.4%、198.7%和51.1%，各项指标均显著提高；推荐方案制得的橡胶粉/高黏剂复合改性沥青软化点、5℃延度和弹性恢复性能为高黏沥青的93%、61.9%和97%，即除低温性能有较大差距外，高温和弹性恢复性能接近，并且对比制得每吨改性沥青所需的改性剂价格推荐方案和高黏沥青分别为2161元、3600元，可知推荐方案经济优势显著。
结语
(1)采用正交试验分析研究得到进行橡胶粉/高黏剂复合改性沥青时，废旧橡胶粉掺量对针入度、135℃黏度指标的影响最大，而高黏剂掺量是沥青软化点、5℃延度和弹性恢复性能变化的主要因素。
(2)在考虑复合改性沥青高温、低温、弹性恢复性能的基础上结合135℃黏度指标进行选择控制，并综合考虑价格成本和废旧橡胶粉利用量因素，优选出正交试验设计下的最优方案为添加10%的60目橡胶粉与8%掺量的高黏剂进行复合改性。
(3)推荐方案复合改性沥青的高温、低温和弹性恢复性能相对于基质沥青、橡胶沥青改性提升效果显著，且各项指标优于SBS改性沥青，仅低温性能与高黏沥青具有较大差距，但经济环保优势明显。
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