穩定劑對SBS改性瀝青路用性能的影響

閆保平

（靈河高速公路（神河段）建管處，山西 忻州 036203）

0 引言

SBS改性瀝青因其優異的高低溫性能在道路中得到廣泛應用，且仍會繼續使用，高溫儲存過程中易發生的分層離析現象是需要克服的重要問題[1]。關于聚合物改性瀝青儲存穩定性的研究最早可以追溯到1958年，早期在共聚物改性時主要加入硫磺及硫化物，主要效果是提高改性瀝青的穩定性。1958年Welborn等在以30%天然或合成橡膠膠乳改性瀝青時，加入15%的單質硫（以橡膠用量計），結果得到穩定性更好的瀝青材料[2]。1972年，Boultz在用乙烯—丙烯酸酯共聚物改性瀝青時，加入少量硫磺或過氧化物來提高改性瀝青的穩定性。1989年，Koen在SBS改性瀝青時加入二芳基二硫化物，不僅改善了共混體系的儲存穩定性，還使瀝青的低溫性能和高溫性能得到提高[3]。通過多年研究，已開發多種穩定劑產品，并可有效改善SBS改性瀝青高溫儲存穩定性。后續還有研究者使用多聚磷酸[4]、金屬氧化物[5]、無機黏土[6]作為穩定劑，或者進行聚烯烴類接枝反應[7]，也都得到較滿意的結果。然而，在實際應用中，大都不存在高溫下長久儲存的問題，穩定劑的應用范圍較窄，很難大規模推廣應用。

目前市面上已有的穩定劑產品可以達到提升SBS改性瀝青高溫儲存穩定性的問題，但僅僅是解決其存儲穩定性問題，并未考慮整體提升其各項路用性能，使SBS改性瀝青性能更佳，從而提升路面的耐久性和使用壽命，應用更加廣泛。這里研究了3種穩定劑配方對SBS改性瀝青的路用性能影響，通過這幾種配方的加入，可顯著提升各項路用性能，包括高、低溫性能以及抗水損性能，具有很好的應用前景。

1 試驗部分

1.1 原料

所用SBS改性劑為巴陵石化生產，型號YH-791，其中苯乙烯含量為30%。瀝青為SK 90號，其軟化點、25℃針入度、15℃延度分別為46.8、81.2、大于100 cm。穩定劑D和T為上海成錦化工有限公司生產，外觀分別為白色和淡黃色結晶粉末。

1.2 改性瀝青的制備

將瀝青加熱至170℃，加入SBS改性劑，使用高速剪切機在轉速為3 000～4 000轉/min條件下連續剪切35 min，隨后加入穩定劑，繼續剪切15 min。

1.3 性能測試

路用性能測試中的車轍試驗、低溫劈裂試驗、凍融劈裂試驗均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行。

2 結果與討論

2.1 礦質混合料配合比設計

集料選用花崗巖，通過礦料的篩分，計算各礦料用量，使得礦料混合料級配曲線基本接近AC-13級配范圍中值線，結果見圖1。最終確定各種集料用量為 10～15∶5～10∶3～5∶0～3∶礦粉 =27∶28∶10∶32∶3。

圖1 AC-13要求級配和合成級配曲線

2.2 最佳瀝青用量設計

按照設計好的礦料配合比稱取礦料，采用5組油石比配制瀝青混合料，并制作馬歇爾試件，擊實溫度為160℃，兩面各75次，隨后進行馬歇爾試驗，結果見表1。分別用最大密度、最大穩定度、孔隙率范圍中值、瀝青飽和度范圍中值對應的油石比計算OAC1，該值計算結果為(4.9+4.5+4.6+4.3)/4=4.57%。此外，根據瀝青混凝土標準，得到滿足該標準的最大油石比OACmax=4.6和最小油石比OACmin=4.38，從而確定OAC2，則最佳油石比OAC為(OAC1+OAC2)/2=4.6%。

根據此最佳油石比，隨后制備車轍板、馬歇爾試件，用于測定車轍動穩定度、低溫劈裂強度、凍融劈裂強度比。

表1 改性瀝青馬歇爾試驗結果

2.3 車轍試驗

動穩定度的含義是指瀝青混合料在高溫條件下，混合料每產生1 mm變形時，所承受標準軸載（試驗采用0.7 MPa輪壓）的次數。計算方法：讀取45 min及60 min時的車轍變形d1及d2，準確至0.01 mm。當變形過大，在未到60 min變形已經達到25 mm時，則以達到 25 mm（d2）時的時間為 t2，將前15 min為t1，此時的變形量為d1。瀝青混合料試件的動穩定度按式（1）計算：

式中：DS為瀝青混合料的動穩定度，次 /mm；d1、d2為時間 t1、t2的變形量，mm；C1為試驗機類型修正參數，曲柄連桿驅動時間的變速行走方式為1.0，鏈驅動試驗輪的等速方式為1.5；C2為試件參數，試驗室制備的寬300 mm的試件為1.0，從路面切割的寬150 mm的試件為0.8；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42次/mm。

對含有0.6%穩定劑D、0.6%穩定劑D和T（2∶1）、0.4%穩定劑D和T（1∶3）的 SBS改性瀝青混合料進行測試，并與不含穩定劑的樣品進行對比，考察穩定劑對SBS改性瀝青混合料高溫穩定性的影響。根據公式（1）進行計算，最終的實驗結果見表2，同時計算了3次試驗結果的標準差及變異系數，變異系數均遠小于20%，因此3次試驗結果的平均值可作為最后的試驗結果。結果顯示，添加穩定劑D和穩定劑T的配方均可以顯著提高SBS改性瀝青的高溫穩定性。此外，還可以看出穩定劑的配比和摻量對動穩定度影響小，含有穩定劑D和穩定劑T樣品的DS均高于7 000次/mm，且相差數值不大，其中含有0.4%穩定劑D和T（1∶3）的樣品抗車轍效果最佳。

表2 瀝青混合料車轍試驗結果

2.4 低溫劈裂試驗

對不含穩定劑、含有0.6%穩定劑D、0.6%穩定劑 D和 T（2∶1）、0.4%穩定劑 D和 T（1∶3）的 SBS改性瀝青混合料進行低溫劈裂的測試。由表3中的結果可以看出，加入穩定劑后，抗拉強度和破壞勁度模量均增大，尤其是破壞勁度模量變化最顯著。此外，還可以看出含有穩定劑D及其含量高的配方對應的樣品（樣品2和樣品3）破壞勁度模量最高。由此說明，穩定劑配方的加入可以顯著提升SBS改性瀝青的低溫穩定性。

表3 低溫劈裂實驗結果

2.5 凍融劈裂試驗

對含有0.6%穩定劑D、0.6%穩定劑D和T（2∶1）、0.4%穩定劑D和T（1∶3）的 SBS改性瀝青混合料進行凍融劈裂測試，并與不含穩定劑的樣品進行對比，考察瀝青混合料的水穩定性，結果見表4。添加穩定劑后，試件的抗拉強度明顯提升，并且凍融劈裂強度比也顯著增大，尤其是穩定劑D含量較高時效果更佳，凍融劈裂比超過90%，說明穩定劑的加入大幅提升了瀝青混合料的水穩定性。

表4 瀝青混合料凍融劈裂實驗結果

3 結論

通過合理的配合比設計，測試添加和未添加穩定劑時，瀝青混合料的高溫穩定性、低溫穩定性以及水穩定性。通過3個穩定劑配方的考察，結果顯示，添加穩定劑后，瀝青混合料的各項路用性能均大幅提升，車轍動穩定度由3 000次/mm提升至高于7 000次/mm，凍融劈裂強度比由82%提升至高于95%，低溫劈裂結果同樣有類似的結果，其中穩定劑含量更高時，低溫穩定性更佳。