布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青老化前后高低溫性能研究

摘要：文章為掌握布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青老化前后高低溫性能，制備不同布敦巖瀝青摻量復合改性瀝青，采用動態剪切流變（DSR）和彎曲梁流變（BBR）試驗分別對原樣、RTFOT短期老化和PAV長期老化后瀝青的高低溫性能進行研究。結果表明：隨著布敦巖瀝青摻量的增加及老化程度的加深，其與SBS復合改性瀝青的高溫性能逐漸增強，低溫性能逐漸減弱;增加布敦巖瀝青摻量能改善其與SBS復合改性瀝青的高低溫性能抗老化能力，但摻量越高改善效率越低。

關鍵詞：布敦巖瀝青;SBS;復合改性;抗老化能力

0 引言

隨著交通量的日益增加和氣候環境的惡化，對瀝青路面使用性能的要求也逐漸提高。為提高瀝青路面使用性能，我國常采用改性瀝青鋪筑瀝青路面。目前常用的改性瀝青有SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青等，盡管上述改性瀝青有較好的高溫和低溫性能[1-6]，但由于SBS及橡膠等為聚合物，其分子極性、化學組成和物理組成等均與基質瀝青有較大差別，因而其與瀝青的相容性往往較差[7-9]，限制了其在瀝青改性中的應用。因而尋求其他瀝青改性劑一直是學者們關注的熱點。

采用天然巖瀝青對基質瀝青進行改性近年來引起較多的關注，如產于印度尼西亞的布敦巖瀝青，其主要由礦物和巖瀝青組成，不含蠟，與基質瀝青相容性極好，使用其對基質瀝青進行改性時能明顯提高瀝青高溫性能及瀝青與集料的粘附性，但會降低瀝青低溫性能[10-14]。為此，我國學者杜少文等提出采用布敦巖瀝青與SBS對瀝青進行復合改性，其研究發現復合改性后瀝青混合料的各項路用性能指標均滿足凍寒區路面性能要求[15]。但現有關于布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青的研究尚未涉及其老化性能，故對此進行研究有重要意義。

本文對原樣、短期老化和長期老化后的布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青分別進行DSR和BBR試驗，分析布敦巖瀝青摻量對其老化前后高低溫性能的影響規律。

1 試驗概況

1.1 原材料

（1）基質瀝青

（2）布敦巖瀝青

選擇布敦巖瀝青為改性劑，主要技術指標如表2所示。

（3）SBS

選擇線型SBS，其主要技術指標如表3所示。

1.2 試驗

（1）復合改性瀝青制備

將基質瀝青加熱至170 ℃～175 ℃，以SBS摻量為2%（基質瀝青質量分數），布敦巖瀝青摻量為0、10%、20%、30%和40%分別取樣摻入基質瀝青后使用玻璃棒攪拌10 min，然后采用高速剪切機以5 000 r/min速率剪切40 min即可制得布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青。

（2）DSR試驗

分別對原樣、短期老化（163 ℃旋轉薄膜烘箱保溫85 min）和長期老化（短期老化后其放入2.1 MPa壓力老化箱中100 ℃保溫20 h）的布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青進行DSR試驗，測定其對應的復數模量和相位角，以評價老化對其高溫性能的影響。DSR試驗中復數模量表征瀝青總體抗變形能力，其值越大瀝青高溫抗變形能力越好。相位角表征瀝青中的粘彈比例，其值越小瀝青中彈性成分的比例越高，[JP]高溫變形恢復能力越好。試驗采用應力控制模式，瀝青試樣為25 mm、厚1 mm的圓片，試驗溫度為70 ℃、頻率為1.592 Hz。

（3）BBR試驗

分別對原樣、短期老化和長期老化的布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青進行BBR試驗，測定其對應的蠕變勁度模量和蠕變速率，以評價老化對其低溫性能的影響。BBR試驗中蠕變勁度模量表征瀝青低溫抗變形能力，其值越大瀝青變形能力越差，脆性特征越明顯。蠕變速率則表征瀝青低溫應力松弛能力，其值越大瀝青應力松弛能力越好，低溫下越不容易開裂。試驗采用試樣為125 mm×6.35 mm×12.7 mm的瀝青小梁，試驗溫度為-18 ℃，以加載時間為60 s時對應的蠕變勁度模量和蠕變速率作為試驗結果。

2 老化前后布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青高溫性能

原樣、短期老化和長期老化后不同布敦巖瀝青摻量下布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青的復數模量和相位角試驗結果分別如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出：

（1）隨著布敦巖瀝青摻量的增加，老化前后的布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青的復數模量逐漸增加，相位角逐漸減小，此時瀝青高溫性能增強，但布敦巖瀝青摻量增加時復數模量的增加幅度相對較大，相位角的減小幅度相對較小。其中，摻量由0增加至40%時，原樣、短期老化和長期老化瀝青的復數模量分別增大35.7%、18.0%和7.7%，而相位角分別降低4.6%、2.1%和2.2%，表明布敦巖瀝青主要改善瀝青高溫抗變形能力，而對其變形恢復能力的改善作用相對較弱。分析原因：一方面在于布敦巖瀝青的瀝青成分中瀝青質含量明顯高于普通基質瀝青，約為其5～10倍，故增加其摻量時瀝青中重質組分比例增加;另一方面布敦巖瀝青中含有大量方解石礦物成分，摻入基質瀝青后類似礦粉能與其組成瀝青膠漿，故高溫抗變形能力提高。

（2）短期和長期老化后布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青復數模量增加，相位角降低，表明老化使其高溫性能增強。其中，短期和長期老化后五個布敦巖瀝青摻量下復合改性瀝青的復數模量平均值分別較原樣瀝青增加9.9%和28.8%，表明長期老化對瀝青高溫性能的增強效果更明顯。

（3）隨著布敦巖瀝青摻量的增加，老化造成的復數模量和相位角變化率逐漸降低，表明增加布敦巖瀝青摻量能改善其與SBS復合改性瀝青的高溫性能抗老化能力，但摻量越高改善效率越低。其中，摻量為0時，短期和長期老化造成的復數模量變化率分別為20.4%和48.8%，相位角變化率分別為4.6%和14.5%;而摻量增加到40%時，兩個老化過程造成的復數模量變化率分別為4.7%和18.1%，相位角變化率分別為1.5%和9.8%。各個布敦巖瀝青摻量下短期和長期老化造成的復數模量和相位角變化率分別如圖3和圖4所示。

3 老化前后布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青低溫性能

原樣、短期老化和長期老化后不同布敦巖瀝青摻量下布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青的蠕變勁度模量和蠕變速率分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以看出：

（1）隨著布敦巖瀝青摻量的增加，老化前后的布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青的蠕變勁度模量逐漸增加，蠕變速率逐漸減小，表明摻入布敦巖瀝青會造成瀝青低溫性能變差，且摻量越高表現越明顯。同時，布敦巖瀝青摻量增加時蠕變勁度模量的增加幅度相對較大，蠕變速率的減小幅度相對較小，其中摻量由0增加至40%時，原樣、短期老化和長期老化瀝青的蠕變勁度模量分別增大38.3%、11.0%和6.6%，而蠕變速率分別降低5.6%、3.2%和3.2%，表明布敦巖瀝青主要造成瀝青低溫硬脆性增強，而對其應力松弛能力的影響程度相對較弱。此外，從上述數據也可發現，隨著布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青老化程度加深，布敦巖瀝青摻量對其低溫性能的影響逐漸減小。

（2）短期和長期老化后布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青蠕變勁度模量增加，蠕變速率降低，表明老化使其低溫性能變差。同時，短期和長期老化后五個布敦巖瀝青摻量下復合改性瀝青的蠕變勁度模量平均值分別較原樣瀝青增加37.4%和84.9%，而蠕變速率平均值分別較原樣瀝青下降3.1%和24.5%，表明短期和長期老化對復合改性瀝青低溫抗變形能力造成的增強幅度相差較小，而對于其低溫應力松弛能力而言則是長期老化造成的下降幅度明顯高于短期老化。

（3）隨著布敦巖瀝青摻量的增加，老化造成的蠕變勁度模量和蠕變速率變化率整體上呈逐漸降低的趨勢，表明增加布敦巖瀝青摻量能改善其與SBS復合改性瀝青的低溫性能抗老化能力，但摻量越高改善幅度越低。其中摻量為0時，短期和長期老化造成的蠕變勁度模量變化率分別為56.0%和117.0%，蠕變速率變化率分別為4.6%和20.8%，而摻量增加到40%時，兩個老化過程造成的勁變模量變化率分別為25.1%和67.2%，蠕變速率變化率分別為2.2%和18.9%。各個布敦巖瀝青摻量下短期和長期老化造成的蠕變勁度模量和蠕變速率變化率分別如圖7和圖8所示。

4 結語

（1）隨著布敦巖瀝青摻量的增加，其與SBS復合改性瀝青的高溫性能逐漸增強，低溫性能逐漸減弱，且對于高溫性能主要改善其高溫抗變形能力，對其變形恢復能力改善作用相對較低;對低溫性能則是主要使其低溫硬脆性增強，其應力松弛能力降低幅度相對較低。

（2）短期和長期老化均會使布敦巖瀝青與SBS復合改性瀝青的高溫性能增強，低溫性能減弱，且整體上長期老化對上述性能變化的影響更大。

（3）增加布敦巖瀝青摻量能改善其與SBS復合改性瀝青的高低溫性能抗老化能力，但摻量越高改善效率越低。

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作者簡介：馬澤理（1973—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作。