不同類型SBS/橡膠粉復合改性瀝青流變性能研究

王朝軍 張星宇,2 楊平文,2 馬曉燕 南兵章,2

（1甘肅路橋建設集團養護科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心，甘肅 蘭州 730050；3長安大學材料科學與工程學院，陜西 西安710061）

0 前言

高速公路網及城市主干道建設發展對改性瀝青的性能要求越來越高。在國內常見的瀝青改性劑中，SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性劑因其在相容性及改性效果方面出色的表現，已經成為改性瀝青市場占有率最大的改性劑。然而，由于SBS改性劑在應用過程中存在價格昂貴、易老化等缺點，因此在道路工程的實際應用中受到了制約。

在瀝青改性中將來源廣泛、成本低廉的廢舊輪胎橡膠粉作為聚合物改性劑，既可以減少環境污染，又可以提高瀝青的性能。越來越多的道路工作者聚焦橡膠瀝青路用性能的研究。郭朝陽、曹荷紅等的研究表明，橡膠瀝青擁有良好的降噪和抗紫外老化特性[1-3]。譚憶秋、周純修認為橡膠瀝青路面具有顯著的融雪抑冰效應[4]。雖然橡膠粉對瀝青性能的改善效果顯著，但當橡膠粉含量較低時，改善效果并不明顯，當含量過高時，改性瀝青的粘度過大，施工困難[5]。綜合上述問題，結合SBS和橡膠粉的特點，瀝青復合改性已日益成為道路材料研究和應用的熱點[6-8]。然而，目前大量研究集中于復合改性瀝青的針入度、軟化點和混合料性能，而未對復合改性瀝青的流變性能以及組成材料對其流變性能的影響進行深入分析。

SBS/橡膠粉復合改性瀝青不僅保留了橡膠瀝青的特點，也結合了SBS改性瀝青的優點，對瀝青的高低溫性能均有顯著提升[6]，因此，SBS/橡膠粉復合改性瀝青成為研究改性瀝青的一個重要方向。目前，我國對SBS/橡膠粉復合改性瀝青性能的研究大部分仍停留在177℃布氏旋轉粘度和軟化點等常規指標，但SBS改性劑類型對SBS/橡膠粉復合改性瀝青性能影響的研究少有提及。本研究選用廢舊輪胎橡膠粉和不同類型SBS改性劑復合制備改性橡膠瀝青，并對SBS/橡膠粉復合改性瀝青60℃重復蠕變進行研究，并將試驗結果用Burgers模型分析SBS改性劑類型對其力學性能的影響。研究成果具有較強的實用意義，可指導SBS/橡膠粉復合改性瀝青的原材料選擇及工藝優化。

1 實驗

1.1 實驗原料及儀器

1.1.1 實驗原料

1.1.1.1 基質瀝青本研究采用SK-90號基質瀝青，其組分比例和測試結果見表1。

表1 基質瀝青四組分及性能測試結果

1.1.1.2 SBS改性劑及橡膠粉

本研究采用T-161B、4303、6302及YH-791共4種SBS改性劑，由獨山子石化、燕山石化和岳陽石化生產，其中星型改性劑包括4303與T-161B，線性改性劑包括6302和YH-791。廢舊輪胎膠粉則使用武威裕鑫橡膠制品廠生產的40目硫化橡膠粉。

1.1.2 儀器設備

設備包括：JJ2000B電子天平，101-3A電熱鼓風干燥箱，電阻爐，JJ—1增力電動攪拌器，FM300高剪切分散乳化機，SYD-4508F瀝青延伸度測定器，SYD-2806E瀝青軟化點儀，SYD-2801F瀝青針入度試驗器，RVDV-II+Pro布氏旋轉粘度儀，HR-1動態剪切流變儀。

1.2 實驗過程

因SBS改性劑在瀝青中需經過高速剪切才能分散均勻，本研究采用先剪切后攪拌發育的方式制備SBS/橡膠粉復合改性瀝青，即先將2%SBS（外摻）添加到180℃的基質瀝青中，采用4000r/min的轉速高速剪切45min后停止，之后將稱好的18%膠粉（外摻）緩慢加入剪切完畢的SBS改性瀝青中，將瀝青快速升溫到190℃后攪拌發育1h，停止攪拌保溫待用。

1.3 Burgers模型及重復蠕變試驗

1.3.1 重復蠕變試驗

瀝青是道路工程中應用相當廣泛的粘彈性材料，能夠在較寬的路面溫度范圍內保持粘性和彈性共存的特性，因此，采用粘彈性理論分析瀝青的力學響應得到道路工作者的普遍認可[9]。1992年，美國公路科研的SHRP計劃提出了Superpave體系，即采用瀝青材料的復數模量（G*）與相位角的正弦（sinδ）的比值評價其高溫性能的膠結料分級體系，但新的研究表明，G*/sinδ作為評價瀝青膠結料的高溫性能的指標存在缺陷[10-11]。隨后，美國聯邦公路局進行了加速加載足尺試驗（ALF），結果表明，ALF的車轍深度與Superpave高溫性能參數車轍因子（G*/sinδ）的相關性較差，其與64℃車轍因子的相關系數R2僅為0.13，而基于多重應力蠕變回復試驗（MSCR）的不可回復蠕變柔量Jnr與ALF的車轍深度卻有良好的相關性，相關系數R2高達0.82，Jnr準確表征了聯邦公路局ALF試驗段瀝青混凝土路面抗車轍性能的性能等級[12]。

本研究采用加載1s、卸載9s（或加載2s、卸載18s，加載3s、卸載27s），共循環加載100次，得到其重復加載-恢復的過程圖（圖1），之后通過Burgers流變模型擬合試驗第50次和第51次的結果，最終計算得到蠕變柔量（Jv）。

圖1 重復蠕變試驗加載模式示意圖及變形曲線

1.3.2 Burgers模型

Burgers模型通常由一組Kellvin模型（G1,η1）和Maxwell模型（G0,η0）構成，其中G1,η1表征Kelvin中的彈性成分和粘性成分，而G0,η0則代表Maxwell模型中的彈性成分和粘性成分。因此，瀝青材料對重復蠕變響應的擬合計算包括瞬時彈性變形、滯后彈性變形和粘性變形。

Burgers模型的本構方程如下：

式中：γ為剪應變；τ0為恒定的剪應力，Pa；G0為Maxwell模型中的彈性模量，Pa；η1為Kelvin模型中的粘性系數，Pa.s；η0為Maxwell模型中的粘性系數，Pa.s；t為蠕變時間，即加載時間，蠕變柔量Jv=t/η0。

通過數學變換后的Burgers模型的本構方程可以直接擬合計算蠕變柔量，進而可用Gv=1/Jv反映瀝青材料蠕變勁度模量的粘性成分，評價瀝青材料的高溫抗車轍能力[13]。

圖2 Burgers模型

圖3 蠕變-恢復過程中應變-時間關系曲線

2 結果與討論

2.1 常規試驗比較

采用18%外摻橡膠粉，分別添加2.0%的4303、T-161B、YH-791及6302進行復合改性，實驗檢測結果如表2及圖4所示：

表2 不同改性瀝青試驗結果

圖4 不同改性瀝青試驗結果

結果顯示，SBS改性瀝青常規指標較復合改性瀝青有顯著優勢，復合改性瀝青表現為延度、軟化點及針入度顯著減小，而布氏粘度顯著增大，且星型改性劑的效果更顯著。在SBS/橡膠粉復合改性瀝青中，SBS改性劑與橡膠粉的相容性相對較差，使得部分SBS改性劑在瀝青中呈絮狀、粒狀分布，因此降低了SBS改性劑的改性效果，即SBS/橡膠粉復合改性瀝青的常規指標差于SBS改性瀝青。

就星型、線型SBS改性劑而言，星型改性劑在復合改性瀝青高溫性能方面的改善效果明顯優于線性改性劑。同為星型改性劑，嵌段比20/80的T161B對復合改性瀝青高溫性能提升的幅度大于嵌段比30/70的4303；同為線性改性劑，嵌段比30/70的YH-791對復合改性瀝青高溫性能方面的提升高于嵌段比20/80的6302。軟化點排序如下：SBS改性瀝青＞T161B＞4303＞YH-791＞6302。因星型SBS改性劑分子結構中具有更多交聯點，即與SBS分子及橡膠粉結合更緊密，故星型SBS改性劑比線性改性劑具有更好的高溫性能；同時，SBS改性劑性能呈現兩相分離狀態，即SBS分子中聚苯乙烯其物理交聯作用，在一定范圍內苯乙烯嵌段含量越高，交聯作用越強，即高溫性能越好，而在一定范圍內乙二烯嵌段含量越高，其交聯作用越弱，即低溫柔韌性愈好。

在低溫性能方面，線型改性劑YH-791與6302對復合改性瀝青低溫性能的改善效果顯著優于星型改性劑T161B和6302。同為線型改性劑，嵌段比30/70的YH-791對復合改性瀝青低溫延度效果大于嵌段比20/80的6302；同為星型改性劑，嵌段比20/80的T161B對復合改性瀝青低溫延度效果大于嵌段比30/70的4303。因線性SBS改性劑較星型改性劑的交聯點相對較少，其低溫延展性也更好，所以線性改性劑的低溫性能優于星型改性劑；而在一定范圍內乙二烯嵌段含量越高，其交聯作用越弱，即低溫柔韌性愈好。

上述分析表明，復合改性瀝青常規指標明顯差于SBS改性瀝青；在SBS摻量相同情況下，由星型改性劑制備的復合改性瀝青高溫指標優于線性改性劑，而低溫性能方面則是線性改性劑制備復合改性瀝青優于星型改性劑。

2.2 重復蠕變試驗結果比較

對SBS改性瀝青（SBS摻量4.5%，質量分數）和SBS復合改性瀝青（SBS摻量2.0%，外摻18%膠粉，質量分數）等5種瀝青進行60℃重復蠕變試驗。試驗數據采用數據處理軟件Origin進行Burgers模型擬和，柔量實測與擬和曲線如圖5所示。由圖5可以看出，Burgers模型能夠較好擬合以上5種改性瀝青的蠕變過程。

圖5 5種瀝青的蠕變柔量實測值和擬合值

采用Burgers模型擬合參數η計算瀝青在蠕變過程中的粘性變形模量GV，并根據重復蠕變-松弛曲線計算各種瀝青的累積應變增長率k、累積變形με以及變形恢復率γL/γp，結果如表3及圖6所示。

表3 不同瀝青重復蠕變試驗結果

圖6 不同瀝青重復蠕變試驗結果

上述結果表明：

1）復合改性瀝青的粘性變形模量GV明顯高于SBS改性瀝青，說明其高溫性能較好，且星型SBS改性劑對復合改性瀝青高溫性能的改性效果優于線型SBS改性劑，5 種瀝青高溫性能由高到低排序如下：T161B＞4303＞YH791＞6302＞SBS改性瀝青。

2）上述4 種復合改性瀝青的k值總體均小于SBS改性瀝青，改性瀝青k值由高到低的排列順序為：SBS改性瀝青＞6302＞YH-791＞4303＞T-161B。

3）4 種復合改性瀝青的累計變形顯著低于SBS改性瀝青，按蠕變累計變形從大到小排序如下：SBS改性瀝青＞6302＞YH-791＞4303＞T-161B。

4）卸載過程中SBS改性瀝青和復合改性瀝青大部分變形都能恢復，但復合改性瀝青在相同加載條件下的恢復能力較SBS改性瀝青更強，由大到小排序如下：T-161B＞4303＞YH-791＞6302＞SBS改性瀝青。

由于SBS改性劑與橡膠粉在瀝青中相互交聯形成節點，進而形成彈性空間網絡結構，顯著改善瀝青的高溫流變性能，表現為復合改性瀝青流變性能優于SBS改性瀝青。同時，星型SBS改性劑分子結構中具有更多交聯點，即與SBS分子及橡膠粉結合更緊密，因此，T161B和4303復合改性瀝青的流變性能優于YH-791和6302，即具有更好的高溫抗變形能力。

綜上所述，基于重復蠕變試驗的4種評價指標一致表明復合改性瀝青的高溫抗變形能力明顯優于SBS改性瀝青，且星型SBS改性劑的改性效果明顯優于線性SBS改性劑。

3 結論

通過分析聚合物改性瀝青的改性機理，對比復合改性瀝青和SBS改性瀝青的常規指標性能和基于重復蠕變試驗的高溫流變力學性能，并對SBS改性劑結構差異對SBS/橡膠粉復合改性瀝青高、低溫性能的影響，得出以下結論：

1）復合改性瀝青的常規指標較SBS改性瀝青明顯降低，具體表現在針入度、延度及軟化點顯著減小；且星型SBS改性劑在改善復合改性瀝青高溫性能方面的效果明顯高于線性SBS改性劑，而其對復合改性瀝青低溫性能的改性效果則差于線型改性劑。

2）重復蠕變試驗4種評價指標一致表明復合改性瀝青的高溫抗變形能力明顯優于SBS改性瀝青，且星型SBS改性劑的改性效果顯著優于線性SBS改性劑。

3）通過對5種瀝青常規指標與重復蠕變評價指標的對比分析，并結合相關瀝青混合料試驗，結果表明在評價復合改性瀝青高溫性能時，軟化點與其高溫性能的相關性較低，而重復蠕變試驗的評價更客觀。