直投式SBS改性瀝青SMA混合料技術性能研究

（山東建筑大學道路與交通工程山東省高校重點實驗室，濟南 250101）

利用改性瀝青來提高瀝青路面的抵抗高溫變形、低溫開裂、水損壞以及疲勞裂縫已經成為非常普遍和必要的技術手段[1-2]。近幾年來出現了很多新型的改性技術，如穩定型橡膠改性瀝青、橡塑合金改性瀝青等，對瀝青混合料的高低溫路用性能、力學性能和耐久性均有明顯的改善作用[3-6]。然而在當前瀝青路面建設和養護市場中，使用量最大的仍然是SBS 改性瀝青，約占國內改性瀝青消耗總量的90%以上。SBS改性瀝青技術指標受改性工藝影響非常大[7]，成品出廠技術指標穩定性差；且在高溫生產過程中，基質瀝青本身已經形成了一定程度的老化，在后期的改性瀝青存儲和運輸中，形成交聯結構的SBS 又會發生熱-氧降解[8-9]，使得瀝青韌性減小，嚴重降低了SBS 改性劑對改性瀝青的貢獻[10-11]。

從添加劑型高模量在瀝青混合料中作用機理可以得到啟示[12]，瀝青混合料可以在拌和過程中加入添加劑來實現某種特性。在合適的條件下，將SBS 改性劑與其他輔劑通過機械磨細，完成初次熱混，制備成均勻的改性劑，通過這種方式可大大縮短后續再分散的時間。在瀝青混合料生產的干拌過程中，將上述改性劑投入至拌缸中，使其承受高溫骨料強勁的攪動和揉搓，伴隨著劇烈的機械能和熱能交換，可在極短的時間內發生熔融和分散，以便在隨后的濕拌過程中完成對瀝青乃至瀝青混合料的改性作用，代替成品SBS 改性瀝青來使用。直投式工藝的實現，可以打破SBS 改性瀝青長途運輸和長時間存儲的限制，減少拌和現場改性瀝青存儲罐的投入，降低膠結料加溫、保溫所需的能源消耗，減少瀝青老化和SBS 熱-氧降解程度從而延長瀝青路面使用壽命。

本試驗以自主研發的直投式SBS 改性劑，依托京臺高速公路瀝青路面維修工程，在實驗室內設計直投式SBS 改性瀝青混合料SMA-13，通過對高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性和疲勞性能等測試，分析了直投式改性瀝青混合料的路用性能，并與相同礦質組成的成品SBS改性瀝青混合料進行比較，從技術層面判定以直投式工藝代替工廠化改性瀝青的可行性。

1 試驗材料

為了與成品SBS 改性瀝青混合料進行對比，并分析其工程可行性，選擇京臺高速公路將要施工的表面層SMA-13 瀝青混合料作為研究對象，以相同礦質骨料，分別采用直投式SBS 改性劑+基質瀝青、成品SBS 改性瀝青制備混合料，在滿足設計指標基礎上評價瀝青混合料各項路用技術性能。

1.1 礦料

粗、細集料選用優質玄武巖，按照標準篩孔尺寸篩分分檔使用，測定物理指標見表1；各項技術指標符合現行技術規范要求[13]。填料采用石灰巖磨細礦粉，測定技術見表2。

表1 集料相對密度（對應篩孔的篩余顆粒）

表2 填料技術指標

1.2 瀝青膠結料

直投式SBS 改性瀝青混合料直接以70#基質瀝青作為膠結材料，比較對象采用成品SBS 改性瀝青，兩者主要技術指標見表3，均滿足現行公路瀝青路面對瀝青膠結料的技術要求，可以用于瀝青混合料技術性能的評價試驗方案。

表3 填料技術指標

1.3 直投式SBS 改性劑

SBS 改性劑是苯乙烯-丁二烯的嵌段共聚物，具有很大的分子量，通常在幾萬到幾十萬不等。當受熱融化后，其組成分子排列雜亂且相互糾纏，增加了分子間摩擦力，使得改性劑流動性極差而難以分散、分解。常規SBS 改性劑與普通石油瀝青的溶解度就很差，分子量越大，越難以加工改性瀝青，必需要經高溫瀝青的溶解、膠體磨剪切、發育以及穩定等多道工序進行生產，更無法直接采用直接拌和工藝，在短時間內制得改性瀝青混合料，因此要消耗大量的能源，且很難保證改性瀝青的使用質量。

將SBS 改性劑與和瀝青溶解度參數較好的樹脂類材料、潤滑類材料等通過雙螺桿擠出機的剪切、分散等作用形成預混，然后進行造粒加工，成為有一定韌性的黑色顆粒，得到直投式SBS 改性劑，粒徑大小約為3 ～5 mm。此時的改性劑有效SBS 成分能保持原有的改性作用，同時降低了分子間的摩擦力，提高了熱拌和時的熔融和分散能力，使得直接拌和工藝得以實現。

2 改性瀝青指標的驗證

為評價直投式SBS 改性工藝和成品SBS 改性瀝青的技術性能差異，同時確定直投式SBS 改性劑摻量，參考傳統改性工藝在實驗室內制備改性瀝青試樣。以表3 中70#瀝青為基質瀝青，試驗采用小型剪切機進行改性劑的分散，摻量分別取基質瀝青的4%、5%、6%和7%。四種方案得到改性瀝青常用的三大技術指標見表4。

表4 不同摻量改性劑制備改性瀝青技術指標

瀝青的三大指標試驗，設備普及率高，操作簡單，一般技術人員可以熟練掌握，因此用作普通瀝青及改性瀝青入場檢查的常規項目，也可以用來進行改性效果的比較分析。

針入度主要表征瀝青材料的黏滯性，即抵抗變形的能力。從表4 中可以看出，隨著改性劑摻量的提高，瀝青的針入度值不斷減小，表明瀝青材料阻礙荷載下試針在其內部移動的能力得到了提高，起到了與SBS 改性相同的改善效果。

軟化點代表瀝青材料滴落流態和硬化點之間溫度間隔的87.21%，反應瀝青材料的熱穩定性。隨著直投式SBS 改性劑摻量的增加，改性瀝青軟化點逐漸升高，相應的將減少瀝青路面在高溫狀態下由于膠結料軟化造成的流動變形。

延度代表了瀝青材料能夠承擔塑性變形的能力，間接反應了瀝青路面在低溫狀態下消散內部溫度應力、防止低溫開裂的能力。隨著SBS 改性劑摻量的增加，瀝青的延度不斷增大，但從6%摻量和7%摻量的增幅可以看出增長趨勢有了明顯的下降，低溫性能改善作用不再顯著。

從以上結果可以看出，采用直投式SBS 改性劑制備改性瀝青，具有改善瀝青高、低溫性能，增強瀝青材料粘滯性的作用；隨著改性劑摻量增加，其變化趨勢與成品SBS 改性工藝基本一致，可以作為成品SBS 改性瀝青混合料試驗的比對方案進行研究，改性劑摻量根據表4 結果取6%作為比對摻量。

3 瀝青混合料組成設計

直投式SBS 改性瀝青混合料采用馬歇爾方法進行設計，設計級配如表5所示。

表5 直投式SBS 改性瀝青混合料設計級配

將礦質混合料加熱至170～180 ℃，保溫至少4 h后放入拌和鍋，加入直投式SBS 改性劑（可同時加入纖維穩定劑）后干拌一個周期（約90 s），隨后加入70#基質瀝青拌和一個周期，最后加入礦粉拌和一個周期，得到直投式改性SMA 瀝青混合料。改性劑摻量為瀝青質量的6%（內摻）。為了便于和普通SBS 改性瀝青混合料比較，排除瀝青膠結料總量對結果的影響，試驗采用相同級配的礦料，以成品SBS 改性瀝青作為膠結料制備對照組混合料，瀝青用量為直投式改性劑與基質瀝青質量總和。

瀝青是一種感溫性材料，其黏度隨溫度變化是其重要的性能，用以確定瀝青混合料的拌和、攤鋪和碾壓溫度，溫度越低則表明施工和易性較好。為了直觀地評價直投式SBS 改性瀝青混合料的施工和易性，分別在165 ℃、170 ℃和175 ℃下成型馬歇爾試件，技術參數見表6。

表6 SBS 改性瀝青混合料SMA-13 馬歇爾技術指標

直投式SBS 改性劑在熱集料的剪切作用下熔融，分散于熱態基質瀝青中并發生交聯，形成“改性瀝青”，其總質量等于對照組SBS 改性瀝青用量。

從表6 中可以看出，在相同級配條件下，隨著成型溫度的升高，瀝青混合料空隙率不斷降低，相應的礦料間隙率減小，瀝青飽和度增加，說明隨著瀝青黏滯性的減小，礦質混合料之間的間隙在恒定的擊實功下被壓縮的更小；與成品SBS 改性瀝青相比，直投式改性SMA 混合料在165 ℃下成型就可以達到前者170 ℃成型的密實水平，說明在施工溫度范圍內，直投式SBS 改性工藝混合料內部滯阻力較小，具有較好的施工和易性，可適當降低混合料的生產溫度，減少瀝青老化，降低施工難度。

4 技術性能試驗評價

在混合料設計結果基礎上，以4%空隙率作為成型標準，進一步評價兩種工藝下改性瀝青混合料的技術性能。因兩者級配和各項體積參數基本相同，技術性能差異主要因素就是改性工藝的不同。

4.1 高溫穩定性

提高瀝青混合料在高溫季節抵抗車轍變形能力，是使用SBS 改性瀝青的主要目的之一。采用現行規范試驗方法，以4%空隙率對應毛體積密度，輪碾法成型30 cm×30 cm×5 cm 板式試件，測定標準條件60 ℃/0.7 MPa 下兩種瀝青混合料的動穩定度，試驗結果如圖1所示。

圖1 兩種瀝青混合料車轍試驗結果

從圖1 可以看出，直投式改性SMA 混合料和成品SBS 改性瀝青混合料動穩定度分別達到了5 600 次/mm 和4 523 次/mm，均滿足改性瀝青混合料SMA-13 高溫穩定性要求。相同級配情況和“瀝青總量”下，直投式改性SMA 瀝青混合料具有更高的動穩定度結果，高出成品改性瀝青拌和工藝23.8%。

4.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性檢驗采用小梁試件（250 mm×30 mm×35 mm）低溫彎曲試驗方法。試驗溫度為-10 ℃，加載速度為5 cm/min，采集最大破壞荷載對應的跨中撓度計算彎曲破壞應變，用來評價抗裂性的評價指標，測試結果見表7。

SBS 改性同樣具備改善瀝青低溫性能的作用，通過提高瀝青的低溫延性，在相同拉應變發展下延緩斷裂的發生，從而增強瀝青路面抵抗低溫縮裂的能力。

從表7 測試結果可以看出，兩種改性瀝青混合料低溫抗裂性均能滿足規范要求；從數值上看，直投式改性SMA 混合料最大彎拉應變低于成品SBS 改性混合料；從降低幅度上看，不足后者破壞應變值的4%，考慮到試驗數據本身的離散性可以看出，兩種瀝青混合料在低溫抗裂性方面表現基本相當。

表7 低溫彎曲試驗結果

4.3 水穩定性

水穩定性檢驗采用凍融劈裂試驗中得到的殘留劈裂強度比RST，試件采用雙面擊實50 次的馬歇爾試件2 組，分別作為試驗組和對照組。試驗組經過真空飽水、低溫冰凍、熱水浴融化的循環過程一次，以削弱瀝青結合料與礦料之間的黏附能力，從而表現為間接抗拉強度的降低。兩組改性瀝青混合料測試結果見圖2。

從圖2 中可以看出，兩種改性混合料試驗結果均滿足規范關于水穩定性的要求；直投式SBS 改性瀝青要優于成品改性瀝青拌和的瀝青混合料。這是由于改性劑在高溫熔融狀態，其中一部分黏附在礦料表面，形成骨料與瀝青黏附的強力膠，增強界面結合力；其余部分則與瀝青混合、分散，以增強瀝青內聚力。因此，從水穩定性結果可以看出，直投式SBS 改性工藝不僅是對瀝青進行改性，同時也起到了改性骨料界面結合力的作用。

圖2 凍融劈裂試驗測試結果

4 疲勞性能

應用四點彎曲小梁疲勞試驗評價兩種SBS改性瀝青混合料的疲勞性能，如圖3所示。疲勞試驗在20 ℃的中溫水平下進行；采用應變控制模式，應變水平取600 μ、800 μ、1 000 μ三種應變水平；試驗荷載頻率為10 Hz，采用連續正弦波形荷載加載。試驗以試件實時勁度模量衰減至初始勁度50%時的加載次數作為疲勞壽命[14-15]。表8 給出了兩種改性瀝青混合料的疲勞壽命試驗結果。

圖3 四點彎曲疲勞試驗裝置

表8 疲勞壽命試驗結果

結合瀝青路面在實際車輛荷載下的應變分布及大小的規律可知，兩種瀝青混合料應用到瀝青路面中都會有較高的疲勞壽命。

從表8 可以看出，隨著應變水平的增大，兩種瀝青混合料疲勞壽命都出現了降低的趨勢，符合瀝青混合料疲勞破壞的基本規律；在單一應變水平下比較，直投式改性SMA 瀝青混合料和成品SBS 改性瀝青混合料的疲勞壽命并無明顯的高低之分；600μ 水平下由于試驗值基數最大，相應的也出現了差值絕對值的最大差，但僅為平均值的2.7%，為三組中最小值，最大值則為5.1%，均小于各自平行試驗的數據離散程度。由此可以認定，兩種改性瀝青混合料在疲勞性能方面表現相當，直投式改性SMA 瀝青混合料疲勞壽命不低于相同條件下的成品SBS 改性瀝青混合料。

5 結論

a）與成品SBS 改性瀝青混合料相比，直投式改性SMA 瀝青混合料具有較好的和易性，可在一定程度上降低混合料的生產溫度，降低瀝青短期老化程度和路面施工難度。

b）直投式改性SMA 瀝青混合料在高溫穩定性和水穩定性方面明顯優于成品SBS 改性SMA混合料，低溫抗裂性和疲勞性能方面與成品SBS改性SMA 瀝青混合料相當。

c）直投式改性SMA 瀝青混合料在技術性能方面符合現行規范技術要求，且不低于目前已經成熟的SBS 改性瀝青混合料技術，可以代替工廠化改性瀝青用于瀝青路面之中。