SBR/BRA復合改性瀝青流變性能試驗研究

柳 毅

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院 烏魯木齊市 830000)

0 引言

巖瀝青作為瀝青改性劑，摻入基質瀝青中具有很好的高溫性能和抗老化耐久性，與基質瀝青相容性很好，能夠增加瀝青的粘度使瀝青與集料的結合強度提高。但眾多研究成果表明，巖瀝青用于瀝青路面中降低了路面的低溫性能[1]。樊亮等人通過將國產巖瀝青加入到不同的基質瀝青中研究巖瀝青改性瀝青的性能時發現巖瀝青會降低基質瀝青的低溫延度，且隨著巖瀝青用量的增加，瀝青的低溫脆性會更加嚴重[2]。劉樹堂等人通過采用電子探針和抽提技術對巖瀝青的微觀結構和巖瀝青中富含的純瀝青的四組分進行研究分析，結果發現與常規的石油瀝青相比，巖瀝青中的膠質含量特別低，瀝青質含量很高，一定程度降低了瀝青的低溫性能[3]。為了使巖瀝青改性瀝青具有很好的綜合使用性能，需要尋找一種改性劑用來提高巖瀝青改性瀝青的低溫性能。

丁苯橡膠用于基質瀝青中能夠改善瀝青的使用性能等特點而逐漸被廣泛用于瀝青路面材料中，它可以通過增加瀝青粘度促進瀝青和集料的粘著力。研究表明丁苯橡膠可明顯降低瀝青的脆性，進而提高瀝青路面的低溫抗裂性能[4]。崔亞楠等人采用BBR試驗研究了橡膠粉加入巖瀝青中的低溫性能，試驗數據證明橡膠粉可以降低勁度模量S，增加蠕變斜率m值，從而改善了瀝青的低溫性能[5]。但同時大量的研究表明橡膠粉用于瀝青路面中會影響瀝青的抗老化性能[6]。

考慮到以上兩種改性劑加入瀝青后的表現特點，擬將兩種改性劑復摻加入到基質瀝青中，希望兩種改性劑加入瀝青中性能能夠起到互補作用，得到一種綜合性能良好的瀝青材料。選取了粉末狀和膠乳狀兩種類型的丁苯橡膠，研究兩種橡膠產品及其各自不同的摻量對瀝青性能產生的影響。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料性能

試驗用基質瀝青選用埃索70#A級石油瀝青，布敦巖瀝青(BRA)產自印尼布敦島，具有良好的高溫性能和耐久性，根據廠家推薦及前期研究得出布敦巖瀝青摻量確定為15%。基質瀝青和巖瀝青技術性能分別見表1、表2。試驗用到的橡膠采用天津某橡塑制品加工公司產的SBR1502橡膠粉(簡稱SBR-1)和GM-1040SBR膠乳(簡稱SBR-2)，其物理指標性能都滿足技術要求。

表1 A-70#基質瀝青技術指標

表2 布敦巖瀝青技術性能

1.2 試驗方案

通過布氏旋轉粘度試驗測試SBR-1、SBR-2兩種不同改性劑在0%、2%、4%、6%、8%等不同摻量時的復合改性瀝青在135℃、145℃、155℃、165℃和175℃等五種溫度下的旋轉粘度，分別得到兩種SBR改性劑摻量對瀝青粘度的影響規律；然后對兩種SBR改性劑不同摻量下的復合改性瀝青進行DSR和BBR試驗，通過車轍因子、蠕變勁度和蠕變斜率、疲勞因子等相關指標分析評價復合改性瀝青的高溫和低溫性能、耐疲勞性能，得到SBR改性劑的最佳摻量范圍。

2 試驗結果分析

2.1 高溫性能

(1)旋轉粘度

采用布氏旋轉粘度儀對制備的復合改性瀝青測試135℃、145℃、155℃、165℃和175℃等五種溫度下的旋轉粘度，轉子轉速為10r/min，并將橫坐標溫度換算為絕對溫度的對數值，將試驗結果繪制于圖1和圖2中。

圖1 粘度指標隨SBR-1摻量的影響變化

圖2 粘度指標隨SBR-2摻量的影響變化

隨著溫度的升高，改性瀝青粘度逐漸減小。由圖1可以看出，SBR-1改性瀝青的粘度均大于BRA改性瀝青的粘度，且同種溫度下隨著SBR-1摻量的增加，瀝青粘度逐漸增大，由此可知，SBR-1可以增加改性瀝青的粘度，可能原因是SBR-1膠粉加入瀝青后會吸收其中的油分等輕質組分并發生溶脹反應導致瀝青質含量增加或瀝青質間距變小，從而導致瀝青變硬，粘度增加；從圖2可以看出，加入SBR-2后降低了瀝青的粘度，且同樣的溫度下隨著SBR-2摻量的增加，這種降低程度越大，說明SBR-2會減小瀝青的粘度，使瀝青變軟，流動性增大，可能是由于加入SBR-2后導致瀝青的彈性成分增加，而粘性成分減少，出現這種情況與文獻[7]的結論很相似，可以用SBR-2加入瀝青后在其內部形成了空間彈性網絡體系來解釋，但具體原因還有待進一步研究。

(2)DSR高溫流變性能

通過動態剪切流變儀對兩種橡膠改性劑制備的不同摻量的改性瀝青進行溫度掃描試驗，溫度掃描范圍50～80℃，荷載頻率為1.59Hz,得到了不同溫度下的DSR試驗結果，以試驗得到的剪切模量G*和相位角δ計算得到車轍因子G*/sinδ用來評價改性瀝青的高溫性能，結果見圖3和圖4。

圖3 車轍因子隨溫度變化影響(SBR-1)

圖4 車轍因子隨溫度變化影響(SBR-2)

從圖3可知，隨著溫度的升高，車轍因子逐漸變小，由于溫度升高，瀝青的彈性成分減少，粘性成分增加，瀝青結合料受荷載發生變形后可恢復能力降低；同樣的溫度條件下隨著SBR-1摻量的增加車轍因子逐漸增大，說明SBR-1加入瀝青后在剪切荷載的作用下抵抗變形的總阻力增大，從而增加瀝青的高溫抗變形特性。從圖4可知，同種溫度下隨著SBR-2摻量的增加，車轍因子先增大后減小，在SBR-2摻量為4%時達到最大。

2.2 疲勞性能

按照SHRP研究成果表明，瀝青對路面疲勞的貢獻率高達52%。為評價瀝青的疲勞性能，SHRP提出與瀝青車轍因子相類似的疲勞因子(G*Sinδ)作為瀝青抗疲勞性能的評價指標，且G*Sinδ較小時更好，較小的G*Sinδ表現出更好的抗疲勞特性。采用動態剪切流變試驗儀，加載頻率10rad/s，通過試驗獲取了溫度區間為20～60℃范圍內的復數剪切模量及相位角，從而計算出相應的疲勞因子G*Sinδ，結果見圖5和圖6。

圖5 疲勞因子隨溫度變化影響(SBR-1)

圖6 疲勞因子隨溫度變化影響(SBR-2)

從圖5和圖6可以看出，隨著溫度的增加，兩種橡膠改性劑的瀝青疲勞因子均逐漸減小，且同樣溫度下隨著SBR摻量的增加表現出同樣的變化規律，即疲勞因子逐漸變小。說明SBR-1和SBR-2兩種改性劑對瀝青的疲勞性能都有所改善，能夠提高瀝青的抗疲勞特性。此外，SBR-1和SBR-2都在摻量為4%～6%時大幅度減小了疲勞因子，表現出了顯著的作用效果；在摻量6%～8%時作用效果不明顯。

2.3 低溫性能

通過低溫小梁彎曲試驗(BBR)對兩種SBR改性劑不同摻量的BRA改性瀝青進行試驗，試驗溫度選取-6℃和-12℃，采用試驗60s時得到的蠕變勁度S和蠕變斜率m作為評價SBR/BRA復合改性瀝青低溫性能的指標，試驗結果見圖7和圖8。

圖7 蠕變勁度隨溫度變化影響

圖8 蠕變斜率隨溫度變化影響

從圖7和圖8可以看出，溫度在-6℃條件下SBR-1和SBR-2對應的改性瀝青的蠕變勁度S和蠕變斜率m都滿足S<300MPa和m>0.3的要求，在-12℃時SBR-1改性瀝青的蠕變勁度和蠕變斜率均不滿足要求，SBR-2只有在摻量為6%～8%時才滿足要求。無論是SBR-1還是SBR-2，在同樣溫度條件下，隨著SBR改性劑摻量的增加，瀝青的蠕變勁度逐漸減小，且SBR-2對應的改性瀝青的蠕變勁度相對SBR-1減小的幅度較大，蠕變斜率相對SBR-2增加幅度大。此外可以發現兩種改性劑摻量在4%～6%時改善效果較為顯著，在6%～8%時效果不明顯。說明兩種SBR改性劑都可以改善瀝青的低溫性能，但SBR-2的效果更好，這可能與SBR-1中含有較多的丁苯二烯有關系。由此可以看出，兩種SBR改性劑彌補了巖瀝青低溫性能差的缺點。

3 結論

通過將兩種橡膠改性劑分別與巖瀝青復配制備復合改性瀝青，研究了兩種橡膠改性劑不同摻量對復合改性瀝青性能的影響規律，主要得出以下結論：

(1)通過布氏旋轉粘度試驗可以得出，隨著溫度的升高，改性瀝青粘度逐漸減小；SBR-1能夠有效增加BRA改性瀝青的粘度，而SBR-2會減小瀝青的粘度，但具體原因還有待進一步研究。

(2)通過DSR溫度掃描試驗可以得出，隨著溫度的升高，車轍因子逐漸變小；SBR-1可增加瀝青的高溫抗變形特性。SBR-2對應的車轍因子先增大后減小，在摻量為6%以后高溫性能降低。

(3)通過DSR中溫疲勞試驗可以得出，SBR-1和SBR-2兩種改性劑都能夠提高瀝青的抗疲勞特性，且SBR-1和SBR-2在摻量為4%～6%時效果顯著；在摻量6%～8%時效果不明顯。

(4)通過BBR試驗可以得出，兩種SBR改性劑都可以改善瀝青的低溫性能，但SBR-2的效果更好，兩種改性劑摻量在4%～6%時效果顯著，在6%～8%時效果不明顯，兩種SBR改性劑彌補了巖瀝青低溫性能差的不足。