巖瀝青與SBS復合改性高黏瀝青的配比研究

黃 剛，賀俊璽，張 霞，龔 巍

(1. 重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074；2.湖南大學 設計研究院有限公司，長沙 410082)

目前，中國公路交通量增長迅速，超重載持續增加，對瀝青混凝土路面提出了越來越高的要求，促進了改性瀝青的快速發展[1-4]。在層出不窮的瀝青改性劑中，天然巖瀝青已日漸被關注，因為其與各種瀝青均具有良好的配伍性，便于生產、運輸等特點[5-8]。近年來，在交通領域的道路研發方面，應用巖瀝青的規模越來越大，其中包括了北美巖瀝青以及國內廣元、新疆等地出產的巖瀝青。基質瀝青可以通過添加一定量的天然巖瀝青，使其高溫穩定性和路面抗車轍的能力有較大程度的提高[9-13]，同時，SBS改性劑是現有瀝青改性劑中，綜合表現最好的瀝青改性劑之一，被廣泛應用于道路路面的建設或用于進行各類材料的復合改性瀝青的研發，該改性劑可使瀝青的綜合路用性能得到一定幅度的提升，價格低廉具有高性價比的特點[14-18]。

筆者主要以均勻設計方法為主，著重研究巖瀝青與SBS改性劑復合改性制備高黏瀝青的配比問題，分別對制備出的復合改性瀝青進行一系列瀝青性能試驗，并以高黏瀝青的指標為基準，以制備出的復合改性瀝青的基本性能為參考指標，建立該復合配比的數學模型，通過MATLAB軟件計算確定巖瀝青與SBS改性劑的最佳配比，研發出基于該配比下的復合高黏瀝青材料。

1 試驗原料

試驗原料：基質瀝青(中海AH-70#瀝青)；巖瀝青(伊朗的中東的巖瀝青)；SBS改性劑(SBS-4401熱塑丁苯橡膠，中國石化巴陵石油化工有限公司生產)。3種材料的基本性能指標分別如表1～表3所示。

表1 中海AH-70#瀝青性能指標Table 1 CNOOC AH-70# asphalt performance index

表2 中東巖瀝青性能指標Table 2 Performance index of Middle East Rock asphalt

表3 SBS改性劑性能指標Table 3 Performance index of SBS modifier

2 改性瀝青制備方法

改性高黏瀝青的制備步驟：1)將基質瀝青熔化；2)直接摻入試驗所需用量的SBS改性劑，進行適當攪拌，保持在160 ℃下1 h，進行溶脹發育；3)接著以4 000～5 000 r/min的轉速，在180 ℃的溫度下，高速剪切1 h；4)再以800 r/min 的轉速高速剪切1 h；5)再放置于170 ℃的烘箱中，恒溫烘2 h，并在室溫(25 ℃)下，靜置發育1 d；6)將天然巖瀝青分3次加入已成型的SBS瀝青中，每次加入的量均應大致相等，注意在每次巖瀝青加入后，應置于180 ℃的油浴中，并進行15 min高速剪切，以4 000～5 000 r/min的轉速，再高速剪切5 min，以1 000 r/min的轉速，分別重復3次，總的剪切時間為1 h；7)最后將樣品在170 ℃的烘箱中烘2 h進行高溫處理，取出后在常溫條件下(25～30 ℃)自然冷卻24 h，即可。其制備流程如圖1所示。

圖1 改性瀝青制備流程圖Fig. 1 Preparation flow chart of modified asphalt

3 基于均勻設計法試驗摻量組合設計

利用均勻設計表，可以從所有的測試點中選擇分布均勻、具有反應出體系代表性和主要特征的測試點，從而降低試驗次數，減少試驗強度。該方法對試驗結果不存在較大影響，但應對試驗結果采用回歸分析方法進行處理分析，從而接近最真實的試驗結果。

表4 因素水平表Table 4 Factor level table

表5 U5(53)均勻設計表Table 5 U5(53) homogeneous design table

表6 U5(53)使用表Table 6 U5(53) using table

由表6可知，偏差值D越小，該試驗所選取的試驗點的均勻分布程度越優，參考文中選取的試驗因素，選用第1、2列進行設計。根據表4～表6的參數，設計得到試驗材料摻配組合如表7所示。

表7 試驗摻量組合Table 7 Test admixture combination

4 試驗結果分析

研究中除試驗設計的材料摻配組合外，再采用1組成品高黏瀝青做對比分析，成品高黏瀝青性能指標如表8所示(其參數指標參考《高粘高彈道路瀝青》(GB/T 30516—2014)與日本《排水性鋪裝技術指針》)。

表8 成品高黏瀝青性能指標Performance index of high viscosity asphalt

4.1 針入度試驗分析

針入度反應了瀝青的流變學性能，表示瀝青在特定的試驗溫度條件下的稠度。針入度試驗采用SYD-2801D針入度儀(下列試驗若無特別說明，其試驗儀器均為上海昌吉地質儀器有限公司所制造)。試驗溫度條件為：15 ℃、25 ℃、30 ℃的恒溫水浴，試驗結果如表9所示。

表9 針入度試驗結果Table 9 Test results of the penetration degree

根據表9可知，1# ～5#試驗組，針入度值均遠遠小于對應的成品高黏瀝青，說明2種改性劑使基質瀝青流變性能減弱，導致針入度減小。因為1#、2#、3#、4#、5#樣品的巖瀝青的摻量逐次增加，但SBS改性劑的摻量未存在嚴格遞增，說明復合改性瀝青的流變性能受天然巖瀝青的影響更大。不同試驗溫度下與成品高黏瀝青針入度對比可知，在15 ℃、25 ℃、30 ℃ 時，1#試驗組的針入度值均為各試驗組的最大值，分別為20.7/0.1 mm、46.3/0.1 mm、56.0/0.1 mm，均小于對應溫度下成品高黏瀝青的針入度值，32.0/0.1 mm、71.0/0.1 mm、80.0/0.1 mm，說明所制備的高黏改性瀝青稠度更高。在25 ℃時，1#、2#樣品的針入度值分別為46.3/0.1 mm與42.7/0.1 mm，均大于40/0.1 mm，滿足高黏瀝青指標要求。

利用不同巖瀝青含量及其相應的針入度，得到巖瀝青含量和針入度之間的關系，如圖2所示。

圖2 巖瀝青摻量與針入度關系圖Fig. 2 The relation diagram of the amount of rock asphalt and the penetration degree

由圖2可知，在該復合改性瀝青中，巖瀝青的摻量與針入度變化情況存在顯著線性相關關系，其擬合決定系數為0.965 1。利用15 ℃、25 ℃、30 ℃水浴溫度狀態下的針入度值，根據式(1)、式(2)計算得到針入度指數PI值，如表10所示。一般來說，瀝青PI值越小，溫度敏感性越大，瀝青性能越差；反之瀝青性能越優。

lgP=AT+K，

(1)

(2)

式中：lgP為針入度的對數值，mm；K為關系試中的截距，mm；T為測試溫度，℃；PI為針入度指數；A為感溫系數。

表10 由各溫度針入度回歸所得PI值Table 10 PI values derived from the regression of each the penetration degree

由表10可知，1#、2#、3#、4#、5#的針入度指數PI值分別為2.072、2.170、0.753、0.135與-0.400，1#與2#試驗組的PI值與成品高黏瀝青PI值(2.579)接近。3#、4#、5#試驗組的PI值遠遠小于成品PI值(2.579)。根據5#試驗組，巖瀝青摻量為12.5%，PI值為-0.400，為負數，根據規范可知，SBS(I-D型)改性瀝青其PI值應該大于0，說明加入的巖瀝青大大增加了瀝青的溫度敏感性。2#與3#試驗組，巖瀝青摻量分別為5.0%與7.5%，僅增加了2.5%，但針入度指數PI從2.170急劇減小到0.753，說明巖瀝青的摻量介于5%～7.5%時，對復合改性瀝青感溫性的影響敏感度極高。推測巖瀝青摻量宜介于5% ～7.5%之間。

4.2 延度試驗分析

低溫延度試驗可表征瀝青的低溫性能，延度試驗采用SYD-45DBF調溫調速的延度拉伸試驗儀，試驗環境溫度為15 ℃ 恒溫水浴。延度試驗結果如表11所示。

表11 延度試驗結果Table 11 Test result of ductility

改性瀝青1#、2#的延度值分別為90.8 cm、74.4 cm，滿足高黏瀝青延度指標要求(≥50 cm)，低于成品高黏瀝青延度值；3#、4#、5#的延度分別為30.7 cm、38.5 cm、28.4 cm，都低于50 cm。2#與3#試驗組，巖瀝青摻量分別為5.0%、7.5%，僅增加了2.5%，但延度減小值達44.0 cm。當巖瀝青摻量值大于7.5%時，盡管對應試驗組的SBS改性劑摻量值有所增加，但延度值都在28～40 cm之間，小于50 cm。說明改性瀝青的延度受巖瀝青的負影響作用，在復合改性摻配中巖瀝青摻量宜小于7.5%。

4.3 軟化點試驗分析

軟化點表示瀝青從固態變為液體的1個臨界溫度，可表征瀝青的高溫穩定性。軟化點試驗采用SYD-2806E軟化點試驗儀，軟化點試驗結果如表12所示。

表12 軟化點試驗結果Table 12 The test result of softening point

由表12可知，1#、2#、3#的軟化點分別為69.8 ℃、74.8 ℃、67.3 ℃均低于高黏瀝青軟化點的合格指標(>80 ℃)，4#與5#的軟化點分別為82.7 ℃、89.3 ℃，均大于該合格指標。根據2種改性劑特性可知，改性劑的總摻量與改性高黏瀝青的軟化點有關，當5#改性劑復合摻量最大時(達到20.5%)，其軟化點比成品高黏瀝青還要高。然而，1#的總摻量最小，只有7.5%；3#的總摻量雖然大于1#的總摻量，達到了11.5%，但其軟化點仍比1#小2.5 ℃。對比巖瀝青摻量：1#(2.5%)小于3#(7.5%)；對比SBS改性劑摻量： 1#(5%)大于3#(4%)。說明SBS改性劑對改性瀝青高溫穩定性的提升效果占主要部分。

4.4 60 ℃動力黏度試驗分析

60 ℃動力黏度是高黏瀝青的控制性核心指標，該指標合格與否，決定了能否成功開發出合格的改性高黏瀝青。試驗采用SYD-0620A真空減壓毛細管黏度儀，試驗結果如表13和圖3所示。

表13 60 ℃動力黏度試驗結果Table 13 The test result of 60 degrees dynamic viscosity

圖3 動力黏度與復合摻量的關系Fig. 3 Relationship between dynamic viscosity and content of compound modifier

由表13可知，改性瀝青1#樣品的動力黏度為18 692 Pa·s，略小于合格指標(>20 000 Pa·s)；2#、3#、4#、5#的動力黏度分別為25 162 Pa·s、20 134 Pa·s、30 651 Pa·s、54 138 Pa·s均大于高黏合格指標。由表7可知，改性劑總摻量由小到大的排列順序為：1#2#3#4#5#，而動力黏度由小到大的排列順序為：1#2#3#4#5#，對動力黏度與改性劑復合摻量進行線性擬合，擬合決定系數為0.826。該線性擬合關系成立，具有良好的相關性，說明基質瀝青增加黏性的程度受復合改性劑的總摻量的控制。

4.5 旋轉黏度試驗及分析

測試不同溫度條件下瀝青的表觀粘度由Brookfield黏度試驗測試。儀器為NDJ-1F布氏黏度計。在120 ℃、135 ℃、170 ℃時的復合改性瀝青的Brookfield黏度測量以評估復合改性瀝青的黏彈性性質。試驗結果如表14和圖4所示。

表14 布氏黏度試驗結果Table 14 The test result of Brookfield viscosity

圖4 布氏黏度與復合摻量的關系Fig. 4 The relationship between Brookfield viscosity and composite content

由表14可知，1#、2#、3# 135 ℃布氏黏度分別為2.5 Pa·s、2.89 Pa·s、2.61 Pa·s，與成品高黏瀝青相比其布氏黏度非常接近，均滿足合格標準(<3 Pa·s)。4#、5# 135 ℃布氏黏度分別為4.08 Pa·s、6.37 Pa·s均不滿足高黏瀝青的合格標準(<3 Pa·s)。復合摻量由大到小排序為：5#>4#>2#>3#>1#，而135 ℃布氏黏度由大到小排序為：5#>4#>2#>3#>1#，對布氏黏度與改性劑復合摻量進行線性擬合，在120 ℃、135 ℃、170 ℃的溫度下的擬合決定系數分別為0.898、0.851、0.927，表明在不同溫度下布氏黏度與改性劑的復合摻量呈良好的線性關系。同時，基質瀝青的黏性增加均受這2種改性劑的影響，這與60 ℃動力黏度的試驗結果具有相同的特性。

基于溫度120 ℃、135 ℃、170 ℃，通過1# ～5#試驗組已測定的表觀粘度，并根據式(3)、式(4)分別建立粘溫關系曲線，計算出粘溫指數VTS，如表15所示。

lg(T+ 273.13) =N-M[lg(lgA)]，

(3)

(4)

式中：N、M為系數；T為試驗溫度，℃；VTS為粘溫指數；A1、A2為170 ℃、120 ℃對應的黏度值/Pa·s；T1、T2分別為170 ℃、120 ℃。

表15 粘溫關系曲線表Table 15 Viscosity-temperature relation curve table

由表15可知，復合改性瀝青1#、2#、3#、4#、5#的粘溫關系曲線的決定系數分別為0.998、0.985、0.999、0.999、0.984，說明1# ～5#試驗組所擬合的粘溫關系曲線均顯著成立。根據粘溫指數VTS可知，其中2#、4#、5#的粘溫指數分別為-1.69、-1.77、-1.65，其值均大于成品高黏瀝青(-2.68)；而1#、3#的粘溫指數分別為-2.91、-2.81，其值與成品高黏瀝青非常接近，進一步說明基質瀝青增加黏性的程度均受2種改性劑的摻量所控制，但其黏彈性變化與兩因素摻量的關系不明顯。

4.6 DSR試驗分析

動態剪切流變儀(DSR)可測定改性瀝青的高溫抗車轍性能，研究改性瀝青的黏彈特性。采用GEMANI-3型動態剪切流變儀(由英國馬爾文設備有限公司制造)，進行PG分級試驗獲取改性瀝青的相關高溫性能指標。試驗條件：G*/sin δ<1.0 kPa，試驗結果如表16所示和圖5所示。

表16 DSR試驗結果Table 16 The test results of DSR

由DSR試驗結果可得，1# ～5#改性高黏瀝青與成品高黏瀝青的抗車轍因子與溫度之間的關系圖，結果如圖5所示。

圖5 不同瀝青溫度—抗車轍因子圖Fig. 5 Different asphalt temperature—anti-rutting factor diagram

通過擬合計算獲得各自曲線的函數方程式，以及臨界溫度值，如表17所示。

表17 不同瀝青溫度與抗車轍因子函數表Table 17 Different asphalt temperature and anti-rutting factor function table

由表16和圖5可知，復合改性瀝青1#、2#、3#、4#、5#樣品在58 ℃抗車轍因子時，分別為23 644.8Pa、46 947.3Pa、38 147.6Pa、57 569.2Pa、70 532.6Pa，遠遠高于成品高黏瀝青的抗車轍因子(8 542.9Pa)，說明通過2種改性劑的復合改性作用能夠使改性瀝青具有較好的高溫性能。但在試驗終止溫度88 ℃時，1#與3#樣品的抗車轍因子(分別為1 286.59Pa、1 527.23Pa)均小于成品高黏瀝青(2 736.3Pa)，2#與4#樣品的抗車轍因子(分別為2 872.33Pa、3 167.88Pa)接近于成品高黏瀝青，說明改性高黏瀝青其抗車轍因子隨溫度變化更敏感，而5#樣品的抗車轍因子(5644.1Pa)幾乎是成品高黏瀝青的2倍，表明5#的高溫性能更優。由表17可知，1#～5#樣品的臨界溫度分別為89.4 ℃、98.9 ℃、91.7 ℃、97.1 ℃、108.8 ℃均小于成品高黏瀝青的臨界溫度(114.8 ℃)，其中，5#樣品與成品高黏瀝青的臨界溫度相接近，表明5#樣品的高溫性能更優。由此可知，改性瀝青的抗車轍因子和臨界溫度受復合改性劑總摻量的控制，其控制關系為正相關。

綜上所述，推測巖瀝青與SBS改性劑的材料復合摻量分別接近5.0%與7.0%。

5 最佳配比求解

選取針入度(Y1)、延度(Y2)、軟化點(Y3)、60 ℃動力黏度(Y4)和布氏黏度(Y5)作為基本性能指標，選取巖瀝青的摻量(X2)與SBS改性劑的摻量(X2)作為影響作用指標，并運用SPSS軟件建立的數學回歸模型；采用高黏瀝青性能的合格指標作為約束條件，建立計算模型，最后運用MATLAB軟件求解，并結合試驗的實際情況，得到最佳復合改性高黏瀝青的材料組成。

5.1 回歸模型的建立

由于復合改性的作用效力是由各自因素(X1、X2)單獨作用以及耦合作用共同形成，則其相應的改性瀝青的指標與其設計因素之間的函數關系，如式(5)所示；其數學函數關系通式，如式(6)所示。

Y=f(X1) +f(X2) +KX1X2,

(5)

(6)

式中：f(Xi) =∑KiXi+Kn+1。Y為基本指標；X為影響作用指標；f(X1)為巖瀝青摻量的作用效力；f(X2)為SBS改性劑摻量的作用效力；K為常數項。

通過實際試驗與回歸模型對比，當n=1時，表示改性瀝青基本性能受單因素的影響；當n≥2時，表示改性瀝青基本性能受綜合因素(大于等于雙因素)的影響。該試驗中因素水平為2個，又存在單因素影響與雙因素復合影響，即n=2，最終回歸模型為

Y=K1X1+K2X2+K3X1X2+K4，

(7)

式中：Y為基本指標；X1、X2分別對應的巖瀝青與SBS的摻量；K1、K2、K3、K4為常數。

根據式(7)的數學回歸模型，利用SPSS軟件，對針入度(Y1)、延度(Y2)、軟化點(Y3)、60 ℃動力黏度(Y4)和布氏黏度(Y5)5個指標分別進行函數模型的建立。建模結果如表18所示。

表18 不同指標的回歸模型計算結果Table 18 The results of the regression model of different indexes

根據表18可知，針入度(Y1)、延度(Y2)、軟化點(Y3)、60 ℃動力黏度(Y4)和布氏黏度(Y5)5個回歸模型，決定系數分別為0.990、0.963、0.927、0.997、0.998，表明各個指標的回歸模型均具有較好的擬合度，建立的模型可靠，可用于最佳配比的求解。

5.2 最佳配比的求解

由于在實際計算中，針對非線性函數問題很難得到精確的解，故給出回歸模型的限定條件，構建具有良好映射的不等式方程組，通過MATLAB軟件求解最優解集，同時通過實際試驗分析調整，尋找復合改性瀝青的最佳材料組成。著重開發基于天然巖瀝青與SBS改性劑的復合改性高黏瀝青，選定高黏瀝青各項性能合格指標為計算模型的限定值，如表19所示。

表19 高黏瀝青合格指標Table 19 Qualified index of high viscosity asphalt

根據該限定條件進行計算時，存在無解的情況，可對其中一個或幾個限定條件進行適當調整，使得方程組既有解也不至于解集區域過大。現根據實際試驗結果對限定條件進行優化，由第4部分的試驗分析，推測了巖瀝青與SBS改性劑的接近摻量，并且最接近的摻配組為2#樣品，分析2#樣品的限定性條件，發現除了軟化點指標以外，其余限定條件均滿足高黏瀝青的標準，故對軟化點指標的限定條件進行調整，即調整為大于45 ℃，其他限定條件不變。其非線性不等式方程組如式(8)所示。

(8)

式中：X1、X2為巖瀝青摻量與SBS改性劑摻量。

運用MATLAB軟件對式(8)限定條件下函數回歸模型進行求解，其解集圖形繪制如圖6所示。

圖6 解的區域Fig. 6 The region of solution

由于計算時并未給出目標函數，符合限定條件的解具有無數組。通過因素分析可知，結果存在于內插所得，限定在實際試驗中巖瀝青的摻量和SBS改性劑的摻量分別在2.5% ～12.5%、4% ～8%范圍內取得。綜合考慮2個因素材料的生產成本，巖瀝青相比SBS改性劑來說更具有價格優勢，當巖瀝青用量越高時，性價比越高。根據圖6可知，在交點處，存在巖瀝青摻量的最大控制值為5.472%，故最佳配比組合應在交點附近選取，考慮實際操作情況，巖瀝青的摻量為5.4%，SBS改性劑的摻量為6.4%，其材料配比組成也符合前期的預測結果。

5.3 最佳配比下的性能驗證

驗證最佳配比下高黏瀝青的各項性能指標，將模型計算出的材料配比結果代入不同指標的回歸模型可得到預測值，根據最佳配比制備復合改性高黏瀝青，并測試其各項指標與預測值進行對比，結果如表20所示。

表20 最佳配方下的瀝青性能Table 20 Asphalt performance under the optimum ratio

根據表20可知，最佳配比下的高黏瀝青Y1～Y5的5項指標預測值的誤差分別為3%、5.3%、9.5%、5.1%、0.7%，誤差控制均在10%以內，且各項性能指標均滿足高黏瀝青的標準，說明了建立的回歸模型具有可靠性和有效性。

6 結 論

1)復合改性高黏瀝青的針入度與延度，天然巖瀝青摻量的影響率大于SBS改性劑摻量。

2)復合改性高黏瀝青的軟化點，天然瀝青摻量的影響率小于SBS改性劑摻量。

3)復合改性高黏瀝青的動力黏度、布氏黏度、抗車轍因子以及臨界溫度，各項指標均與復合改性劑總摻量呈正相關關系。

4)復合改性高黏瀝青的最佳改性劑材料配比：巖瀝青摻量為5.4%，SBS改性劑摻量為6.4%。