硫磺SBS 改性瀝青流變性能及其混合料路用性能試驗研究

高 運

（新鄉市交通運輸綜合服務中心，河南新鄉453000）

隨著我國道路建設的蓬勃發展以及道路技術等級和路面質量的不斷提高，我國已成為世界高速公路里程最長的國家，并保持著高速發展的勢頭。但隨著路面的不斷使用過程中，由于車輛荷載和外部環境的重復作用下路面逐漸出現了破壞，最終導致路面行車質量下降，無法正常使用。路面的使用質量直接與路面瀝青材料的選擇有著直接的關聯，在選擇路面材料時應選擇各方面性能較佳的瀝青產品［1-2］。目前主要采用在基質瀝青中添加各種聚合物改性劑以提高瀝青的各方面性能。硫磺改性瀝青作為一種可改善基質瀝青性能的改性瀝青產品已有100 多年的發展歷程，早在20 世紀八九十年代美國和加拿大就已將硫磺改性瀝青用于高速公路建設中，取得了良好的效果，但隨后研究人員發現硫磺改性劑在高溫條件下會釋放硫化氫或二氧化硫等有害人體健康的氣體，因此嚴重制約了硫磺改性瀝青的發展應用［3-4］。但由于硫磺改性劑與瀝青的相容性很好且制備的硫磺改性瀝青具備較好地高溫抗剪性能及耐疲勞特性，而且研究發現硫磺改性劑能夠取代部分瀝青，具有降低建設成本的優勢，而且對于含蠟量大、性能差的瀝青性能具有很好的改善作用，于是研究學者仍然不放棄對硫磺改性瀝青的研究［5］。隨著研究的不斷深入，美國洛克邦公司嘗試在硫磺改性劑中加入一些煙霧抑制劑和凈味劑，不但保護了環境而且瀝青性能也不會降低［6］。但同時發現硫磺改性瀝青的水穩定性和低溫抗裂性不是很好，為了改善硫磺改性瀝青的低溫和水穩定性，需要添加其他的瀝青改性劑，既能彌補硫磺瀝青低溫性能和水穩定性差的問題，又不至于降低瀝青的其他方面性能。本文采用SBS 改性劑和硫磺改性劑進行復摻，制備了硫磺SBS 改性瀝青，并對改性瀝青流變性能以及其混合料的路用性能進行研究，以期能夠為硫磺瀝青在瀝青路面的推廣使用提供一定的借鑒和參考。

1 原材料性能

制備改性瀝青的基質瀝青采用韓國SK-70#A 級道路石油瀝青，技術指標見表1。用于瀝青及混合料性能對照組的改性瀝青采用SBS-I-D 改性瀝青，技術性能都滿足規范要求，具體見表2。硫磺改性劑由殼牌公司生產，硫磺含量為99.7%，灰分0.032%，外觀為煙灰黑色的半球狀固體顆粒，直徑大約在2mm 左右，其熔點在115℃左右，不溶于水，硫磺的主要成分含有硫磺、煙霧抑制劑和凈味劑等［7］。SBS 改性劑采用巴陵石化公司生產的YH-791 型改性劑，其為白色線型粒柱狀，嵌段比S/B 為30/70。

表1 韓國SK-70 號基質瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of SK-70 base asphalt in Korea

表2 SBS 改性瀝青技術性能Table 2 Technical performance of SBS modified asphalt

粗集料采用石灰巖碎石，集料規格主要有1#（10～15mm）、2#（5-10 mm）、3#（3～5 mm），細集料采用機制砂，填料采用石灰巖礦粉，各檔集料的技術指標見表3。

表3 集料技術指標Table 3 Technical index of aggregate

2 改性瀝青制備及流變性能

2.1 改性瀝青制備

首先將基質瀝青置于150℃烘箱中加熱至熔融狀態，然后稱取一定量瀝青放在電爐上繼續加熱保持溫度在160±5 ℃，緩緩加入SBS 改性劑，并用玻璃棒不斷攪拌，待SBS 改性劑完全加入瀝青后置于高速剪切機下以500r/min 的速率緩慢剪切20min，保證SBS 改性劑溶脹完全；然后剪切速率改為4000r/min 繼續剪切半小時，使SBS 改性劑粒徑磨得更細并在瀝青中分散得更加均勻；繼續保持瀝青溫度在160℃左右，緩緩加入稱量好的SEAM 改性劑，并以3000r/min 的速率剪切半個小時即可完成SEAM/SBS 復合改性瀝青的制備。

2.2 瀝青流變性能

采用動態剪切流變試驗（DSR）和彎曲蠕變勁度試驗（BBR）對SEAM/SBS 復合改性瀝青的流變性能進行試驗，用以評價改性瀝青的高低溫流變性能，其中SEAM 摻量分別取10%、20%、30% 和40%（占瀝青質量的百分數）等4 組，SBS 摻量取2.5%和3.5%等2 組，試驗結果見表4 和表5。

表4 SEAM/SBS 復合改性瀝青DSR 試驗結果Table 4 DSR test results of SEAM/SBS composite modified asphalt

從表4 數據可以看出，在SBS 和SEAM 摻量一定時溫度升高，車轍因子減小，在同種溫度條件時車轍因子均隨著SBS 和SEAM 摻量的增加而逐漸增加。與5% SBS 改性瀝青，同樣溫度、SBS 摻量為2.5% 時雖然40% SEAM 的車轍因子最大，但都小于5% SBS，SBS摻量達到3.5% 后，20% SEAM 時的車轍因子與5%SBS相差不大，30%～40% SEAM 用量的車轍因子均比5%SBS大，因此可以看出3.5% SBS+30%～40% SEAM 時改性瀝青的高溫性能更好。

表5 SEAM/SBS 復合改性瀝青BBR 試驗結果Table 5 BBR test results of SEAM/SBS composite modified asphalt

從表5 可以發現，溫度降低，瀝青蠕變勁度增大，蠕變斜率減小，這是由于溫度較低時瀝青變得更加脆硬，應力松弛能力減弱所致。當溫度和SEAM 用量一定時隨著SBS 用量由2.5% 增加到3.5%，蠕變勁度降低，蠕變斜率增加；當溫度和SBS 用量一定時隨著SEAM 用量由10% 增加到40%，蠕變勁度先降低后增加，蠕變斜率先增加后減小，這可能是由于SEAM 摻量過大時，SEAM無法充分溶解，多余的SEAM 會產生沉積和聚集的情況下，最終導致瀝青在低溫受力時會發生應力集中而破壞。此外結合美國SHRP 規范中的PG 分級要求：瀝青的蠕變勁度S≤300MPa、蠕變斜率m≥0.3，從表5 數據可看出，5% SBS 改性瀝青的低溫PG 分級達到了-18℃，3.5% SBS+20%～40% SEAM 可以達到-24℃。因此，3.5%SBS+20%～40% SEAM 時的改性瀝青低溫性能更好。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 混合料配合比設計

本文采用AC-13 礦料級配，級配設計見表6。結合SBS/SEAM 復合改性瀝青流變性能結果，本文采用3.5%SBS+30% SEAM 和3.5% SBS+40% SEAM 兩 組 進 行 混合料性能試驗驗證其路用性能好壞，并以5% SBS 改性瀝青作為對照組。采用馬歇爾試驗確定3.5% SBS+30%SEAM、3.5% SBS+40% SEAM 和5% SBS 等三種瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.0%、5.0%。

表6 AC-13 型礦料級配表Table 6 Grading table of AC-13 mineral aggregate

3.2 高溫性能

瀝青路面必須具有足夠的高溫穩定性以抵抗行車荷載及外界環境的反復作用，這樣才能保證其良好的服務性能。本文采用車轍試驗對SEAM/SBS 改性瀝青混合料的高溫性能進行評價，試驗溫度分別選擇60℃，試驗結果見表7。

表7 SEAM/SBS 改性瀝青混合料車轍試驗結果Table 7 Rut test results of SEAM / SBS modified asphalt mixture

從表7 可以看出，與5% SBS 改性瀝青相比，SBS/SEAM 改性瀝青的變形量更小，動穩定度更大，30%SEAM 和40% SEAM 的動穩定度分別提高了26% 和45.5%，說明SEAM 提高了SBS 改性瀝青的高溫穩定性，使其在高溫條件時的抗車轍能力大大增強。

3.3 低溫性能

通過低溫彎曲試驗（JTG E20-2011）來檢驗混合料的低溫抗裂特性，試驗儀器采用MTS 萬能材料試驗機，試件采用標準車轍板試件經切割后的棱柱體試件（250mm×30mm×35mm），試驗溫度為-10℃，荷載施加速度為50mm/min,直至試件破壞，試驗結果見表8。

表8 SEAM/SBS 改性瀝青混合料低溫彎曲試驗結果Table 8 Low temperature bending test results of SEAM / SBS modified asphalt mixture

從表8 可知，3.5% SBS+40% SEAM 抗彎拉強度最大，其次是3.5% SBS+30% SEAM，說明SEAM 可增加瀝青的粘度進而增強了瀝青與集料的粘結力，使其在低溫破壞時需要吸收更大的能量。三種瀝青混合料的彎拉應變和應變能密度大小為5% SBS ＞3.5% SBS+30%SEAM ＞3.5% SBS+40% SEAM，盡管SBS/SEAM 改性瀝青混合料的彎拉應變低于5%SBS，但也完全滿足JTG D50 規范中冬嚴寒區彎曲應變不低于3000με 的要求。SEAM 摻量從30%增加到40%后彎曲應變和應變能密度有所降低，說明過多的SEAM 會降低改性瀝青的低溫抗裂性，應以30%摻量為宜。

3.4 水穩定性

評價瀝青混合料的水穩定性，一般采用浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗或凍融劈裂試驗等試驗方法評價瀝青混合料的抵抗水損害能力。本文采用進水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗方法，以殘留穩定度和凍融劈裂強度比為評價指標，試件采用馬歇爾標準尺寸φ101.6mm×63.5mm，對不同配比的SEAM/SBS 改性瀝青混合料進行水穩定性評價，試驗結果見表9。

表9 改性瀝青混合料水穩定性試驗結果Table 9 Test results of water stability of modified asphalt mixture

從表9 可知，三種瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比具有一致的規律：5% SBS ＞3.5% SBS+40%SEAM ＞3.5% SBS+30% SEAM，說明SEAM 可以增強改性瀝青的水穩定性，雖然SBS/SEAM 改性瀝青混合料的水穩定性稍弱于5% SBS，但也完全可以滿足規范中改性瀝青殘留穩定度和凍融劈裂強度比不小于80% 的要求。

3.5 疲勞性能

表10 改性瀝青混合料抗疲勞試驗結果Table 10 Fatigue test results of modified asphalt mixture

選用MTS 萬能材料試驗機采用四點彎曲疲勞試驗，對SEAM/SBS 改性瀝青混合料試件進行疲勞性能研究，試驗溫度15℃，應變控制模式，應變水平為1000με。一般認為，當試件的勁度模量下降到初始勁度模量的50% 時，試件所受到的荷載重復作用次數即為該混合料的疲勞壽命［8］。試驗結果見表10。

從表10 可以發現，3.5% SBS 摻量下，30% 和40%SEAM 對應的混合料疲勞壽命次數分別比5% SBS 增加了34.4%、42.5%。說明相比于5% SBS 改性瀝青，SBS/SEAM 改性瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能。

4 結論

（1）通過高低溫流變試驗結果可得出，與5% SBS相比，3.5% SBS+30%～40% SEAM 用量的車轍因子更大，表現出更好的高溫性能；3.5% SBS+20%～40% SEAM 改性瀝青PG 分級達到了-24℃，與5% SBS 改性瀝青PG分級（-18℃）相對比具有更好的低溫性能。

（2）通過高溫和疲勞試驗結果可得出，3.5%SBS+30%～40% SEAM 改性瀝青混合料具有很好的高溫抗車轍能力和抗疲勞性能，其結果都要優于5% SBS 改性瀝青。

（3）通過低溫和水穩定性試驗結果可得出，SBS/SEAM 改性瀝青混合料的低溫性能和水穩定性稍弱于5%SBS，但也完全滿足規范要求。