直拌式SBS改性瀝青及混合料路用性能研究

陳 坤，莊傳儀，李 寧

（1.山東交通學院交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.山東省公路檢測中心，山東 濟寧 272007）

1 引言

社會的飛速發(fā)展、車流量的快速增加，導致道路承受的荷載逐漸增大、荷載作用的時間增長，加之自然環(huán)境變化對道路的影響，瀝青路面的使用壽命受到了嚴峻挑戰(zhàn)，耐久性普遍降低，出現(xiàn)了大面積道路病害。現(xiàn)有研究通過改進高分子聚合物改性瀝青的制作工藝來提高路面的使用性能，增加道路的使用壽命[1-4]。

SBS 改性瀝青在我國已經(jīng)有20 多年的應用歷史，目前90%的改性瀝青路面市場被SBS 改性瀝青所占據(jù)。隨著SBS改性瀝青的市場競爭越來越激烈，其質量得不到保證，出現(xiàn)了一系列問題，比如SBS 改性劑用量達不到要求、采購比較低質低價的基質瀝青，指標需要靠其他材料的控制調配等。由于生產條件和監(jiān)測手段的限制、很難全覆蓋式監(jiān)管，致使采購方很可能買到有質量問題的改性瀝青。

針對上述問題，主要有如下三種解決方案：①使用商用成品改性瀝青。雖然商用成品改性瀝青實現(xiàn)了瀝青的批量生產，能夠保證改性瀝青質量，但是會受到運輸、存儲等一系列中間過程的限制。②現(xiàn)場制作。此方案雖然消除了儲存穩(wěn)定性的擔憂，生產過程便于監(jiān)督和掌控，但生產效率較低。③直拌式改性技術。直拌式SBS改性是將改性成分預先處理，制備成的改性劑易于融化和分散，在拌缸中將改性劑與瀝青混合料攪拌均勻，實現(xiàn)對普通道路石油瀝青的改性。

關于SBS改性劑對瀝青的改性效果及其施工工藝，許多專家進行了試驗研究。馮海燕[5]對比傳統(tǒng)濕法SBS改性瀝青與干法直投SBS改性瀝青工藝的優(yōu)缺點，得出干法直投式具有施工簡單、性能優(yōu)越、節(jié)能環(huán)保及壽命長的優(yōu)點。王淑華等[6]通過直投式SBS改性劑與熱集料的拌和，提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性。汪紅兵[7]發(fā)明了一種直投式SBS改性劑的制備方法。劉霞[8]通過拌和工藝對直投式高黏度改性瀝青混合料拌和均勻性和性能的影響研究，得出增加干拌時間更能提高混合料的拌和均勻性。何志俊[9]通過SBS 橡膠粉復合改性瀝青高溫性能試驗研究確定了最佳橡膠粉摻量和SBS摻量。袁中玉[10]通過研究SBSI-D 制作工藝中相容劑摻量、發(fā)育時間、剪切速率三部分要素與SBS改性瀝青熱存儲穩(wěn)定性的關系，得出了穩(wěn)定劑最佳摻量。王正同等[11]以直投式SBS 改性劑為研究對象，通過對改性瀝青混合料路用性能的研究，得到了直投式干法生產的瀝青混合料滿足施工需求。代霞[12]對不同工藝制備的SBS 改性瀝青混合料性能進行了研究，得出了SBS-T 干法改性混合料的高溫抗車轍及低溫抗開裂能力較好。蘇登信[13]在干法SBS 改性劑的適用性及改性瀝青混合料性能研究中，總結出了SBS-T 改性瀝青混合料比濕法5%SBS 改性瀝青混合料有更優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性，路用性能優(yōu)良。安愛峰[14]在高速公路SBS 改性瀝青混合料施工工藝中，就如何有效控制SBS改性瀝青混合料施工質量進行了闡述。

上述文獻對直投式SBS改性瀝青進行了試驗研究，但未將直拌式SBS 改性瀝青混合料與商用成品SBS 改性瀝青混合料在高溫抗變形能力方面進行定量分析，本文通過1/3 比例尺路面加速加載試驗機，對AC-13 路面進行瀝青路面高溫抗車轍能力展開研究。

2 直拌式SBS改性瀝青制作工藝

基質瀝青選用A級70#，使用SBS線型高粘改性劑，在140℃溫度下取基質瀝青500g，將其加熱至流動狀態(tài)并放入不同摻量的SBS 改性劑，為了使其充分溶解，將溫度升高到150℃攪拌20min，完成后將溫度調到175℃，以2000rad/s～3000rad/s 的剪切速度剪切45min～60min，充分剪切后在180℃的烘箱中發(fā)育20min，不斷攪拌以排除氣泡。直拌式SBS 改性瀝青的制作流程如圖1所示。

圖1 直拌式SBS改性瀝青的制作流程

直拌式SBS改性瀝青的優(yōu)勢如下:

①改性工藝簡單。省去了復雜的工廠化生產環(huán)節(jié)，只需提前制備好均勻密實的改性劑投入拌和樓拌缸對瀝青乃至對混合料進行改性。

②減少瀝青老化和SBS熱氧降解，提高改性劑貢獻率。工廠化生產SBS 改性瀝青高溫環(huán)節(jié)多引起瀝青老化和SBS熱氧降解，采用直拌式SBS改性工藝大大縮減了瀝青的高溫環(huán)節(jié)，減少SBS熱氧降解。

③節(jié)能減排、降低工程成本。據(jù)不完全統(tǒng)計，直拌式工藝節(jié)能率為37.4%；生產等量的瀝青混合料使用直拌式SBS 改性瀝青產生的有毒氣體比成品改性瀝青產生的有毒氣體少51.3%排放量。

3 直拌式SBS改性瀝青性能及直拌式SBS最佳摻量

3.1 直拌式SBS改性劑相容性

改性劑與瀝青的相容性是指改性劑與瀝青混合時能夠相互溶解形成溶液。本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中規(guī)定的聚合物改性瀝青的離析試驗結果來評價改性劑在70#A基質瀝青中的溶解性，并與商用成品SBS改性瀝青的軟化點進行對照。實驗結果見表1和表2。

表1 直拌式SBS改性瀝青離析試驗結果

表2 成品SBS改性瀝青離析試驗結果

由表1 和表2 可知，直拌式SBS 改性瀝青鋁管上下部的軟化點的差值滿足規(guī)范的技術要求，比成品SBS改性瀝青鋁管上下部的軟化點的差值小，說明直拌式SBS改性劑與基質瀝青的溶解性比成品改性瀝青要穩(wěn)定，更不會出現(xiàn)離析分層的現(xiàn)象。

3.2 溫度敏感性

為了探究不同摻量的SBS改性劑對瀝青針入度、針入度指數(shù)的影響，探究不同摻量的SBS改性劑與瀝青溫度敏感性的關系，進行了瀝青針入度試驗，針入度的試驗結果見表3。

表3 直拌式SBS改性瀝青針入度試驗結果

由表3 可知，隨著改性劑摻量的增大，針入度數(shù)值呈下降的趨勢，改性瀝青流動性減小，硬度有所增加。針入度指數(shù)（PI）在一定范圍內隨改性劑摻量的增加而增大，證明了改性劑的加入使瀝青質的含量與膠質的含量增加。當改性劑摻量超過6%時，針入度指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢，溫度敏感性提高，得出了改性劑的最佳摻量在6%～7%的結論。

3.3 高溫性能

瀝青路面受溫度的影響很大，尤其在夏季瀝青路面溫度達到高峰，加上汽車荷載的作用，導致瀝青路面出現(xiàn)車轍、泛油等高溫病害。為了提高路面的使用壽命和行車舒適性，通過動態(tài)剪切流變儀對改性瀝青不同的施工工藝、改性劑的不同摻量進行多應力重復蠕變試驗，以評價其高溫抗變形性能。試驗結果見表4。

表4 多應力重復蠕變試驗結果（64℃）

由表4 可知，在64℃下，不可恢復蠕變柔量與改性劑的摻量呈負相關，應力隨不可恢復蠕變柔量的增加而增加。表明在一定程度上瀝青的彈性變形能力隨改性劑摻量的增加而增大，當溫度較高時，彈性成分與抵抗黏流變形的能力均增強。隨著不同應力的變化，當直拌式SBS 改性瀝青的改性劑摻量為6%時，不可恢復柔量均較成品SBS 改性瀝青小，說明直拌式SBS 改性瀝青高溫抗變形能力的最佳摻量為6%。

3.4 低溫性能

瀝青在低溫下的延度越大，說明柔韌性越好。通過彈性恢復試驗測定改性瀝青恢復變形的百分率，從瀝青低溫性能方面來說，是評價瀝青路面抵抗外荷載能力的一種方法。

采用瀝青延度試驗的試模，中間部分用直線側模，瀝青試樣澆筑冷卻后放入常溫的水槽中保溫60min，按5cm/min 速率拉伸2min 后停止，用剪刀從中間剪斷，將其在水中原封不動保持60min，測量其恢復后的長度X，按式（1）計算其彈性恢復率D。

式中，D為試樣的彈性恢復率，%；

X為試樣的殘留長度，cm。

兩種SBS改性瀝青試驗結果見表5。

表5 彈性恢復試驗結果

由表5可知，改性劑摻量為6%時，直拌式SBS 改性瀝青的彈性恢復率最大，滿足≥65%技術要求且略高于成品SBS改性瀝青，說明當直拌式SBS改性瀝青的改性劑摻量為6%時，直拌式SBS 改性瀝青具備較好的彈性變形能力。

4 瀝青混合料路用性能研究

4.1 試驗材料準備

以AC-13 瀝青混合料進行馬歇爾試驗，采用70#A級道路石油瀝青。填料：礦粉。集料用石灰?guī)r，取四檔料：15mm～10mm，10mm～5mm，5mm～3mm，3mm～0；集料技術指標見表6和表7。

表6 集料技術指標

表7 石灰?guī)r合成級配

從圖2 可知所選定的級配符合規(guī)范要求，礦粉:石灰?guī)r（15mm～10mm）:石灰?guī)r（10mm～5mm）:石灰?guī)r（5mm～3mm）:石灰?guī)r（3mm～0）=3∶21∶18∶21∶37，以此級配選不同的油石比成型馬歇爾試件，并進行馬歇爾體積指標的檢驗，最后確定最佳油石比為5.2%。

圖2 AC-13級配曲線圖

4.2 改性瀝青混合料耐久性研究

通過1/3 比例尺路面加速加載試驗機真實模擬路面實際受力狀況，以此評價直拌式SBS改性瀝青混合料與成品SBS改性瀝青混合料的耐久性能。1/3比例尺路面加速加載試驗機工作原理是等接觸比壓原理模擬車輛在路面上的運行情況，用3個輪胎單向回轉循環(huán)方式對路面進行加載，規(guī)定時間內通過可控輪載加速道路的破壞，1/3 比例尺回轉式路面加速加載試驗機結構簡圖如圖3所示。

圖3 1/3比例尺路面加速加載試驗機

通過1/3 比例尺路面加速加載試驗機測定車轍實驗方法如下：選擇試驗溫度為60℃，保溫時間至少5h，3組加載輪，輪胎氣壓為0.8MPa，輪載為512.9kg，碾壓方向就是車輪的行走方向，將速度設定為13.3km/h，每碾壓4820 次記錄一次車轍深度，在車轍板中間部位用塞尺測量車轍最大深度，直到車轍深度不再變化為止。試驗結果如圖4所示。

圖4 加速加載試驗結果

由圖4 可知，成品SBS 改性瀝青混合料車轍深度遠高于直拌式SBS 改性瀝青車轍深度，直拌式改性瀝青混合料施工工藝將車轍深度降低了18.2%，這種生產瀝青混合料的方法使基質瀝青的黏度、石料的粘附性得到了提高，高溫下抗塑性流動變形的能力與抗車轍能力增強，從而減少瀝青路面的病害，提高了路面的耐久性。

5 結語

直拌式SBS 改性瀝青技術解決了SBS 改性瀝青受生產質量、現(xiàn)場生產效率低等問題的制約，從瀝青的溫度敏感性、高溫性能、低溫性能等方面綜合考慮SBS 改性劑摻量對直拌式改性瀝青的影響，并確定了直拌式SBS 改性劑的最佳摻量，通過1/3 比例尺路面加速加載試驗機對直拌式SBS 改性瀝青混合料與成品SBS 改性瀝青混合料的對比研究，得出直拌式SBS改性瀝青混合料抵抗高溫車轍的能力更強，提高了瀝青路面的壽命，更能滿足新時代下交通荷載不斷增長的要求，直拌式SBS改性瀝青有較廣的應用前景。