LKW-Ⅱ溫拌劑對橡膠/SBS復合改性瀝青流變性能的影響

石振武 王彬驊 張海濤

摘?要：為研究LKW-Ⅱ溫拌對橡膠粉/SBS改性瀝青流變性能的影響，通過傅里葉紅外光譜（FTIR）實驗、動態剪切流變（DSR）試驗、多應力重復蠕變恢復（MSCR）實驗以及低溫彎曲梁流變（BBR）實驗，分析LKW-Ⅱ溫拌劑對其流變性能的影響。實驗結果表明： LKW-Ⅱ溫拌劑能夠有效控制高溫條件下流變性能，當摻量為0.1%時，改善效果最好，實驗中其余摻量改善性能較為接近;摻加溫拌劑后改性瀝青的彈性恢復能力更好，在12.8?kPa應力下，0.1%LKW-Ⅱ摻量不會出現結構損傷，且對應力敏感性最小;LKW-Ⅱ溫拌劑能夠改善低溫條件下流變性能，相同溫度下0.3%LKW-Ⅱ摻量內部產生應力最小，應力松弛能力最好。LKW-Ⅱ溫拌劑摻量少，能夠有效控制高溫流變和改善低溫流變性能。

關鍵詞：橡膠瀝青;紅外光譜實驗;溫拌劑;高溫性能;低溫性能;Burgers模型;流變性能

中圖分類號：U414?文獻標識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0090-09

Abstract：To study the effect of LKW-Ⅱwarm mix additive on the rheological performance of rubber powder/SBS modified asphalt， Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR） test， Dynamic Shear Rheology （DSR） test， Multi-stress Repeated Creep Recovery （MSCR） test and low-temperature Bending Beam Rheology （BBR） test were conducted to analyze the influence of LKW-Ⅱwarm mix additive on the rheological performance. The experimental results showed that： LKW-Ⅱ warm mix additive can effectively control the rheological performance under high temperature conditions. When the mixing amount was 0.1%， the improvement effect was the best， and the other mixing amount was relatively close in experiment. Warm mix rubber powder/SBS modified asphalt had better elastic recovery ability， 0.1% LKW-Ⅱ mixing amount under 12.8 kPa stress would not cause structural damage， and was the least sensitive to stress. LKW-Ⅱ warm mix additive could improve low-temperature performance. At the same temperature， 0.3% LKW-Ⅱ mixing amount produced the least internal stress and had the best stress relaxation ability. When using a little mixing amount of LKW-Ⅱ warm mix additive， it could effectively control the high temperature rheology and improve the low temperature rheology.

Keywords：Rubber modified asphalt; infrared spectrum experiment; warm mix additive; high temperature performance; low temperature performance; Burgers model; rheological performance

0?引言

隨著汽車保有量的增加，帶來了繁重的交通量，在溫度與荷載的作用下瀝青路面發生微觀流變，抗變形能力下降。橡膠粉制成的改性瀝青，以其降噪、抗開裂和抗車轍的優勢被廣泛使用[1]。然而，橡膠改性瀝青在施工生產時需要達到180 ℃以上，釋放出的瀝青煙氣中包含SOx、NOx以及致癌物[2]。因此，保證其路用性能、降低橡膠瀝青的施工溫度是值得研究的。

Yan等[3]將橡膠粉和廢塑料（EVA）摻入瀝青中制備橡膠復合改性瀝青，通過動態剪切流變實驗及微觀試驗對瀝青進行測試，結果表明，橡膠粉和廢塑料對瀝青的高溫性能改善效果明顯，微觀結構上2種添加劑能夠與瀝青很好地溶脹。常睿等[4]通過對比RET（三元共聚物）復配膠粉瀝青和SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青的流變性能，結果表明，RET復配橡膠瀝青的抗變形能力增強，相比于SBS改性瀝青熱穩定性更好。王嵐等[5]通過研究表面活性劑SDYK和降黏型EM溫拌劑對橡膠瀝青的高溫流變性能影響，結果表明，摻加2種溫拌劑能夠改善橡膠瀝青的高溫性能，0.6%摻量的SDYK和1%摻量的EM改善效果顯著。Yu等[6]采用不同類型溫拌劑制備溫拌橡膠瀝青，通過混合料試驗發現，Sasobit瀝青改性劑會導致橡膠瀝青的抗車轍能力下降。Pouranian等[2]制備的無發泡溫拌橡膠瀝青采用氣相測試對釋放出的瀝青煙氣監測，結果表明，溫拌過程中二甲苯等有害物質排放減少約60%，但溫拌劑對抗疲勞和抗裂性能有輕微負面影響。Leng等[7]研究蠟基溫拌橡膠瀝青的路用性能，結果表明，直接將橡膠粉和蠟基溫拌劑一同加入瀝青攪拌，由于橡膠粉與蠟基溫拌劑液相溶脹沖突，可能會導致路用性能下降。Wang等[8]通過多應力重復蠕變回復試驗（MSCR）和線性振幅掃描試驗（LAS）對溫拌橡膠瀝青的性能進行研究，結果表明，不可恢復蠕變的應力敏感性指標不適用于評價橡膠瀝青，采用增量指標能更準確判斷應力敏感性。目前，國內對橡膠粉與SBS橡膠混合的改性瀝青研究較少，將溫拌技術和橡膠復合改性瀝青的研究更是少見。因此，有必要對溫拌橡膠粉與SBS混合改性瀝青的流變行為進行研究。

本文采用LKW-Ⅱ型溫拌劑對橡膠粉/SBS復合改性瀝青進行溫拌處理，研究溫拌劑對橡膠復合改性瀝青流變性能的影響。通過高溫動態剪切流變（DSR）試驗、多應力重復蠕變恢復（MSCR）試驗、傅里葉紅外光譜（FTIR）和低溫彎曲梁流變（BBR）試驗進行測試，分析LKW-Ⅱ溫拌劑對溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的黏彈性、應力敏感性、抗變形能力及降黏降阻機理的影響。

1?原材料與試驗方法

1.1?原材料性能

本文選用中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司生產的橡膠粉/SBS改性瀝青，以90#瀝青為基質瀝青，內摻17%廢舊橡膠粉（40目）和3%SBS橡膠。選用溫拌劑為遠達LKW-Ⅱ型新型溫拌劑，LKW-Ⅱ型溫拌劑屬于表面活性劑類添加劑（棕褐色固液混合物）。本文摻量為0%、0.1%、0.3%、0.5%，實驗樣品記為CS、0.1LCS、0.3LCS、0.5LCS，軟化點、針入度、5 ℃延度、黏度指標結果見表1。

1.2?傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗

傅里葉紅外光譜能夠測試瀝青的化學組分，通過橡膠改性瀝青添加溫拌劑前后的化學鍵變化，對吸收峰的位置及峰值進行辨認分析[9]。橡膠改性瀝青的黏度較大，不宜制成薄膜或透光性溶液，因此本文紅外光譜試驗采用全反射（ATR）方式測定，光譜范圍為650～4 000 cm-1，掃描次數16次。

1.3?動態剪切流變（DSR）實驗

動態剪切流變試驗溫度掃描模式下，能反映出瀝青隨溫度變化時流變性能的變化[10]。本文按照《AASHTO T315-12》標準，溫度掃描設置應變為12%，頻率為10 rad/s，考慮到由于橡膠改性瀝青黏度大，可能會對儀器造成不可逆的誤差，測試溫度為40～82 ℃。

1.4 多應力重復蠕變恢復（MSCR）試驗

多應力重復蠕變恢復試驗能進一步評價瀝青在高溫環境下的變形恢復能力和應力敏感程度[11]。本文根據《AASHTO TP70-12》標準，試驗溫度為64 ℃，標準應力為0.1 kPa和3.2 kPa，加載1 s，卸載9 s，每個應力水平進行10次循環。橡膠改性瀝青的回彈性能好，針對高性能瀝青可以增加更大應力[12]，本文增加了兩級更大的應力6.4?kPa和12.8?kPa，能夠更全面地表征應力敏感性。

1.5?低溫彎曲梁流變（BBR）試驗

BBR試驗通過恒定的荷載作用，模擬瀝青在低溫條件下的變形行為和力學特性[13]。本文根據《AASHTO T313-09》標準，測試溫度為-18、-24、-30 ℃，對瀝青的低溫流變行為進行初步評價。低溫下，瀝青的變形過程較為復雜，Burgers模型本構方程簡化后見公式（1），對加載240 s內測試得到的蠕變柔量進行擬合，通過擬合參數的實際物理意義分析溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青在低溫下的流變行為[14]。

式中：E1為瞬時彈性模量;E2為延遲彈性模量;η1為瞬時黏性系數;η2為延遲黏性系數。

2?實驗結果與分析

2.1?瀝青組分與降黏潤滑分析

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的紅外光譜實驗結果如圖1所示。

由圖1可以看出，摻加溫拌劑后紅外光譜圖大致形狀沒有變化，沒有新的吸收峰出現，說明摻加溫拌劑的過程中沒有發生化學變化。主要的吸收峰為650～900、960、1 034、1 370、1 460、1 599、2 851、2 920 cm-1處。650～900 cm-1復雜的吸收峰和1 599 cm-1為苯環取代識別區，變化情況不大，表明溫拌劑對橡膠改性瀝青中的芳香族化合物不會產生影響。其余4個較長吸收峰來自碳氫鍵的振動，區別為振動方式不同，1 370 cm-1和1 460 cm-1來自CH的彎曲振動，2 851 cm-1和2 920 cm-1來自CH的伸縮振動。綜上所述，主要吸收峰表明溫拌橡膠改性瀝青中含有脂肪烴、芳香族化合物以及含硫氧化合物。

摻加溫拌劑后，960、1 034、1 700 cm-1處吸收峰明顯變小，分別來自SBS成分中丁二烯的反式CC的伸縮振動和CO、SO鍵振動。LKW-Ⅱ型溫拌劑屬于表面活性劑，能夠將含氧、硫等化合物形成的膠團分散成小分子膠束，通過攪拌均勻分散在瀝青中，破壞了原化學鍵的穩定性。表面活性劑的親水基團的氫原子能夠與溶脹降解后橡膠分子、溫拌劑乳液水分子形成氫鍵，短暫形成結構水膜，增加了分子之間的潤滑性，達到了降低黏度和阻力的目的。拌和與碾壓過程等機械作用后，膠束周圍的表面活性劑逐漸向橡膠顆粒與瀝青界面轉移，增強橡膠顆粒與瀝青的黏結力，使得橡膠改性瀝青的性能進一步增強。

2.2?高溫流變性能分析

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的復合剪切模量（G*）、相位角（δ）隨溫度變化如圖2—圖4所示。

由圖2中可以看出，G*隨溫度升高而降低，下降速率的變化趨勢為逐漸平緩。這是由于溫度升高，瀝青變軟，材料的黏性逐漸增大[5]。在測試溫度內，0.1 LCS的G*始終最大，高溫條件下流變減小，其次是0.3、0.5 LCS，但兩者與CS較為接近。圖3中δ的變化是先降低然后逐漸上升，這與摻加了SBS成分有關，是瀝青內部的彈性成分與黏性成分比例變化不同導致的[15]。

由圖4中可以看出，溫度上升，瀝青內部在SBS成分和橡膠粉的作用下，損失模量G″下降速率大于G′下降速率，材料流變性受黏性控制減弱;隨溫度繼續上升，流變性逐漸受黏性控制，δ也隨之變大。在測試溫度內，0.1 LCS的δ最小，受黏性成分而導致的應力響應延遲最小。

車轍因子（G*/sin δ）實驗結果如圖5所示，溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的G*/sin δ隨溫度升高而降低，由于瀝青逐漸向黏流態轉變，抵抗變形的能力逐漸變弱。δ與G*變化趨勢不同， δ曲線的拐點未對車轍因子產生影響[15]，所以車轍因子沒有出現反增的變化。從圖5中能夠看出，0.1 LCS的G*/sinδ最大，在70 ℃后下降趨于平緩，仍然大于其余瀝青，其余摻量提升不明顯。綜上所述，添加溫拌劑能夠控制橡膠粉/SBS改性瀝青的高溫流變性能，摻量為0.1%時效果最佳。

2.3?高溫應力敏感性分析

通過每0.1 s記錄一次應變值，繪制MSCR試驗應變曲線如圖6所示。從應變累積角度看，0.1 LCS的累積應變最小，不同的應力水平下應變增加幅度最小，0.3 LCS和0.5 LCS與CS的總應變較為接近，在12.8?kPa應力水平下，0.3 LCS增長速度較快于0.5 LCS。

0.1kPa和12.8 kPa應力水平下的應變曲線如圖7所示。

在0.1 kPa應力水平下，溫拌橡膠瀝青的蠕變恢復能力完好，應力響應迅速、回彈速度快，回彈效率均在80%以上。瀝青在12.8 kPa第9周期內應變曲線如圖8所示，0.1 LCS蠕變恢復曲線順滑，其余瀝青的應變曲線發生波動，這說明瀝青內部已經產生損傷，恢復過程出現阻礙。CS蠕變恢復后的應變超過加載階段的應變，說明此時瀝青內部損傷積累，導致瀝青的結構發生破壞，完全失去彈性恢復的能力。

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青不可恢復蠕變Jnr及應力敏感性指標（Jnr-diff）如圖9和圖10所示。

各樣品Jnr和Jnr-diff隨應力增加而增大，0.1 LCS的2項指標始終處于較低水平，0.3 LCS和0.5 LCS差距不大，CS的不可恢復蠕變柔量Jnr處于最高，0.5 LCS的應力敏感性指標Jnr-diff最大，較大應力下對應力敏感。摻加溫拌劑能夠提高橡膠瀝青的彈性恢復能力，并且能夠降低應力敏感性，當摻量為0.1%時改善效果最佳。在《AASHTO MP19-10》中規定，路面等級標準中Jnr-diff最大不超過75%，圖10中數據在0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下已經超出標準，但橡膠粉/SBS改性瀝青更低的Jnr表明蠕變恢復性能佳，針對這一情況，Wang等[8]引進Jnr-slope來評價橡膠改性瀝青的應力敏感性，計算表達式為：

Jnr-slope的意義在于能夠直觀看出Jnr的變化速率，Jnr-slope越小表明增加幅度小，應力敏感性較低，彈性恢復能力受影響低。從圖11中可以看出3.2 kPa和6.4 kPa應力下，Jnr-slope變化不明顯，在這兩級應力下橡膠粉/SBS改性瀝青能夠保證自身彈性恢復能力。當應力增大到12.8 kPa時，Jnr-slope明顯增加，應力增大會影響瀝青的抗變形能力。0.1 LCS對應力的敏感性最小，其次是0.3 LCS和0.5 LCS，CS對應力的敏感性最大，隨溫拌劑的摻量增加變得更敏感。

溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青蠕變恢復率（R）及應力敏感性指標（Rdiff）如圖12和圖13所示。

瀝青的R變化趨勢一致，隨應力增大逐漸減小，在12.8 kPa達到最低值，除0.1 LCRSA外，其余瀝青R均小于20%。應力增加后，橡膠改性瀝青的彈性恢復能力逐漸減弱，在12.8 kPa下內部累計的損傷導致結構破壞，不能有效回彈。在0.1 kPa應力水平下，溫拌劑摻量對橡膠改性瀝青的影響不明顯，所有樣品均能達到80%以上。隨應力水平增加，0.1 LCS的蠕變恢復率始終最大，其次是0.3 LCS和0.5 LCS，CS的蠕變恢復率最差。由圖13中可知，0.1 LCS的Rdiff最小，增加幅度小，這表明應力增加對0.1 LCS的彈性恢復性能影響較小;CS的Rdiff最大，應力增大的過程中，失去彈性恢復性能的速率最快。

綜上所述，隨應力增加，溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青累積的應變呈不斷增長趨勢，3.2 kPa和6.4 kPa對瀝青不會造成損傷，不會導致彈性恢復能力受到影響。當溫拌劑摻量為0.1%時，彈性恢復性能最好，其余摻量有所改善，效果相近但不如0.1%摻量明顯。

2.4?低溫流變性能分析

低溫彎曲梁蠕變試驗結果如圖14所示。溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青的蠕變勁度模量S（60）隨溫度下降逐漸增大，蠕變速率m（60）隨溫度下降逐漸變小，瀝青隨溫度下降過程中逐漸由黏彈性體向彈性體轉化，但不能完全成為彈性體，溫度越低質地越硬、彈性成分作用越強。從實驗結果可以看出，摻加溫拌劑能夠有效降低S（60），溫度降低時內部產生應力更小;但是從m（60）來看，摻加溫拌劑后m（60）降低，說明瀝青的應力松弛能力降低。單從S（60）和m（60）來評價瀝青的低溫性能出現矛盾的情況，這是因為橡膠顆粒和SBS的作用下，瀝青對應力的響應和松弛能力都不一樣，本文采用Burgers模型進一步探討橡膠瀝青的低溫流變性能。

使用Origin 2018軟件對BBR試驗所得蠕變柔量進行非線性擬合處理，如圖15所示，Burgers模型擬合參數如圖16所示。所有曲線擬合度R2均在0.995以上，說明使用Burgers模型來描述溫拌橡膠粉/SBS改性瀝青低溫流變行為是合適的。Burgers模型分別描述了瀝青在荷載作用下的流變行為和延遲行為。變形主要分3個階段：首先是由Maxwell模型彈性模量E1引起的瞬時彈性變形;其次是由Kelvin模型彈性模量E2引起的延遲彈性變形;最后由黏滯系數η1和η2共同作用下引起的黏流變形。最終材料的變形和內部應力趨于穩定[14]。當彈性模量數E1和E2較大時，瀝青的初始變形小，路面可能產生斷裂;黏性系數η1和η2越小，黏性變形越大，應力松弛能力越好。

當溫度下降時，彈性模量E1和E2變大，說明溫度越低內部產生的應力越大。相同測試溫度下，0.3 LCS的E1和E2相比其他瀝青小，說明0.3%摻量在同溫度下內部產生的應力更小，低溫流變性能可以更好地抵抗應力引起的開裂。由圖16可知，瀝青η1和η2隨溫度降低而增大，表明瀝青在溫度降低時，瀝青應力松弛的能力逐漸降低。在同一測試溫度下，0.3 LCS的η1最小，應力松弛能力最好;在-30 ℃時，0.1 LCS的η1值最大，松弛能力最差。在應力作用消失后，η2在Kelvin模型彈性模量E2作用下最終會消散。