SBS/廢膠粉復合改性瀝青及混合料路用性能

馬峰，伍迪，傅珍，金彥鑫，紀續，潘健

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；3.濟南金曰公路工程有限公司，山東 濟南 250000)

高黏瀝青具有優良的水穩定性和較好的高溫性能[1-2]，能夠滿足透水性路面對瀝青高黏度的要求，延長道路的使用壽命[3-5]。高黏瀝青在瀝青路面中的應用得到了諸多關注，研究發現摻加化學穩定劑的高黏改性瀝青分散較為均勻，其高溫性能優于SBS和橡膠改性瀝青[6-7]；TPS高黏改性瀝青具有較好的高溫性能、抗老化性能[8-9]；多數高黏瀝青的低溫性能不佳[10-12],橡膠粉的摻入能夠增強瀝青的延展性、耐熱性和耐紫外線老化性能[13-14]。目前國內高黏改性瀝青以進口為主，價格昂貴[15]。鑒于此，研究采用回收廢膠粉、增黏劑、穩定劑和抗老化劑進行高黏瀝青改性并對其瀝青混合料的路用性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

韓國SK90#基質瀝青，其技術指標見表1；瀝青改性劑選用產自巴陵石化的SBS(4%摻量)和產自日本的TPS(12%摻量)；集料、礦粉均選用玄武巖，主要技術指標見表2。

表1 SK90#基質瀝青主要技術指標Table 1 Main technical index of SK90# base asphalt

FM300間歇式基本型高剪切分散乳化機；MDJ-IIA馬歇爾電動擊實儀；LX-AMSII自動馬歇爾穩定度儀；WSY-026數顯式瀝青針入度測定儀；WSY-025E數顯瀝青軟化點測定儀；LYY-8低溫瀝青延伸度測定儀；HYCZ-5瀝青車轍試驗儀；BFA四點彎曲疲勞機；KY-D4305MTS萬能試驗機。

表2 粗集料指標參數Table 2 Coarse aggregate index parameters

1.2 試驗方法

采用廢膠粉(16%)、SBS改性劑(4%)、穩定劑(1%)、增溶劑(0.5%)、增黏劑a及抗老化劑b對基質瀝青進行增黏改性，具體方案見表3，其中A表示摻加了增黏劑的高黏瀝青，A/B表示同時摻加了增黏劑和抗老化劑的高黏瀝青。采用AC-13型級配對5種瀝青進行混合料研究試驗，各混合料的最佳油石比見表4。

表3 高黏瀝青成分摻量(%)Table 3 High-viscosity asphalt components

表4 瀝青混合料油石比Table 4 Asphalt aggregate ratio of mixture

通過動力黏度、延度對不同增黏劑摻量下改性瀝青的高低溫性能進行評價；此外，研究基于高溫車轍、低溫小梁彎曲、水穩定性及四點彎曲疲勞試驗，對不同增黏劑摻量下AC-13混合料試件的路用性能進行對比評價并研究其對混合料路用性能的影響規律。

2 結果與討論

2.1 高黏瀝青

2.1.1 高溫性能 采用真空減壓毛細管法對SBS、TPS及不同摻量增黏劑的改性瀝青進行60 ℃動力黏度測試，結果見圖1。

圖1 瀝青動力黏度Fig.1 Asphalt dynamic viscosity

由圖1可知，隨著增黏劑摻量的增加，兩種高黏改性瀝青的60 ℃動力黏度均隨之提升。增黏劑摻量由4%變化至6%時，A瀝青黏度值，增長了27 kPa·s，為摻量2%的2.8倍且黏度值均低于TPS改性瀝青；增黏劑摻量由6%變化至8%時，增長了41 kPa·s，增幅為4%～6%的1.51倍，其黏度值為摻量2%的5.5倍；表明相同增黏劑增量的情況下，6%～8%對黏度值的提升效果遠優于4%～6%，增黏劑的最佳摻量應不低于8%。

8%A、10%A、8%A/B和10%A/B的60 ℃動力黏度均大于TPS高黏改性瀝青，說明增黏劑含量大于8%時，瀝青具有很好的高溫性能。此外，相同增黏劑摻量下，摻有抗老化劑的瀝青動力黏度更大，這是由于抗老化劑是高分子材料，有助于縮短分子間作用力，促進瀝青形成三維網狀結構，提升了瀝青的高溫黏滯度。

2.1.2 低溫性能 在拉伸溫度和拉伸速率分別為5 ℃和5 cm/min下對高黏瀝青、SBS及TPS改性瀝青進行延度測定，結果見圖2。

圖2 瀝青5 ℃延度Fig.2 Ductility of asphalt at 5 ℃

由圖2可知，A、A/B兩種高黏瀝青5 ℃延度略低于SBS改性瀝青，且明顯優于基質瀝青，說明高黏瀝青的低溫柔韌性主要由SBS改性劑提供，SBS的添加可以明顯提高瀝青膠結料的低溫拉伸性能。此外，兩種自制高黏瀝青的延度隨著增黏劑摻量的增加逐漸降低，表明增黏劑會衰減瀝青的低溫性能。這是由于增黏劑提升了瀝青黏稠程度，降低了瀝青變形能力，在拉伸過程中舊的結構產生破壞，新的結構來不及形成，會略微降低瀝青材料低溫性能，從而表現出延度下降。

盡管增黏劑略微降低了瀝青延度，但幾種改性瀝青的延度相對于基質瀝青都有較大幅度提升，延度最小的10%A/B高黏瀝青，其延度值也為基質瀝青的3.3倍。是因為摻入了SBS改性劑，SBS分子鏈具有優良的運動柔性，在瀝青中會形成網狀結構，溫度下降時有效吸收了溫度應力，提高了瀝青的低溫性能。

2.2 高黏瀝青混合料

2.2.1 高溫穩定性 采用車轍試驗對基質、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料進行高溫性能測試，結果見圖3。

由圖3可知，瀝青混合料動穩定度指標(DS)從小到大排序依次為：基質

圖3 瀝青混合料車轍試驗Fig.3 Asphalt mixture rutting test

2.2.2 低溫抗裂性 采用低溫小梁彎曲破壞試驗對基質、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料進行低溫抗裂性的測試，結果見圖4。

圖4 各瀝青混合料的彎曲勁度 模量和最大彎拉應變Fig.4 Bending stiffness modulus and maximum bending strain of asphalt mixture

由圖4可知，瀝青混合料的最大彎拉應變按由高到低依次為：10%A/B>10%A>TPS>SBS>基質。彎曲勁度模量越低，最大彎拉應變越大，瀝青混合料低溫抗裂性能越好?；|瀝青混合料的彎曲勁度模量為5 021 MPa，SBS在基質瀝青的基礎上減少了3.94%，而10%A在基質瀝青的基礎上減少了12%，為SBS減少幅度的3倍。增黏劑的存在會降低瀝青低混合料的低溫性能，但由于同時摻加了橡膠粉，橡膠粉在瀝青中會發生熔脹和脫硫降解兩個過程，反應程度隨反應溫度與反應時間變化是一個動態的過程，有助于提高瀝青混合料的低溫性能[16]，提升幅度大于降低幅度，使得最終混合料的低溫抗裂性得到增強。

此外，10%A/B瀝青混合料的極限彎拉應變大于10%A瀝青混合料，說明抗老化劑在一定程度上可以增強瀝青材料的低溫性能，主要是因為抗老化劑是高分子材料，加入瀝青材料之后會形成三維網狀結構體，提高了瀝青材料在低溫環境下的柔韌性，改善了瀝青混合料的溫度敏感性，從而提升瀝青混合料在低溫情況下的抗裂能力。

2.2.3 水穩定性能 采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對最佳油石比下基質、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料水穩定性進行評價，結果見圖5。

圖5 各瀝青混合料凍融劈裂強度比和殘留穩定度Fig.5 Freeze-thaw splitting strength ratio and residual stability of asphalt mixture

由圖5可知，SBS改性瀝青混合料劈裂強度比為82.2%，殘留穩定度為88.1%， 增黏劑摻量為10%的高黏瀝青混合料的凍融劈裂強度比為97.5%，殘留穩定度為90.6%，其凍融劈裂強度在SBS改性瀝青的基礎上提升了18%，這是因為增黏劑的加入在SBS改性劑作用的基礎上進一步提升了瀝青和集料之間的黏結力，提高了瀝青混合料的水穩定性。10%A改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比和殘留穩定度均高于10%A/B改性瀝青混合料，說明抗老化劑雖然能夠提升瀝青之間的黏滯度，但是會對瀝青與集料之間的黏附作用產生不利影響，降低了高黏瀝青混合料的抗水損壞能力。同時兩種制備的高黏瀝青混合料劈裂強度比都明顯大于TPS改性瀝青混合料，具有較好的水穩定性。

2.2.4 抗疲勞性能 對基質、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料采用四點彎曲疲勞試驗進行疲勞性能試驗研究。本文采用恒定應變控制的連續局部正弦載荷模式，載荷頻率為10 Hz，應變值為200，250，300 με對自制的高黏度改性瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗，結果見圖6。

圖6 各瀝青混合料應變-疲勞壽命趨勢Fig.6 The strain-fatigue life trend of asphalt mixture

由圖6可知，隨著應變的增加，各瀝青混合料的疲勞壽命降低，4種改性瀝青的疲勞壽命均高于基質瀝青。其中10%A/B改性瀝青混合料的疲勞壽命為基質瀝青混合料的2.3倍，SBS改性瀝青混合料的2倍，說明增黏劑的摻入使得瀝青混合料抗疲勞性能得到較大提升，有效延長道路的使用壽命；此外，高溫條件下，橡膠粉在瀝青中發生溶脹和溶解，提高了瀝青的黏性，低溫條件下，瀝青和橡膠粉的模量差異較大，容易產生應力集中，使瀝青的可塑性得到提升，改善了瀝青的低溫柔韌性，減弱了溫度變化和荷載作用對路面的損害。自制的兩種高黏度改性瀝青疲勞壽命均高于TPS改性瀝青混合料，具有較好的抗疲勞性能。

3 結論

本文對基質、SBS、TPS和兩種自制高黏改性瀝青及瀝青混合料進行了高低溫及水穩定性和抗疲勞性能的試驗，通過對比分析，對兩種自制高黏瀝青及瀝青混合料的路用性能進行了詳細的研究，得出結論如下：

(1)增黏劑顯著提升了改性瀝青的黏度，在同樣的高溫條件下，摻入增黏劑的高黏瀝青具有更高的黏度，高溫穩定性更好；低溫條件下會略微降低SBS改性瀝青的低溫延展性。

(2)在高溫抗車轍方面，可通過在SBS改性瀝青中加入增黏劑提升其高溫性能，在此條件下摻入抗老化劑能進一步提升其高溫性能；兩種自制高黏瀝青混合料的高溫性能均優于TPS改性瀝青。

(3)相同增黏劑摻量下摻入抗老化劑的高黏瀝青混合料的低溫性能優于未摻入抗老化劑的，抗老化劑摻入瀝青材料之后形成三維網狀結構體，提高了瀝青材料在低溫環境下的柔韌性，增強了瀝青混合料的低溫變形能力。

(4)兩種自制高黏瀝青混合料的劈裂強度比和疲勞壽命均優于TPS改性瀝青，增黏劑、SBS改性劑和廢膠粉復摻能較好地提升瀝青混合料的抗水損壞能力和抗疲勞性能，延長道路的使用壽命。