SBS 和巖瀝青復合改性低標號瀝青性能對比研究

張躍宏韋金城曾國東李夢月李浩

(1.佛山市公路橋梁工程監測有限公司，廣東 佛山528000；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南250102；3.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南250101 4.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山528300)

0 引言

交通量的快速增長，車輛軸載的不斷增加，致使瀝青路面出現破壞的時間大大提前，這對瀝青路面提出了新的挑戰。 在當今復雜的交通環境下，瀝青路面材料和結構如何應變才能適應新的交通形式是道路建設中一個亟需解決的問題[1-2]。 在瀝青路面使用過程中，因車轍和開裂所引起的路面損壞所占比例愈來愈大。 近年來，我國高等級公路瀝青路面產生的永久車轍變形日趨嚴重，是當前高等級公路病害最受關注的問題之一，其產生的主要原因為面層瀝青混合料高溫穩定性較差，在夏季高溫、超載重載現象極其嚴重的交通環境下，面層瀝青混合料在車輪邊緣處發生剪切破壞，從而導致車輪下方的路面結構出現變形，其累積形成車轍。 為了解決瀝青路面的車轍變形問題，許多專家、道路工作者提出了許多解決方法，其中通過提高瀝青模量進而提高混合料模量已成為解決車轍難題的有效手段之一[3-6]。

針對上述問題，國內外已開展了大量的研究，法國等歐洲國家最早開始低標號瀝青的應用研究，并將其成功運用到道路工程建設中，設計了基于低標號瀝青的高模量瀝青混合料[7-8]；我國也開展了低標號瀝青的研究，并取得階段性成果[9]。 此外，韓冰等[10]通過對不同工藝制備高模量瀝青的研究發現，中國制備高模量瀝青常用的低標號瀝青為30＃、50＃，可以表現出優異的抗車轍性能，但低溫性能表現欠佳；葉恒鑫等[11]利用50＃瀝青設計了應用于瀝青路面下面層的新型瀝青混合料，其施工檢測結果表明，該混合料具有良好的均勻性和密實性；李文娟[12]研究發現瀝青標號是影響瀝青低溫性能的重要因素之一，瀝青標號越低，高溫抗車轍性越好，低溫性能越差。 雖然國內開展了大量改善低標號瀝青的低溫性能的研究，但在改善低溫性能的同時，進一步提升其高溫性能的研究較少，因此文章從復合改性手段著手，開展苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer，SBS)改性劑和巖瀝青對低標號瀝青復合改性的研究，嘗試充分發揮兩者的性能優勢，提高低標號瀝青的高溫性能和低溫抗裂性，不僅對我國低標號瀝青的道路工程應用具有重要意義，也為采用SBS 改性劑加巖瀝青復合改性方式制備低標號高性能瀝青提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

瀝青選用50＃基質瀝青、改性劑選用SBS 改性劑和巖瀝青(北美巖瀝青)，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[13]對選用材料進行檢測，試驗結果均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[14]的技術要求，3 種材料的具體試驗結果見表1、2。

表1 50＃基質瀝青性能指標表

表2 選用改性劑性能指標表

1.2 試驗方案

參照JTG E20—2011[13]試驗規程，對制備的復合改性瀝青的針入度、軟化點、10 ℃延度、135 ℃布式黏度及離析等常規性能指標分析評價；采用動態剪切流變儀進行溫度掃描試驗(試驗溫度為25 ～85 ℃，溫度間隔為5 ℃)，分析復合改性瀝青的復數模量G*和相位角δ，并計算車轍因子G*/sinδ；通過瀝青彎曲蠕變勁度試驗(試驗溫度為-12、-18 ℃)評價了RTFOT 短期老化后瀝青的流變性能，分析瀝青樣品的蠕變勁度S和蠕變速率m；采用瀝青質量快速檢測設備LTI-210，在25 ℃條件下進行瀝青氣動流變回彈試驗，評價復合改性瀝青的最大蠕變變形、蠕變恢復率和PG 分級。

2 瀝青常規性能試驗結果與分析

2.1 SBS 改性瀝青制備及性能分析

將基質瀝青預先在163 ℃烘箱中加熱至熔化，分別將摻量為2%、4%、6%的SBS 加入到基質瀝青中，采用高速剪切機以4 000 r/min 的速率，在175 ℃溫度下剪切40 min，再用攪拌機以500 r/min的速率，在180 ℃溫度下攪拌2 h，攪拌完成后分別進行性能試驗。 試驗結果如圖1 所示。

圖1 顯示了不同摻量SBS 改性劑對50＃基質瀝青常規性能影響的變化趨勢。 隨著SBS 改性劑摻量的增加，制備的改性瀝青軟化點升高，針入度降低，瀝青延度和布式黏度增大，表明改性劑的摻入改善了50＃基質瀝青的高、低溫性能，這是由于加入SBS 改性劑后，改性劑以微小粒子形式存在改性瀝青中，吸收了基質瀝青中的軟組織成分，從而導致瀝青軟化點升高，針入度降低，提升了瀝青的高溫性能；SBS 在瀝青中產生交聯作用，形成網狀結構，使瀝青獲得彈性，致使瀝青延度增強，改善了其低溫性能。

圖1 不同摻量的SBS 改性瀝青常規指標變化圖

2.2 復合改性瀝青制備及性能分析

將基質瀝青預先放在烘箱中加熱至熔化后，將4%、6%、8%的巖瀝青分別加入到不同摻量的SBS改性瀝青中，采用高速剪切機以4 000 r/min 的速率，在175 ℃溫度下剪切40 min，剪切過程中將巖瀝青分3 次加入，再以2 000 r/min 的速率，在175 ℃溫度下剪切15 min，再用攪拌機以500 r/min 的速率攪拌，在180 ℃條件下攪拌2 h，制備完成后分別試驗，結果如圖2 所示。

根據圖2 分析可知，在相同SBS 改性劑摻量條件下，隨著巖瀝青摻量增加，復合改性瀝青的軟化點升高、針入度降低、低溫延度減小、黏度增大，表明巖瀝青的加入進一步改善提升了復合改性瀝青的高溫性能，但對低溫延性的損失影響也較明顯。 究其原因在于，巖瀝青的摻入使瀝青中的瀝青質和膠質所占比例增大，軟組織成分和飽和分大量減少，隨著巖瀝青的增加，復合改性瀝青的膠體結構也發生了變化，逐漸從凝膠型瀝青向溶-凝膠型瀝青轉變，從而導致改性瀝青高、低溫性能發生明顯改變。

圖2 不同摻量的復合改性瀝青常規指標變化圖

2.3 離析結果分析

為了能夠更好地面向工程應用，復合改性瀝青的熱儲存穩定性至關重要。 通過對SBS 改性瀝青、復合改性瀝青進行離析試驗，分析復合改性瀝青的熱穩定性。 軟化點差值結果如圖3 所示，其中ΔT為軟化點差。

圖3 軟化點差值變化圖

由圖3 可知，50＃基質瀝青軟化點差為0.1 ℃，基本不存在離析現象；當只摻加SBS 改性劑時，隨著SBS 改性劑摻量的增加，改性瀝青軟化點差逐漸變大，當SBS 改性劑摻量為4%、6%時，軟化點差超過了規范值2.5 ℃，出現了離析現象；當加入巖瀝青后，離析現象有所改善，在SBS 改性劑摻量不變的情況下，巖瀝青摻量增加，軟化點差逐漸減小。 表明復合改性瀝青的熱儲存穩定性要比單一的SBS 改性劑改善效果好。

3 流變性能試驗結果與分析

3.1 高溫流變性能分析

中、高溫下的瀝青流變特征是利用不同溫度和荷載條件下的瀝青復數模量G*和相位角δ來表征的，美國公路戰略研究計劃(Strategic H-ighway Research Program，SHRP)將車轍因子G*/sinδ作為評價和控制瀝青的高溫抗車轍性能指標。 文章利用動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，DSR)來測試瀝青在中、高溫條件下的黏彈性特征。 試驗選用50＃基質瀝青、不同摻量SBS 改性瀝青和不同配比復合改性瀝青進行溫度掃描，結果如圖4 所示。

由圖4 可知，7 種瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度變化的整體變化趨勢一致，均隨著溫度升高而不斷減小，在25 ～35 ℃時下降最快，然后隨溫度的升高逐漸趨于平緩；摻入SBS 改性劑后，改性瀝青的車轍因子明顯增大，且SBS 改性劑摻量越高，車轍因子越大；當加入巖瀝青后，復合改性瀝青的車轍因子進一步增大，而瀝青的抗車轍能力:復合改性瀝青＞SBS 改性瀝青＞基質瀝青。 因為瀝青車轍因子越小，則瀝青的損失柔性剪切柔量越大，瀝青中所含的彈性成分越少，瀝青的抗車轍能力越差，所以通過SBS 改性劑和巖瀝青復合改性方式可以更好地改善提升瀝青的高溫性能。

圖4 復合改性瀝青車轍因子變化圖

3.2 低溫流變性能分析

為了評價瀝青結合料的低溫性能，美國研究開發了彎曲梁流變儀(Bending Beam Rheometer，BBR)，如圖5 所示。 BBR 試件如圖6 所示。 在現實的路面環境中，瀝青路面要經過很長一段時間才會產生低溫開裂，所以研究瀝青低溫性能結合PAV 長期老化后的低溫性能，但鑒于我國路面的低溫開裂大多數都發生在早期，因此采用RTFOT 短期老化后的瀝青進行低溫流變分析。 試驗溫度選用-12、-18 ℃，測定不同摻量的SBS 改性瀝青和復合改性瀝青的彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m值，評價瀝青的低溫抗裂性能，試驗結果如圖7 所示。

圖5 BBR 試驗儀器圖

圖6 BBR 試件圖

圖7 不同溫度下復合改性瀝青BBR 試驗結果規律圖

在-12、-18 ℃兩種試驗溫度下，隨著SBS 改性劑摻量的增加，改性瀝青的勁度模量逐漸減小，蠕變速率不斷增大；在SBS 改性劑摻量一定的情況下，隨著巖瀝青的摻入，瀝青勁度模量值明顯增大，蠕變速率隨之減小，瀝青的抗低溫開裂能力為:SBS 改性瀝青＞復合改性瀝青＞基質瀝青。 因為瀝青材料勁度模量S值越大，瀝青呈現的脆性越明顯，路面越易開裂破壞，m為表征瀝青勁度模量隨時間的變化速率，其值越小，則隨溫度降低路面材料的勁度增強，材料中的拉力增大，低溫開裂的可能性也隨之增大，所以SBS 改性劑的摻入，使瀝青在低溫環境下所受的拉力變小，有效地改善了瀝青的低溫開裂性能；巖瀝青中含有大量的瀝青質，加入后使復合改性瀝青的脆性增大，松弛應力下降，從而導致當溫度發生劇烈變化時瀝青容易發生開裂。 巖瀝青的摻入雖然弱化了復合改性瀝青的低溫抗裂性，但與50＃基質瀝青相比仍不失其優勢。

4 瀝青氣動流變回彈性能分析

4.1 瀝青氣動流變回彈試驗原理

氣動瀝青流變回彈試驗采用LTI-210 瀝青質量快速檢測設備，測量瀝青在單一應力或多應力條件下產生的蠕變以及蠕變恢復能力，從而可以快速得出瀝青膠結料的PG 分級、最大蠕變變形和彈性恢復率等數據。 該設備的優點是方便輕巧便于攜帶，可以在5 min 內得到全面表征瀝青力學和路用性能的PG 分級。 加載原理示意圖如圖8 所示。 試驗原理[15]如下:

圖8 氣動回彈試驗加載原理圖

(1) 瀝青氣動流變回彈系統利用氮氣進行加載，一般試驗溫度為常溫(25 ℃)。 在瀝青試件圓形加載區域中加載20 s 氮氣，通過測量系統的激光測量系統測量并記錄加載時的變形。

(2) 加載結束后，瀝青變形開始恢復，恢復時間為10 s；激光測量系統不僅測量加載時的變形，還檢測和記錄材料卸載后的恢復變形，以便在一定時間內獲得材料的變形恢復能力。

(3) 材料加載時的最大蠕變變形和卸載時的變形恢復能力是每種熱塑性材料的獨特性能，因此可用于快速評估一定溫度下瀝青材料的力學響應和路用性能。

4.2 流變回彈分析

選取50＃基質瀝青、SBS 改性瀝青、SBS 和巖瀝青復合改性瀝青，利用LTI-210 瀝青質量控制系統檢測設備進行檢測。 試驗結果見表3，改性瀝青蠕變變形和蠕變變形恢復率曲線分別如圖9、10 所示。

表3 瀝青氣動回彈試驗結果表

根據表3 和圖9、10 分析可知，相較于SBS 改性瀝青，復合改性瀝青在標準加載條件下產生的最大蠕變變形更小，蠕變恢復率更高，表明復合改性瀝青的剛度和模量更大，瀝青更硬，且瀝青的黏彈性能更好；在SBS 改性瀝青中，當改性劑摻量為6%時，改性瀝青的回彈率為46.9%，待加入8%的巖瀝青后，復合改性瀝青的回彈率達到54.2%，其值提升了7.3%，表明復合改性瀝青的變形恢復要比單一SBS改善效果更佳。

圖9 改性瀝青蠕變變形曲線圖

圖10 改性瀝青蠕變變形恢復率圖

由表3 得到的PG 結果分析可知，SBS 改性劑和巖瀝青的加入提高了瀝青的高溫等級，當SBS 改性劑摻量為6%、巖瀝青摻量為8%時，復合改性瀝青相較于基質瀝青的高溫等級提高了兩級；只摻加SBS 改性劑時，低溫等級提升了一個等級，但隨著巖瀝青的加入，低溫等級又下降到原先水平。 結合DSR、BBR 試驗數據整體分析，巖瀝青的加入并沒有使瀝青的低溫性能徹底損失，SBS 改性劑的存在使復合改性瀝青保留了一定的低溫性能優勢；通過瀝青氣動回彈試驗，快速評價并驗證了復合改性瀝青的PG 等級，再基于最大蠕變變形及變形恢復率進一步驗證了SBS 和巖瀝青復合改性，從而有效地改善了瀝青的高溫穩定性和黏彈性能。

5 結論

文章通過瀝青性能試驗，對基于SBS 改性劑加巖瀝青復合改性方式制備的50＃低標號復合改性瀝青的性能分析，主要得出以下結論:

(1) 相比單一SBS 改性劑制備的改性瀝青，基于SBS 改性劑和巖瀝青復合改性的瀝青高溫性能表現更優，低溫性能表現略差，但因SBS 改性劑在復合改性瀝青中發揮了低溫性能優勢，彌補了因巖瀝青加入造成的低溫性能損失。

(2) 瀝青氣動回彈試驗不僅可以快速獲得瀝青的PG 分級結果，并且可以通過分析瀝青最大蠕變變形和瀝青回彈數據，進一步證明SBS 改性劑和巖瀝青復合改性低標號瀝青可以更好地發揮兩種改性劑自身優勢，既提高了瀝青的高溫穩定性，還保留了SBS 低溫抗裂性優勢，形成相對優勢互補。