膠粉/SBS復合改性瀝青及混合料抗裂性能研究★

陳永鋒，耿德華，陸志紅，楊曉華，袁松年，周 洲

(1.江蘇先達建設集團有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州市市政工程管理中心，江蘇 常州 213000；3.東南大學道路交通工程國家級實驗教學示范中心，江蘇 南京 211189； 4.東南大學交通學院，江蘇 南京 211189)

SBS改性瀝青目前被廣泛應用于瀝青路面建設中，但隨著不斷增加的車輛荷載對路面功能的需求，SBS改性瀝青在抗疲勞、低溫抗裂等方面的不足使其不能滿足瀝青路面耐久性的要求[1]。由于橡膠瀝青在高溫性能、抗老化性能和耐久性能具有良好的表現[2]，因此將SBS和橡膠粉復合改性制備瀝青可以充分發揮SBS和橡膠粉兩種材料的優勢，并且對解決“黑色污染問題”有積極作用[3-4]，因而成為道路工作者的研究熱點。

針對廢膠粉和SBS復合改性瀝青的改性性能和改性后瀝青混合料路用性能，國內外眾多學者對此進行了研究。Zhang等[5]認為膠粉/SBS改性瀝青具有較好的高低溫性能及韌性，同時其存貯穩定性并未受到不利影響。陳莉[6]發現復合改性瀝青較單一的SBS改性瀝青，針入度明顯下降、軟化點升高，高溫穩定性增強；并且延度增大，明顯改善了低溫性能。倪彤元等[7]研究了SBS與廢膠粉復合改性的機理并提出了廢膠粉與SBS改性劑的摻量范圍。賈成賀等[8]通過膠粉與SBS復合改性瀝青混凝土配合比設計及室內試驗對其路用性能分析與評價。崔晟東等[9]發現SBS/膠粉復合改性瀝青混合料具有優良的黏彈性和堅韌性，良好的抗滑性和行車舒適性。李關龍等[10]發現復合改性瀝青在高溫時更加堅硬，在低溫時更加柔韌，溫度敏感性顯著降低，抗車轍變形能力得到增強。雖然目前對廢膠粉與SBS復合改性瀝青的研究已取得一定的成果，但國內外學者對復合改性瀝青老化機理方面的研究較少，復合改性瀝青熱氧老化程度對其路用性能的影響對評價其改性效果和耐久性十分重要，因此有必要進行深入的研究。

本文首先制備膠粉/SBS復合改性瀝青及混合料，制備完成之后將改性瀝青和相應混合料進行室內老化模擬試驗，并分別對老化后的復合改性瀝青進行頻率掃描試驗，對老化后的混合料進行力學性能試驗，分析瀝青和混合料抗裂性能指標和老化程度之間的聯系，評價復合改性瀝青熱氧老化對其抗裂性能的影響程度。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

1)瀝青。試驗選用鎮江天諾產的SBS改性瀝青，摻量為4.5%。瀝青標準性能試驗結果見表1。

表1 SBS改性瀝青技術指標測試結果

2)廢膠粉。膠粉是由廢舊橡膠在機械作用下加工生成的，其主要的制備方法有3種，分別為常溫粉碎法、低溫粉碎法和濕法或溶液法。本研究中普通廢膠粉是通過常溫粉碎法制成，其目數為30目。將膠粉直接加入到瀝青中制備的橡膠瀝青由于其液固兩相體系和高黏度特性導致儲存穩定性與施工和易性較差，造成施工困難，因此需要對橡膠瀝青進行進一步改性。本研究將普通30目橡膠粉在密煉機中高溫熟化，制備成高聚熟化膠粉(Modified Crumb Rubber，MCR)，改善了膠粉與瀝青的共溶性。技術指標如表2所示。膠粉的摻量為SBS改性瀝青質量的6%,9%,12%,15%和18%(制備的復合改性瀝青簡稱為6%MCR,9%MCR,12%MCR,15%MCR和18%MCR)。

表2 高聚熟化膠粉技術指標

3)集料。研究中采用的集料為：玄武巖1號、2號料，石灰巖3號料和石灰巖礦粉。

1.2 復合改性瀝青制備方法

首先將SBS改性瀝青加熱至180 ℃，然后加入事先按摻量稱量的高聚熟化膠粉，利用高速剪切儀進行膠粉/SBS復合改性瀝青制備。剪切包含預剪切和正式剪切兩個階段。第一階段為預剪切，從零開始慢慢升高剪切儀轉速，升至3 000 rad/min后剪切15 min左右。第二階段為正式剪切，將剪切儀轉速升至6 000 rad/min，保持高轉速條件下剪切90 min。利用烘箱將剪切完成后瀝青在130 ℃條件下發育1 h～2 h至無明顯小氣泡，制備得到復合改性瀝青，用于后續瀝青老化試驗及瀝青混合料試驗。

1.3 復合改性瀝青混合料

利用AC-13G級配進行的復合改性瀝青混合料級配設計,級配設計曲線如圖1所示。通過馬歇爾設計方法流程確定復合改性瀝青混合料最佳油石比為5.0%。

1.4 室內模擬老化方法

1)瀝青的模擬老化。對復合改性瀝青進行4種不同程度的老化：旋轉薄膜短期老化(RTFO)，旋轉薄膜老化后壓力老化(PAV)20 h(RTFO+PAV20)，旋轉薄膜老化后壓力老化(PAV)40 h(RTFO+PAV40)，旋轉薄膜老化后壓力老化(PAV)60 h(RTFO+PAV60)。

2)瀝青混合料的模擬老化。對拌和好的松散狀瀝青混合料進行4種不同程度的老化，老化在135 ℃烘箱內進行，分別老化4 h,8 h,12 h和24 h后取出成型瀝青混合料試件，標記為：LTOA4，LTOA8，LTOA12和LTOA24。

1.5 瀝青頻率掃描試驗

眾多學者通過頻率掃描試驗得到瀝青流變性能參數，分析研究瀝青的老化機理[11]。本研究采用頻率掃描試驗分析復合改性瀝青的熱氧老化性能。利用動態剪切流變儀DSR進行試驗，溫度為5 ℃，15 ℃，25 ℃和35 ℃，掃描頻率從100 rad/s到0.1 rad/s，對數線性差值，掃描應變0.01%，試樣直徑8 mm、高度2 mm，每種瀝青選擇2個試樣進行平行試驗。

1.6 瀝青混合料半圓彎曲SCB試驗

半圓彎曲試驗(Semi Circular Bending，SCB)被道路工作者采用以評價瀝青混合料的抗裂性能，并基于試驗得到的性能指標隨老化程度的變化分析瀝青混合料耐久性能衰變情況[12]。SCB試驗方法眾多，本研究采用的是美國伊利諾伊交通局推薦的SCB試驗方法——SCB-IL，其是在25 ℃下將瀝青混合料半圓試件以50 mm/min的加載速率加載至破壞的試驗，試驗過程中采集半圓試件所受的力和位移數據。半圓試件直徑150 mm，厚度50 mm，在圓心處切縫，縫長15 mm。采用旋轉壓實成型的方法成型直徑150 mm、高度178 mm的圓柱形試件，而后通過切割的方式獲得半圓試件，研究中SCB試驗平行試件的數量是3個。

2 結果與討論

2.1 復合改性瀝青頻率掃描試驗結果分析

通過CAM模型對頻率掃描試驗得到的復合改性瀝青的復數剪切模量G*和相位角δ進行擬合，得到其復數剪切模量和相位角的主曲線，再通過計算得到瀝青的Glove-Rowe(G-R)常數，根據G-R常數隨老化程度的變化規律分析復合改性瀝青的熱氧老化性能。如圖2所示，研究表明G-R常數可以較好地表征瀝青材料的抗裂性能和老化程度，其計算公式如式(1)所示。計算G-R常數前利用頻率掃描試驗結果建立15 ℃條件下的瀝青復數剪切模量主曲線和相位角主曲線，而后計算0.005 rad/s頻率下的G*和δ，然后代入到式(1)中即可得到瀝青的G-R常數。研究者提出瀝青材料的G-R常數若小于180 kPa，代表瀝青具有很好的抗裂性能，G-R常數在180 kPa～600 kPa之間，則表明瀝青抗裂性能較差，存在開裂風險，G-R常數大于600 kPa，則表明瀝青抗裂性能很差，容易出現開裂問題。

G-R=|G*|·(cosδ)2/sinδ

(1)

圖3是不同老化程度的復合改性瀝青G-R常數結果，從圖3中可以看出：1)隨著老化程度的加深，瀝青的G-R常數增加，抗裂性能變差。2)膠粉的摻入對復合改性瀝青抗裂性能的影響隨著摻量的增加呈現不同的規律，當膠粉摻量不大于12%時，復合改性瀝青的G-R常數低于SBS改性瀝青，說明其抗裂性能好于SBS改性瀝青，但當膠粉摻量進一步增加時(15%和18%)，復合改性瀝青的G-R常數高于SBS改性瀝青，說明其抗裂性能不如SBS改性瀝青，表明膠粉摻量為12%時，復合改性瀝青的抗裂性能最佳。3)當PAV老化時間達到60 h時，所有瀝青的G-R常數呈現出顯著的增長趨勢，此時各種瀝青的G-R常數間呈現出顯著的區分度，表明更長的PAV老化時間有利于準確評價瀝青的抗裂性能。4)所有瀝青的G-R常數均小于600 kPa，表明即使在RTFO+PAV 60 h老化的程度下，膠粉/SBS復合改性瀝青的抗裂性能尚可，雖然存在一定的開裂風險，但尚未達到需要采取必要措施防治其可能出現的大規模開裂問題的程度。

2.2 復合改性瀝青混合料SCB試驗結果分析

SCB-IL試驗評價指標為撓性因子(Flexibility Index，簡稱FI)，計算公式如式(2)所示。研究表明當FI值大于6時，瀝青混合料具有良好的抗裂性能。

(2)

圖5為不同老化程度復合改性瀝青混合料SCB-IL試驗結果，從圖5中可以看出：1)松散料老化4 h后，所有瀝青混合料的FI值均大于6，表明測試的瀝青混合料具有良好的抗裂性能，但隨著老化程度的增加，瀝青混合料的FI值降低，抗裂性能變差，尤其是松散料老化24 h后的瀝青混合料，FI值均小于2，說明此時的瀝青混合料韌性較差，容易發生脆性破壞，目前國內外研究者尚未提出FI指標的下限，對于FI指標小于某個值后是否應限制瀝青混合料的使用場合，此問題仍需要進一步研究。但圖5中膠粉摻量為15%和18%的復合改性瀝青混合料在松散料老化24 h后的FI值小于1，表明其抗裂性能很差，混合料耐久性不佳，對其使用性能有不利影響。2)與復合改性瀝青抗裂性能相似，膠粉摻入小于12%的復合改性瀝青混合料的FI值高于SBS改性瀝青混合料，表明抗裂性能提升了。但當膠粉摻量進一步增加時(15%和18%)，復合改性瀝青混合料的FI值低于SBS改性瀝青，說明其抗裂性能不如SBS改性瀝青混合料，表明膠粉摻入超過12%時，復合改性瀝青混合料抗裂性能變差，摻入最佳量為12%。

2.3 復合改性瀝青G-R常數與混合料FI指標相關性

圖6為不同老化程度復合改性瀝青G-R常數與混合料FI之間關系圖。

由圖6可以發現：復合改性瀝青旋轉薄膜老化與復合改性瀝青混合料松散料4 h老化有著良好的相關性，擬合優度達0.93；復合改性瀝青旋轉薄膜老化+PAV 20 h老化與復合改性瀝青混合料松散料8 h老化有著良好的相關性，擬合優度達0.98；復合改性瀝青旋轉薄膜老化+PAV 40 h 老化與復合改性瀝青混合料松散料12 h老化有著良好的相關性，擬合優度達0.96；復合改性瀝青旋轉薄膜老化+PAV 60 h老化與復合改性瀝青混合料松散料24 h老化有著良好的相關性，擬合優度達0.96?？梢姙r青混合料松散料老化可以在較短的時間內達到PAV 60 h老化的程度，這為快捷評價瀝青混合料熱氧老化性能提供了參考。

3 結論

1)熱氧老化程度的增大會導致復合改性瀝青G-R常數增加，也會導致復合改性瀝青混合料的FI值降低，表明抗裂性能變差。2)膠粉的摻入對復合改性瀝青及混合料抗裂性能的影響隨著摻量的增加呈現不同的規律，當膠粉摻量不大于12%時，復合改性瀝青及混合料的抗裂性能好于SBS改性瀝青，但當膠粉摻量進一步增加時(15%和18%)，復合改性瀝青和混合料的抗裂性能不如SBS改性瀝青。膠粉摻量為12%時，復合改性瀝青的抗裂性能最佳。3)15%和18%膠粉摻量的復合改性瀝青在經受旋轉薄膜短期老化和60 h PAV老化，對應的混合料在經受松散料24 h老化后，抗裂性能指標出現較大幅度下降，表明在經受長期老化后，這兩種瀝青及混合料的耐久性出現較大衰減。4)瀝青混合料松散料老化可以較快的達到瀝青PAV老化的效果，為快速評價瀝青混合料的抗老化性能提供了參考。