干法苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

摘要：采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、8%的干法SBS改性SMA-13型瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA13）在不同試驗(yàn)溫度、加載頻率時(shí)的動(dòng)態(tài)模量與相位角，并與常規(guī)的濕法SBS改性SMA13進(jìn)行對(duì)比分析，建立各自的動(dòng)態(tài)模量主曲線。結(jié)果表明：在低溫5℃及常溫20℃時(shí)，改性劑含量不同的干法SBS改性SMA13的動(dòng)態(tài)模量差異較小，并且均比濕法SBS改性SMA13的動(dòng)態(tài)模量小，表明干法SBS改性SMA13具有較好的低溫柔性；在較高溫度50、60℃時(shí)，干法SBS改性SMA13的動(dòng)態(tài)模量、彈性模量與黏性模量均比濕法SBS改性SMA13的大，說(shuō)明干法SBS改性瀝青的高溫抗變形能力更強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：道路工程；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物；瀝青瑪蹄脂碎石混合料；改性；動(dòng)態(tài)模量

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Atdifferenttesttemperaturesandloadingfrequencies，asimpleperformancetestingmachinewasusedtotestthedynamicmodulusandphaseangleofdrystyrene-butadiene-styreneblockcopolymer（SBS）modifiedSMA-13typestonemasticasphaltmixture（SMA13）withthemassfractionofSBSaccountingfor6%and8%ofasphalt，respectively.ComparedwiththeconventionalwetSBSmodifiedSMA13，dynamicmainmoduluscurveswereestablished.TheresultsshowthatthedifferenceofdynamicmoduliofthedrySBSmodifiedSMA13withdifferentcontentsofmodifierissmallatlowtemperatureof5℃andnormaltemperatureof20℃，andbothofthemaresmallerthanthedynamicmodulusofthewetSBSmodifiedSMA13，indicatingthatthedrySBSmodifiedSMA13hasbetterlowtemperatureflexibility.Athighertemperaturesof50，60℃，thedynamicmodulus，elasticmodulus，andviscositymodulusofthedrySBSmodifiedSMA13arelargerthanthoseofthewetSBSmodifiedSMA13，indicatingthatthedrySBSmodifiedasphalthasstrongerdeformationresistanceandbetterstabilityathightemperature.

Keywords：roadengineering;styrene-butadiene-styreneblockcopolymer;stonematricasphaltmixture;modification;dynamicmodulus

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51908331）

第一作者簡(jiǎn)介：劉樹堂（1964—），男，山東濰坊人。教授，博士，研究方向?yàn)榈缆凡牧蟽?yōu)化組成設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。Email：gtreesl@sdu.edu.cn。

通信作者簡(jiǎn)介：薛志超（1974—），男，黑龍江明水人。研究員，博士，研究方向?yàn)榈缆方Y(jié)構(gòu)與材料。Email：36186216@163.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230306.1551.002.html

高溫車轍與低溫開裂是瀝青路面常見(jiàn)的病害形式。為了減緩該類病害發(fā)生，道路工程中通常采用濕法苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性瀝青混合料；但有研究認(rèn)為，濕法SBS改性瀝青在較高溫度環(huán)境下的強(qiáng)度和抗穿透性會(huì)降低［1］，濕法工藝存在能耗大、成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、監(jiān)管使用存在盲區(qū)等問(wèn)題［2］，因此，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開始研究干法SBS改性瀝青，即將SBS改性劑直接投入到瀝青混合料中攪拌，并在一些公路工程中獲得一定應(yīng)用。車轍、低溫彎曲及凍融劈裂等試驗(yàn)表明，由干法SBS改性的瀝青混合料具有較高的動(dòng)穩(wěn)定度和較好的低溫與水穩(wěn)性能［3-4］。目前，有關(guān)干法SBS改性瀝青混合料的評(píng)價(jià)主要集中于基本路用性能，尚未開展力學(xué)性能的評(píng)估。

動(dòng)態(tài)模量已被廣泛用于評(píng)價(jià)黏彈性材料（如瀝青混合料）的力學(xué)性能，也是我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和美國(guó)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的一個(gè)重要輸入?yún)?shù)［5-7］，因此，通過(guò)動(dòng)態(tài)模量以及動(dòng)態(tài)模量主曲線進(jìn)一步評(píng)價(jià)干法SBS改性瀝青混合料的性能是十分必要的。SMA-13型瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA13）被廣泛應(yīng)用于高速公路路面的上面層，本文中以其為研究載體，開展不同溫度和不同加載頻率時(shí)的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，建立動(dòng)態(tài)模量主曲線，深入對(duì)比分析干法、濕法SBS改性SMA13的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，為合理選擇改性工藝提供理論與技術(shù)參考。

濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第37卷

第3期劉樹堂，等：干法苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

1試驗(yàn)材料

1.1瀝青

選用山東某公司生產(chǎn)的A級(jí)70#瀝青和由山東華瑞道路材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青為基礎(chǔ)瀝青。70#瀝青的基本性能指標(biāo)為：軟化點(diǎn)為47.4℃，針入度為69.4（0.1mm），15℃延度大于150cm；SBS改性瀝青的基本性能指標(biāo)為：軟化點(diǎn)為74.7℃，針入度為55.8（0.1mm），5℃延度為30.5cm。兩者的技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2干法SBS改性劑

干法SBS改性劑是以SBS為主要改性成分，經(jīng)過(guò)一定工藝生產(chǎn)的速熔型材料，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%，熔融指數(shù)為4.01g。改性劑干拌分散性好，可直接投放于瀝青混合料拌和鍋。

1.3礦料

以SMA13為研究載體，選用粒徑為10～lt;15、5～lt;10、3～lt;5、0～lt;3mm的玄武巖粗細(xì)集料；礦粉為石灰?guī)r，產(chǎn)地為山東省濟(jì)南市。對(duì)各原材料全部性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，均符合規(guī)范的技術(shù)要求。

1.4配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTGF40—2004《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，采用SMA13級(jí)配范圍中值，確定的最佳瀝青與礦料質(zhì)量比均為6.2%。

2動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)與模量主曲線構(gòu)建

2.1試驗(yàn)方案

根據(jù)初步研究及工程應(yīng)用的效果，分別制備SBS占基質(zhì)瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%的2種含量的干法SBS改性70#瀝青SMA13（簡(jiǎn)稱干法SBS改性料），以一種濕法SBS改性70#瀝青SMA13（簡(jiǎn)稱濕法SBS改性料）作為對(duì)比組，實(shí)際工程中常用的濕法SBS改性料中SBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%；總計(jì)3種SBS改性瀝青SMA13混合料。

2.2試驗(yàn)方法

采用英國(guó)PINE儀器公司生產(chǎn)的AFG1型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，成型直徑為150mm、高度為170mm的圓柱體試件；用HZ-20型混凝土鉆孔取芯機(jī)鉆芯與切割獲取直徑為100mm、高度為150mm的小圓柱體試件。采用澳大利亞IPCGlobal公司生產(chǎn)的簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，施加連續(xù)無(wú)間歇的半正矢荷載波形（不施加圍壓），試驗(yàn)溫度分別為5、20、35、50、60℃，加載頻率依次為0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、25Hz。對(duì)于每個(gè)加載頻率，首先進(jìn)行預(yù)壓，然后開始正式試驗(yàn)，控制形變小于125μm，通過(guò)數(shù)據(jù)控制和采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到不同溫度、不同加載頻率的動(dòng)態(tài)模量與相位角。

2.3動(dòng)態(tài)模量主曲線構(gòu)建原理

2.3.1動(dòng)態(tài)模量主曲線函數(shù)

2.3.2動(dòng)態(tài)模量主曲線獲取方法

根據(jù)瀝青混合料的Vma與Vfa，首先由式（6）、（7）預(yù)估出混合料動(dòng)態(tài)模量最大值，進(jìn)而得到M；然后確定參考溫度，并基于混合料在各測(cè)試溫度下不同加載頻率時(shí)測(cè)得的動(dòng)態(tài)模量值，依據(jù)最小二乘法以式（5）擬合實(shí)測(cè)結(jié)果，直接獲得式（5）中的4個(gè)參數(shù)δ、β、γ及ΔEa，即得到該瀝青混合料的模量主曲線；再由式（4）獲得各溫度下的位移因子。

3結(jié)果與分析

3.1動(dòng)態(tài)模量與相位角測(cè)試結(jié)果及分析

3.1.1動(dòng)態(tài)模量

圖1為在不同試驗(yàn)溫度、不同加載頻率時(shí)測(cè)得的SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、8%的干法SBS改性料及對(duì)比組濕法SBS改性料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，在所有試驗(yàn)溫度下，3種SMA13的動(dòng)態(tài)模量均隨著加載頻率的增加而增大，但當(dāng)試驗(yàn)溫度不同時(shí)SMA13的動(dòng)態(tài)模量的變化規(guī)律各異。試驗(yàn)溫度為5℃時(shí)，與濕法SBS改性料相比，干法SBS改性料的動(dòng)態(tài)模量均較小，表明后者具有較好的低溫改性效果。當(dāng)試驗(yàn)溫度升高到50、60℃時(shí)，干法SBS改性料的動(dòng)態(tài)模量均較大，且改性劑用量越大，動(dòng)態(tài)模量越大，隨著加載頻率的增加，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%的干法SBS改性料的動(dòng)態(tài)模量較濕法SBS改性料的分別增大36.6%～45.1%、58.0%～81.2%，動(dòng)態(tài)模量增加幅度十分明顯。可見(jiàn)，干法SBS改性SMA13既具有較好的低溫性能，又具有優(yōu)良的高溫性能，且改性劑SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的改性料的性能優(yōu)于改性劑SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的改性料的。

3.1.2高溫相位角

相位角是黏彈性材料的一個(gè)重要屬性，反映應(yīng)變滯后于應(yīng)力的程度，表征復(fù)數(shù)模量中彈性模量與損失模量的大小。相位角較小時(shí)表明材料的彈性模量較大，損失模量較小。由于高溫相位角具有更重要的屬性表征意義，因此表1僅給出試驗(yàn)溫度為60℃時(shí)不同加載頻率時(shí)相位角試驗(yàn)結(jié)果。由表可知，隨著加載頻率的增大，3種SMA13的相位角均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；加載頻率相同時(shí)，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的干法SBS改性料的相位角最小，濕法SBS改性料與SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%干法SBS改性料的相位角則較為接近，表明改性劑用量較多的干法SBS改性SMA13的高溫彈性性能較優(yōu)，高溫穩(wěn)定性較好。

3.1.3高溫彈性模量與黏性模量

由于單獨(dú)分析動(dòng)態(tài)模量與相位角并不能準(zhǔn)確反映不同黏彈性材料的性狀，例如動(dòng)態(tài)模量相同但相位角不同的2種材料，其彈性與黏性性狀是不同的，因此有必要將動(dòng)態(tài)模量與相位角綜合起來(lái)考察材料的黏彈性性狀。當(dāng)溫度為60℃時(shí)材料性狀與抗車轍能力密切相關(guān)，因此以試驗(yàn)溫度為60℃時(shí)結(jié)圖1不同試驗(yàn)溫度、加載頻率時(shí)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性SMA-13型瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA13）的動(dòng)態(tài)模量果為例，將干法SBS改性SMA13與濕法SBS改性SMA13的彈性模量與黏性模量進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的干法SBS改性料的彈性模量與黏性模量均最大，濕法SBS改性料的均最小，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的干法SBS改性效果介于兩者之間，但與濕法SBS改性料的接近。以濕法SBS改性料作為對(duì)比組，隨著加載頻率增大，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的干法SBS改性料的彈性模量提高了8.6%～24.4%，黏性模量提高了11.7%～31.2%，而SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的干法SBS改性料的彈性模量提高了61.1%～81.5%，黏性模量提高了47.5%～77.3%。2種改性料彈性模量的增大有助于提升路面的抗車轍能力［14］，且SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的干法SBS改性料的高溫改性效果最好。

與圖1中試驗(yàn)溫度為60℃時(shí)改性料的動(dòng)態(tài)模量相比，圖2較為詳細(xì)地說(shuō)明了3種SMA13的復(fù)數(shù)模量中彈性性狀與黏性性狀的對(duì)比情況，更為準(zhǔn)確地反映了不同改性方法的SMA13的黏彈性性能的差異。

3.2動(dòng)態(tài)模量主曲線構(gòu)建

3.2.1SMA13的最大動(dòng)態(tài)模量

3種SMA13試件的Vma的均值為17.0%，Vfa的均值為73%，將其代入式（7）得到系數(shù)Pc=0.869719，由式（6）計(jì)算得到相同的最大動(dòng)態(tài)模量E*=2.537×1010Pa，M=lg—E*—max=6.56574。

3.2.23種SMA13的動(dòng)態(tài)模量主曲線

基于圖1所示的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果，利用最小

二乘法，依據(jù)式（5）可分別對(duì)不同SMA13的主曲線函數(shù)中的4個(gè)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，據(jù)此可同時(shí)得到3種SMA13的動(dòng)態(tài)模量擬合曲線及動(dòng)態(tài)模量主曲線（試驗(yàn)溫度為20℃），結(jié)果分別見(jiàn)表2和圖3、4。

動(dòng)態(tài)模量主曲線也可由不同試驗(yàn)溫度的模量曲線進(jìn)行平移合成得到，平移量由式（4）計(jì)算。由式（4）和表2中不同SMA13的ΔEa幾乎相同可知，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中位移平移量主要取決于試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)溫度為5、20、35、50、60℃的平移量分別為1.92154、0、-1.73446、-3.30791、-4.27815，即各主曲線也可通過(guò)不同試驗(yàn)溫度的動(dòng)態(tài)模量擬合

曲線分別平移這些量值組合而成。3種改性瀝青SMA13的動(dòng)態(tài)模量主曲線可為評(píng)價(jià)分析不同溫度、不同頻率時(shí)改性料的黏彈性能，以及路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)參數(shù)的選取與改性技術(shù)的選擇提供相關(guān)的依據(jù)與參考。

4結(jié)論

本文中利用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試2種改性劑含量的干法SBS改性瀝青SMA13及濕法SBS改性瀝青SMA13的動(dòng)態(tài)模量和相位角，分析了3種SMA13的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并建立了各自的動(dòng)態(tài)模量主曲線，獲得的主要結(jié)論如下：

1）與濕法SBS改性料相比，試驗(yàn)溫度為5℃時(shí)，干法SBS改性SMA13具有較低的動(dòng)態(tài)模量，表明干法SBS改性料具有較好的低溫改性效果。

2）當(dāng)試驗(yàn)溫度為50、60℃時(shí)，干法SBS改性SMA13的動(dòng)態(tài)模量及彈性模量與損失模量均比濕法SBS改性料的大，表明前者具有更優(yōu)良的高溫性能。

3）綜合分析表明，干法SBS改性SMA13的低溫共聚物（SBS）改性SMA-13型瀝青瑪蹄脂碎石

混合料（SMA13）的動(dòng)態(tài)模量擬合曲線抗裂性能、高溫抗車轍性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的濕法SBS改性SMA13的，尤其是改性劑SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的改性料的高溫抗變形能力最強(qiáng)，適用于高溫重載交通的瀝青路面的上面層。

4）建立的3種SMA13動(dòng)態(tài)模量主曲線可為不同溫度、加載頻率的混合料動(dòng)態(tài)模量參數(shù)選取及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］YILDIRIMY.Polymermodifiedasphaltbinders［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2007，21（1）：66.

［2］付超，周雄，吳林生.濕法和干法SBS改性瀝青混合料對(duì)比研究［J］.公路工程，2018，43（6）：212.

［3］徐寧.濕法和干法SBS改性瀝青混合料路用性能及改性機(jī)理對(duì)比研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

［4］劉瑩，王涵，郭娜，等.干法工藝生產(chǎn)改性瀝青混合料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油瀝青，2017，31（2）：63.

［5］HUJY，MAT，ZHUYH，etal.Afeasibilitystudyexploringlimestoneinporousasphaltconcrete：performanceevaluationandSuperpavecompactioncharacteristics［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2021，279：122457.

［6］中交路橋技術(shù)有限公司.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范：JTGD50—2017［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

［7］BIYQ，GUOFC，ZHANGJP，etal.Correlationanalysisbetweenasphaltbinder/asphaltmasticpropertiesanddynamicmodulusofasphaltmixture［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2021，276：122256.

［8］LIUHQ，LUOR，LYUHJ.Establishingcontinuousrelaxationspectrumbasedoncomplexmodulusteststoconstructrelaxationmodulusmastercurvesincompliancewithlinearviscoelastictheory［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2018，165：372.

［9］SABOON，KUMARP.Useofflowpropertiesforrheologicalmodelingofbitumen［J］.InternationalJournalofPavementResearchandTechnology，2016，9（1）：63.

［10］遲鳳霞，張肖寧，王麗健，等.瀝青混合料動(dòng)態(tài)剪切模量主曲線的確定［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，39（2）：349.

［11］呂松濤，張乃天，吳政達(dá)，等.三維應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量歸一化［J/OL］.中國(guó)公路學(xué)報(bào).（2022-06-30）［2023-02-28］.https：//kns.cnki.net/kcms2/detail/61.1313.U2.20220628.1341.006.html.

［12］PRIYADHARSHINIY，MAHESHWARIS，PADMAREKHAA，etal.Effectofmixingandcompactiontemperatureondynamicmodulusofmodifiedbinderbituminousmixtures［J］.Procedia：SocialandBehavioralSciences，2013，104：12.

［13］趙延慶，薛成，黃榮華.瀝青混合料抗壓回彈模量與動(dòng)態(tài)模量比較分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（12）：105.

［14］XIAT，XUJH，HUANGT，etal.ViscoelasticphasebehaviorinSBSmodifiedbitumenstudiedbymorphologyevolutionandviscoelasticitychange［J］.ConstructionandBuildingMaterials，2016，105：589.

（責(zé)任編輯：于海琴）