SBS/废胶粉复合改性沥青及混合料路用性能

马峰，伍迪，傅珍，金彦鑫，纪续，潘健

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064；3.济南金曰公路工程有限公司，山东 济南 250000)

高黏沥青具有优良的水稳定性和较好的高温性能[1-2]，能够满足透水性路面对沥青高黏度的要求，延长道路的使用寿命[3-5]。高黏沥青在沥青路面中的应用得到了诸多关注，研究发现掺加化学稳定剂的高黏改性沥青分散较为均匀，其高温性能优于SBS和橡胶改性沥青[6-7]；TPS高黏改性沥青具有较好的高温性能、抗老化性能[8-9]；多数高黏沥青的低温性能不佳[10-12],橡胶粉的掺入能够增强沥青的延展性、耐热性和耐紫外线老化性能[13-14]。目前国内高黏改性沥青以进口为主，价格昂贵[15]。鉴于此，研究采用回收废胶粉、增黏剂、稳定剂和抗老化剂进行高黏沥青改性并对其沥青混合料的路用性能进行研究。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

韩国SK90#基质沥青，其技术指标见表1；沥青改性剂选用产自巴陵石化的SBS(4%掺量)和产自日本的TPS(12%掺量)；集料、矿粉均选用玄武岩，主要技术指标见表2。

表1 SK90#基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical index of SK90# base asphalt

FM300间歇式基本型高剪切分散乳化机；MDJ-IIA马歇尔电动击实仪；LX-AMSII自动马歇尔稳定度仪；WSY-026数显式沥青针入度测定仪；WSY-025E数显沥青软化点测定仪；LYY-8低温沥青延伸度测定仪；HYCZ-5沥青车辙试验仪；BFA四点弯曲疲劳机；KY-D4305MTS万能试验机。

表2 粗集料指标参数Table 2 Coarse aggregate index parameters

1.2 试验方法

采用废胶粉(16%)、SBS改性剂(4%)、稳定剂(1%)、增溶剂(0.5%)、增黏剂a及抗老化剂b对基质沥青进行增黏改性，具体方案见表3，其中A表示掺加了增黏剂的高黏沥青，A/B表示同时掺加了增黏剂和抗老化剂的高黏沥青。采用AC-13型级配对5种沥青进行混合料研究试验，各混合料的最佳油石比见表4。

表3 高黏沥青成分掺量(%)Table 3 High-viscosity asphalt components

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

通过动力黏度、延度对不同增黏剂掺量下改性沥青的高低温性能进行评价；此外，研究基于高温车辙、低温小梁弯曲、水稳定性及四点弯曲疲劳试验，对不同增黏剂掺量下AC-13混合料试件的路用性能进行对比评价并研究其对混合料路用性能的影响规律。

2 结果与讨论

2.1 高黏沥青

2.1.1 高温性能 采用真空减压毛细管法对SBS、TPS及不同掺量增黏剂的改性沥青进行60 ℃动力黏度测试，结果见图1。

图1 沥青动力黏度Fig.1 Asphalt dynamic viscosity

由图1可知，随着增黏剂掺量的增加，两种高黏改性沥青的60 ℃动力黏度均随之提升。增黏剂掺量由4%变化至6%时，A沥青黏度值，增长了27 kPa·s，为掺量2%的2.8倍且黏度值均低于TPS改性沥青；增黏剂掺量由6%变化至8%时，增长了41 kPa·s，增幅为4%～6%的1.51倍，其黏度值为掺量2%的5.5倍；表明相同增黏剂增量的情况下，6%～8%对黏度值的提升效果远优于4%～6%，增黏剂的最佳掺量应不低于8%。

8%A、10%A、8%A/B和10%A/B的60 ℃动力黏度均大于TPS高黏改性沥青，说明增黏剂含量大于8%时，沥青具有很好的高温性能。此外，相同增黏剂掺量下，掺有抗老化剂的沥青动力黏度更大，这是由于抗老化剂是高分子材料，有助于缩短分子间作用力，促进沥青形成三维网状结构，提升了沥青的高温黏滞度。

2.1.2 低温性能 在拉伸温度和拉伸速率分别为5 ℃和5 cm/min下对高黏沥青、SBS及TPS改性沥青进行延度测定，结果见图2。

图2 沥青5 ℃延度Fig.2 Ductility of asphalt at 5 ℃

由图2可知，A、A/B两种高黏沥青5 ℃延度略低于SBS改性沥青，且明显优于基质沥青，说明高黏沥青的低温柔韧性主要由SBS改性剂提供，SBS的添加可以明显提高沥青胶结料的低温拉伸性能。此外，两种自制高黏沥青的延度随着增黏剂掺量的增加逐渐降低，表明增黏剂会衰减沥青的低温性能。这是由于增黏剂提升了沥青黏稠程度，降低了沥青变形能力，在拉伸过程中旧的结构产生破坏，新的结构来不及形成，会略微降低沥青材料低温性能，从而表现出延度下降。

尽管增黏剂略微降低了沥青延度，但几种改性沥青的延度相对于基质沥青都有较大幅度提升，延度最小的10%A/B高黏沥青，其延度值也为基质沥青的3.3倍。是因为掺入了SBS改性剂，SBS分子链具有优良的运动柔性，在沥青中会形成网状结构，温度下降时有效吸收了温度应力，提高了沥青的低温性能。

2.2 高黏沥青混合料

2.2.1 高温稳定性 采用车辙试验对基质、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性沥青混合料进行高温性能测试，结果见图3。

由图3可知，沥青混合料动稳定度指标(DS)从小到大排序依次为：基质

图3 沥青混合料车辙试验Fig.3 Asphalt mixture rutting test

2.2.2 低温抗裂性 采用低温小梁弯曲破坏试验对基质、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性沥青混合料进行低温抗裂性的测试，结果见图4。

图4 各沥青混合料的弯曲劲度 模量和最大弯拉应变Fig.4 Bending stiffness modulus and maximum bending strain of asphalt mixture

由图4可知，沥青混合料的最大弯拉应变按由高到低依次为：10%A/B>10%A>TPS>SBS>基质。弯曲劲度模量越低，最大弯拉应变越大，沥青混合料低温抗裂性能越好。基质沥青混合料的弯曲劲度模量为5 021 MPa，SBS在基质沥青的基础上减少了3.94%，而10%A在基质沥青的基础上减少了12%，为SBS减少幅度的3倍。增黏剂的存在会降低沥青低混合料的低温性能，但由于同时掺加了橡胶粉，橡胶粉在沥青中会发生熔胀和脱硫降解两个过程，反应程度随反应温度与反应时间变化是一个动态的过程，有助于提高沥青混合料的低温性能[16]，提升幅度大于降低幅度，使得最终混合料的低温抗裂性得到增强。

此外，10%A/B沥青混合料的极限弯拉应变大于10%A沥青混合料，说明抗老化剂在一定程度上可以增强沥青材料的低温性能，主要是因为抗老化剂是高分子材料，加入沥青材料之后会形成三维网状结构体，提高了沥青材料在低温环境下的柔韧性，改善了沥青混合料的温度敏感性，从而提升沥青混合料在低温情况下的抗裂能力。

2.2.3 水稳定性能 采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对最佳油石比下基质、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性沥青混合料水稳定性进行评价，结果见图5。

图5 各沥青混合料冻融劈裂强度比和残留稳定度Fig.5 Freeze-thaw splitting strength ratio and residual stability of asphalt mixture

由图5可知，SBS改性沥青混合料劈裂强度比为82.2%，残留稳定度为88.1%， 增黏剂掺量为10%的高黏沥青混合料的冻融劈裂强度比为97.5%，残留稳定度为90.6%，其冻融劈裂强度在SBS改性沥青的基础上提升了18%，这是因为增黏剂的加入在SBS改性剂作用的基础上进一步提升了沥青和集料之间的黏结力，提高了沥青混合料的水稳定性。10%A改性沥青混合料的冻融劈裂强度比和残留稳定度均高于10%A/B改性沥青混合料，说明抗老化剂虽然能够提升沥青之间的黏滞度，但是会对沥青与集料之间的黏附作用产生不利影响，降低了高黏沥青混合料的抗水损坏能力。同时两种制备的高黏沥青混合料劈裂强度比都明显大于TPS改性沥青混合料，具有较好的水稳定性。

2.2.4 抗疲劳性能 对基质、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性沥青混合料采用四点弯曲疲劳试验进行疲劳性能试验研究。本文采用恒定应变控制的连续局部正弦载荷模式，载荷频率为10 Hz，应变值为200，250，300 με对自制的高黏度改性沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，结果见图6。

图6 各沥青混合料应变-疲劳寿命趋势Fig.6 The strain-fatigue life trend of asphalt mixture

由图6可知，随着应变的增加，各沥青混合料的疲劳寿命降低，4种改性沥青的疲劳寿命均高于基质沥青。其中10%A/B改性沥青混合料的疲劳寿命为基质沥青混合料的2.3倍，SBS改性沥青混合料的2倍，说明增黏剂的掺入使得沥青混合料抗疲劳性能得到较大提升，有效延长道路的使用寿命；此外，高温条件下，橡胶粉在沥青中发生溶胀和溶解，提高了沥青的黏性，低温条件下，沥青和橡胶粉的模量差异较大，容易产生应力集中，使沥青的可塑性得到提升，改善了沥青的低温柔韧性，减弱了温度变化和荷载作用对路面的损害。自制的两种高黏度改性沥青疲劳寿命均高于TPS改性沥青混合料，具有较好的抗疲劳性能。

3 结论

本文对基质、SBS、TPS和两种自制高黏改性沥青及沥青混合料进行了高低温及水稳定性和抗疲劳性能的试验，通过对比分析，对两种自制高黏沥青及沥青混合料的路用性能进行了详细的研究，得出结论如下：

(1)增黏剂显著提升了改性沥青的黏度，在同样的高温条件下，掺入增黏剂的高黏沥青具有更高的黏度，高温稳定性更好；低温条件下会略微降低SBS改性沥青的低温延展性。

(2)在高温抗车辙方面，可通过在SBS改性沥青中加入增黏剂提升其高温性能，在此条件下掺入抗老化剂能进一步提升其高温性能；两种自制高黏沥青混合料的高温性能均优于TPS改性沥青。

(3)相同增黏剂掺量下掺入抗老化剂的高黏沥青混合料的低温性能优于未掺入抗老化剂的，抗老化剂掺入沥青材料之后形成三维网状结构体，提高了沥青材料在低温环境下的柔韧性，增强了沥青混合料的低温变形能力。

(4)两种自制高黏沥青混合料的劈裂强度比和疲劳寿命均优于TPS改性沥青，增黏剂、SBS改性剂和废胶粉复掺能较好地提升沥青混合料的抗水损坏能力和抗疲劳性能，延长道路的使用寿命。