不同穩(wěn)定劑對(duì)SBS改性瀝青混合料路用性能的影響

程 龍，郭 欣，于 江，葉 奮,2，李林萍

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引 言

SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性瀝青可以顯著提升瀝青路面的高溫抗車(chē)轍性能、低溫抗開(kāi)裂性能、抗疲勞開(kāi)裂性能，在中國(guó)道路工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]；但由于SBS與基質(zhì)瀝青相容性差而大大降低了SBS的改性效果。鑒于此，國(guó)內(nèi)外研究者提出使用穩(wěn)定劑增強(qiáng)SBS改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性能。游金梅采用不同摻量的多聚磷酸(PPA)改善SBS的存儲(chǔ)性能，證明PPA的加入能夠改善SBS改性瀝青的高溫性能、抗老化性能，但低溫性能降低；Zhang F[3]發(fā)現(xiàn)使用硫(S)作為穩(wěn)定劑可以改善SBS、SBR在基質(zhì)瀝青中的分散程度，并且提高了SBS改性瀝青的抗老化性能；宋莉芳發(fā)現(xiàn)在瀝青服役溫度內(nèi)，使用有機(jī)改性黏土及含硫化合物穩(wěn)定劑，對(duì)SBS改性瀝青的流變特性影響顯著；常海洲[4]發(fā)現(xiàn)納米CaCO3穩(wěn)定劑能提高SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和低溫抗裂性能。

雖然目前關(guān)于SBS復(fù)合改性瀝青路用性能的研究已經(jīng)取得豐碩的成果，但大多研究只是縱向針對(duì)不同摻量下某一種添加劑對(duì)SBS改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性能及其混合料路用性能的影響[5-7]。本文從改善SBS改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，分別以有機(jī)蒙脫土(OMMT)、炭黑(CB)、硫(S)作為穩(wěn)定劑對(duì)SBS瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，通過(guò)離析試驗(yàn)、三大指標(biāo)試驗(yàn)探討不同摻量的3種穩(wěn)定劑對(duì)SBS瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性能的影響，從而確定不同種類(lèi)穩(wěn)定劑的最佳摻量；在此摻量的基礎(chǔ)上對(duì)SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、高溫車(chē)轍試驗(yàn)、低溫梁彎曲試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)，采用縱向?qū)Ρ扰c橫向分析相結(jié)合的方法，全面探究3種穩(wěn)定劑對(duì)SBS改性瀝青混合料路用性能的影響,為SBS復(fù)合改性瀝青更加廣泛地應(yīng)用于中國(guó)道路工程領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青及改性劑

本試驗(yàn)選取克拉瑪依90#瀝青為基質(zhì)瀝青。聚合物改性劑(簡(jiǎn)稱(chēng)SBS)選用獨(dú)山子石化分公司的星型SBST1 61-B改性劑，摻量為3%、4%、5%。為了減少SBS在瀝青中的沉淀和團(tuán)聚現(xiàn)象，試驗(yàn)采用LHB-2型剪切乳化攪拌機(jī)制備改性瀝青，首先取適量的瀝青加入加熱鍋中，設(shè)定加熱溫度為180 ℃，然后將擬定摻量的SBS倒入瀝青中，手工攪動(dòng)1 min后，再自動(dòng)攪拌60 min，即可制備SBS改性瀝青。

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

在制備SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，分別將不同摻量(2%、4%、6%)的穩(wěn)定劑，即有機(jī)蒙脫土(簡(jiǎn)稱(chēng)OMMT)、硫(S)、炭黑(CB)，依次加入180 ℃的SBS改性瀝青中，使用高速剪切乳化攪拌機(jī)攪拌1 h，即可得到SBS/OMMT、SBS/S以及SBS/CB復(fù)合改性瀝青[8-9]。

2 瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)方法

改性瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)方案如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)方案

2.1 改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)

將制備好的改性瀝青加熱至充分流動(dòng)狀態(tài)，注入直徑32 mm、高160 mm的鋁管中(注入瀝青質(zhì)量約為50 g)，將鋁管口密封之后豎直放入163 ℃±0.5 ℃的烘箱中，放置48 h±1 h。然后，將鋁管放入-20 ℃的冰箱中冷凍4 h。凍結(jié)的鋁管隨后剪切成等量的三段，從頂部和底部獲得的試樣用于評(píng)估儲(chǔ)存穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 改性瀝青混合料試驗(yàn)

2.2.1 高溫車(chē)轍試驗(yàn)

采用《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》( JTJ E20—2011)中的試驗(yàn)方法，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，其中以高溫車(chē)轍試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)改性瀝青混合料高溫性能的方法，評(píng)價(jià)指標(biāo)選用動(dòng)穩(wěn)定度DS、相對(duì)變形指標(biāo)δ?；旌狭系蜏卦囼?yàn)溫度為-10 ℃±0.5 ℃，加載速率為50 mm·min-1。

2.2.2 疲勞試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用澳大利亞IPCGlobal公司制造的BFA四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試瀝青混合料疲勞性能，測(cè)試過(guò)程中使用UTM軟件操作系統(tǒng)。

2.3 疲勞壽命評(píng)價(jià)方法

本文采用的疲勞壽命評(píng)價(jià)方法為SHRP-A303中推薦的疲勞性能判斷方法，即50%初始勁度模量降低疲勞壽命法(Nf50法，Nf50為50%初始勁度模量減少時(shí)的疲勞作用次數(shù))。

3 不同穩(wěn)定劑對(duì)SBS改性瀝青性能的影響

3.1 對(duì)SBS改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性能的影響

對(duì)不同摻量的SBS/OMMT改性瀝青、SBS/S改性瀝青、SBS/CB改性瀝青進(jìn)行離析試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。離析試驗(yàn)上下軟化點(diǎn)差值小于2.5 ℃，表明SBS改性瀝青未離析。由圖2(a)可以看出，不同摻量的SBS改性瀝青離析值均大于2.5 ℃，且SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)差值與SBS摻量并不是正相關(guān)，軟化點(diǎn)差值從大到小依次為4%SBS、5%SBS、3%SBS。因此，本文選取軟化點(diǎn)差值最大的4%SBS改性瀝青為樣本，分別加入有機(jī)蒙脫土、硫、炭黑3種添加劑制備復(fù)合改性瀝青。復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)離析值如圖2(b)所示，由圖可知，在適宜的摻量下3種穩(wěn)定劑都可有效地減少SBS改性瀝青的離析值，解決SBS改性瀝青的離析問(wèn)題。其中，當(dāng)OMMT摻量小于4%時(shí)，OMMT的摻入并不能減小SBS改性瀝青的離析值，而當(dāng)OMMT摻量超過(guò)5%時(shí)SBS改性瀝青的離析值可滿(mǎn)足規(guī)范要求。CB在摻量為4%時(shí)即達(dá)到存儲(chǔ)穩(wěn)定，當(dāng)CB摻量為4%～6%時(shí)，對(duì)SBS改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性能的影響不大。S的摻量為2%時(shí)，SBS改性瀝青存儲(chǔ)性能即可達(dá)到穩(wěn)定，隨S摻量繼續(xù)增加，其離析值變大，存儲(chǔ)性能愈加不穩(wěn)定。根據(jù)離析試驗(yàn)結(jié)果制備3種存儲(chǔ)穩(wěn)定的SBS復(fù)合改性瀝青：摻6%OMMT的SBS/OMMT改性瀝青、摻5%CB的SBS/CB改性瀝青、摻2%S的SBS/S改性瀝青。

圖2 不同改性瀝青離析試驗(yàn)結(jié)果

3.2 不同穩(wěn)定劑對(duì)SBS基本性能的影響

分別測(cè)定SBS改性瀝青、SBS/OMMT復(fù)合改性瀝青、SBS/S復(fù)合改性瀝青以及SBS/CB復(fù)合改性瀝青的基本性能，結(jié)果如表1所示。

表1 改性瀝青常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可得：OMMT穩(wěn)定劑對(duì)SBS改性瀝青低溫性能的改性效果明顯，低溫黏度隨摻量的增加急劇降低；SBS/CB改性瀝青低溫黏度受添加劑摻量的影響最小，改性效果較為穩(wěn)定；SBS/S改性瀝青低溫黏度隨穩(wěn)定劑S摻量的增加呈上升趨勢(shì)。此外，S和OMMT均能提高SBS改性瀝青針入度指數(shù)，而CB的加入則降低了SBS復(fù)合改性瀝青對(duì)環(huán)境溫度的敏感度，提高了瀝青混合料的耐久性及使用壽命。

軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果顯示：OMMT穩(wěn)定劑摻量為4%時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)提高了6 ℃，摻量為6%時(shí)，軟化點(diǎn)溫度上升14 ℃，說(shuō)明OMMT對(duì)SBS改性瀝青高溫性能提升顯著；而S和CB穩(wěn)定劑對(duì)SBS改性瀝青高溫性能改性效果不明顯。延度試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同摻量的普通SBS改性瀝青延度均大于1 000 mm，SBS改性瀝青表現(xiàn)出極佳的低溫抗裂能力，而3種穩(wěn)定劑的加入對(duì)SBS改性瀝青低溫抗裂能力均有不同程度的消極影響，其中SBS/OMMT改性瀝青低溫抗裂能力最差。

4 不同穩(wěn)定劑的SBS改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)試配法確定混合料的礦料配合比，并通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)判斷礦料級(jí)配的合理性，確定混合料的最佳油石比[10-12]。瀝青材料選擇：OMMT摻量6%的SBS/OMMT改性瀝青、CB摻量5%的SBS/CB改性瀝青、S摻量2%的SBS/S改性瀝青。級(jí)配設(shè)計(jì)選擇多碎石級(jí)配SAC-16。采用馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定混合料的最佳級(jí)配，結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)馬歇爾系列試驗(yàn)得到混合料體積參數(shù)、馬歇爾穩(wěn)定度、流值，如表3所示。

表2 SAC-16級(jí)配設(shè)計(jì)

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表3數(shù)據(jù)顯示：3種SBS改性瀝青混合料的空隙率與瀝青摻量呈負(fù)相關(guān)，瀝青摻量達(dá)到6.0%時(shí)，3種混合料的空隙率均降至5%左右。由馬歇爾穩(wěn)定度和流值數(shù)據(jù)可知，在同一油石比條件下，3種穩(wěn)定劑的加入均能不同程度地增加SBS瀝青混合料的穩(wěn)定度。其中，當(dāng)油石比為5.2%～6%時(shí)，SBS/CB和SBS/OMMT復(fù)合改性瀝青混合料的變形量，較油石比為4.5%、5%時(shí)分別減少了24.4%、3.82%，而4種油石比SBS/S改性瀝青混合料的塑性變形量一直低于普通SBS瀝青混合料。按照中國(guó)現(xiàn)行OAC方法確定瀝青最佳用量：SBS瀝青最佳用量為5.675%；SBS/OMMT改性瀝青最佳用量為5.792%；SBS/CB改性瀝青最佳用量為5.93%；SBS/S改性瀝青最佳用量為5.83%。根據(jù)普通SBS改性瀝青和3種復(fù)合改性瀝青最佳摻量與SAC-16級(jí)配，制備馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件和車(chē)轍板試件。

5 不同SBS復(fù)合改性瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)

5.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

分別對(duì)SBS、SBS/OMMT、SBS/S、SBS/CB瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示?；旌狭辖囼?yàn)顯示：普通SBS改性瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)到93%以上，加入OMMT后SBS/OMMT混合料浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)到97%以上，表現(xiàn)出極佳的抗水損能力； SBS/S改性瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度的平均值為92%，與普通SBS改性瀝青浸水殘留穩(wěn)定度相接近，說(shuō)明S添加劑對(duì)混合料的抗水損能力幾乎沒(méi)有作用；而SBS/CB改性瀝青混合料的抗水損能力降低了11%，表明CB添加劑降低了SBS改性瀝青的抗水損害能力。從馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果看，S、OMMT都能有效提高普通SBS改性瀝青混合料的承載力。

表4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

5.2 動(dòng)穩(wěn)定度分析

同一條件下安排平行試驗(yàn)2次，若存在大于20%的誤差則進(jìn)行第3次試驗(yàn)，共完成4組車(chē)轍試驗(yàn)(共計(jì)8根小梁)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果顯示，OMMT/SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為SBS改性瀝青混合料的2.1倍，究其原因是，OMMT/SBS復(fù)合材料形成了剝離型的結(jié)構(gòu)，其片層本身會(huì)對(duì)瀝青分子鏈的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用，所以其高溫抗車(chē)轍能力最為突出[15-16]，適用于對(duì)溫度要求較高的炎熱地區(qū)瀝青道路建設(shè)。SBS/CB瀝青混合料與SBS/S瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力也達(dá)到普通SBS瀝青混合料的1.5倍左右。車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，3種添加劑都能有效提高SBS改性瀝青混合料的抗車(chē)轍性能。

5.3 疲勞試驗(yàn)

基于材料和試驗(yàn)量的限制，疲勞性能檢測(cè)僅選取應(yīng)變1 000 με平行試驗(yàn)2次，共完成4組疲勞試驗(yàn)(實(shí)際試驗(yàn)12根)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種穩(wěn)定劑的加入對(duì)SBS改性瀝青的疲勞性能均有不同程度的提升。從疲勞性能觀察，4種瀝青混合料的疲勞性能從大到小依次為SBS/OMMT、SBS/CB、SBS/S、SBS。經(jīng)過(guò)深入對(duì)比還發(fā)現(xiàn)有如下現(xiàn)象：SBS/OMMT瀝青混合料的疲勞壽命為2.0×105～2.7×105次，相較單純的4%摻量下的SBS改性瀝青(即未摻加穩(wěn)定劑時(shí))混合料的疲勞壽命(0.9×105～1.2×105次)，有近1倍的提升；而SBS/CB復(fù)合改性的動(dòng)穩(wěn)定度較SBS而言有0.5倍的提升；SBS/S的疲勞性能與SBS相接近。

5.4 混合料彎曲試驗(yàn)

彎曲梁試驗(yàn)是在-10 ℃低溫環(huán)境下完成的，在同一條件下完成平行試驗(yàn)2次?；旌狭闲×涸囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可以看出：普通SBS改性瀝青混合料的平均勁度模量為1 618.09 MPa；而SBS/OMMT復(fù)合改性瀝青混合料的勁度模量為1 267.01 MPa，較普通SBS改性瀝青混合料下降了21.7%；SBS/CB復(fù)合改性瀝青混合料的勁度模量為937.72 MPa，較普通SBS改性瀝青混合料下降了42.1%；SBS/S復(fù)合改性瀝青混合料勁度模量為1 855.47 MPa，比普通SBS改性瀝青混合料上升了16.52%。此外，SBS/S的承載力也是混合料中最高的。OMMT雖然使SBS改性瀝青的抗車(chē)轍性能和水穩(wěn)定性能顯著提升，但低溫環(huán)境下其勁度模量?jī)H僅是普通SBS改性瀝青的79.9%；而SBS/CB混合料的低溫承載力是3種復(fù)合改性SBS混合料中最小的，其勁度模量只達(dá)到SBS/S混合料的一半。小梁彎曲試驗(yàn)表明，穩(wěn)定劑S能改善普通SBS改性瀝青的低溫性能，而OMMT和CB降低了SBS改性瀝青的低溫抗開(kāi)裂能力。

表7 低溫(-10 ℃)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)存儲(chǔ)穩(wěn)定性能方面。通過(guò)瀝青離析試驗(yàn)可得：SBS/S復(fù)合改性瀝青S添加劑最佳摻量為2%，；SBS/OMMT復(fù)合改性瀝青OMMT添加劑最佳摻量為6%；SBS/CB復(fù)合改性瀝青CB添加劑最佳摻量為5%。

(2)高溫性能方面。OMMT的加入對(duì)SBS的軟化點(diǎn)有積極影響的試驗(yàn)結(jié)果，與OMMT能使 SBS改性瀝青混合料高溫抗車(chē)轍性能提高2.4倍的試驗(yàn)結(jié)果一致，而CB與S穩(wěn)定劑對(duì)SBS改性瀝青混合料高溫性能的影響并不顯著。

(3)低溫性能方面。S使SBS改性瀝青混合料低溫勁度模量提高8%；CB降低了SBS改性瀝青混合料40%的低溫抗開(kāi)裂能力；SBS/OMMT的低溫勁度模量?jī)H為SBS改性瀝青混合料的79.9%。

(4)抗水損害性能方面。SBS/OMMT改性瀝青混合料浸水殘留度達(dá)到97%，水穩(wěn)定性能極佳；S添加劑對(duì)混合料抗水損害性能幾乎無(wú)影響；CB添加劑降低了SBS改性瀝青混合料18%的抗水損害能力。

(5)疲勞性能方面。SBS/OMMT瀝青混合料的疲勞壽命為2.0×105～7.7×105次，相較單純的4%摻量下的SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命，有近1倍的提升，SBS/CB復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較SBS改性瀝青混合料有0.5倍的提升，而SBS/S復(fù)合改性混合料的疲勞性能與SBS改性瀝青混合料接近。