SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

任鈺芳，孫皓，顏可珍，宋小金

(1.中國路橋工程責(zé)任公司，北京市 100011；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院；3.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.湖南中大檢測(cè)技術(shù)集團(tuán)有限公司)

特立尼達(dá)湖瀝青(Trinidad Lake Asphalt，簡(jiǎn)稱TLA)是一種湖瀝青，具有優(yōu)良的高溫性能、抗水損害性能和抗老化性能，常被用作改性劑來生產(chǎn)同樣具有以上優(yōu)點(diǎn)的TLA改性瀝青。由于TLA本身就是瀝青，與石油瀝青融合度極高，只需在高溫下將其與基質(zhì)瀝青拌勻即可制得有優(yōu)異儲(chǔ)存穩(wěn)定性的TLA改性瀝青，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，TLA改性瀝青的低溫抗裂性較差，用其做黏結(jié)劑的路面容易出現(xiàn)溫縮裂縫。丁苯橡膠(Styrene-Butadiene-Rubber，簡(jiǎn)稱SBR)是丁二烯-苯乙烯的簡(jiǎn)稱，屬于橡膠類聚合物改性劑。國內(nèi)外研究表明：用SBR來改性瀝青能顯著提高瀝青混合料的低溫抗裂性，但其高溫性能較差。此外，相對(duì)于SBS來說，SBR年產(chǎn)量充足且價(jià)格較低，但目前中國對(duì)SBR的應(yīng)用遠(yuǎn)沒有SBS應(yīng)用廣泛。

考慮到TLA與SBR兩者的特點(diǎn)，該文采用將兩者復(fù)合配比的方案，期望能結(jié)合TLA和SBR各自的優(yōu)點(diǎn)，來全面提高瀝青的性能。參考前期的研究，該文選擇70#瀝青、20%TLA(后文稱0%S+20%T)、2%SBR+10%TLA(2%S+10%T)，2%SBR+20%TLA(2%S+20%T)和3%SBR+20%TLA(3%S+20%T)5種瀝青作為研究對(duì)象，對(duì)其瀝青混合料高、低溫性能和抗水損性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 原材料性質(zhì)

1.1 集料

該文采用石英巖集料和石灰石礦粉，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1～3，均符合規(guī)范要求。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青

對(duì)照組瀝青采用重交70#石油瀝青，TLA與SBR復(fù)合改性瀝青的制備工藝如圖1所示。對(duì)基質(zhì)瀝青和制備的改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

圖1 改性瀝青制備流程

表4 瀝青基本性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出：隨TLA摻量的增大，SBR/TLA復(fù)合改性瀝青的針入度和5 ℃延度逐漸減小，而PI、軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度逐漸增大；隨SBR摻量的增大，SBR/TLA復(fù)合改性瀝青的針入度變小，而PI、軟化點(diǎn)、5 ℃延度、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度增大。

2 混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料級(jí)配

該試驗(yàn)選用AC-13型瀝青混合料，其礦料合成級(jí)配見圖2。

圖2 AC-13集料篩分級(jí)配曲線圖

2.2 確定最佳油石比

參考現(xiàn)有文獻(xiàn)，初步將所有瀝青混合料的最佳油石比均定為5.0%，并對(duì)采用此油石比的瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)并測(cè)定體積指標(biāo)，結(jié)果如表5所示。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表5可知：與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青混合料有更低的空隙率、VMA、流值，有更大的VFA和馬歇爾穩(wěn)定度，且所有指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，因此確定最佳油石比為5.0%。

3 TLA/SBR復(fù)合改性瀝青混合料性能研究

3.1 高溫性能

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能，試驗(yàn)參照規(guī)范進(jìn)行，試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，在60 ℃的車轍儀里放置5 h后，在0.7 MPa的壓強(qiáng)下碾壓1 h，記錄45 min和60 min試件表面的豎向變形，并據(jù)此計(jì)算出動(dòng)穩(wěn)定度(DS)來評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見：① 所有改性瀝青混合料的45 min與60 min的豎向變形均小于70#瀝青，DS均大于70#瀝青，說明無論是只加入TLA改性，還是加入TLA與SBR復(fù)合改性均能提高高溫性能；② 在所有摻入20%TLA的改性瀝青混合料中，當(dāng)SBR摻量從0%增加到2%，45 min與60 min的變形均減小了4.4%，DS增加了4.4%；當(dāng)SBR摻量從2%增加到3%，改性瀝青的45 min與60 min的位移分別減小了36.5%和34.5%，DS增加了7.1%。這說明摻入2%～3%SBR對(duì)SBR/TLA改性瀝青的高溫性能的增強(qiáng)效果最好；③ 2%SBR+20%TLA與2%SBR+10%TLA相比，增加10%TLA，改性瀝青的45 min與60 min的變形分別減小了32.6%和31.7%，DS增加了19.5%。多添加10%TLA對(duì)SBR/TLA復(fù)合改性瀝青的高溫性能的提高效果要好于多添加1%SBR對(duì)高溫性能的提高效果。但考慮到添加比例的差異，SBR對(duì)SBR/TLA改性瀝青高溫性能影響更顯著；④ 添加SBR和TLA后，所有的改性瀝青混合料的DS均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范要求，3%SBR+20%TLA具有最佳的高溫性能。

3.2 低溫性能

采用低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)參照規(guī)范進(jìn)行，試件采用直徑為(101.6±0.25) mm、高為(63.5±1.3) mm的馬歇爾試件。先將試件在-10 ℃的環(huán)境放置6 h，然后以50 mm/min加載速率在-10 ℃的環(huán)境中進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

由表7可見：① 與70#瀝青相比，20%TLA的劈裂強(qiáng)度與勁度模量分別增大了36.8%和67.6%，破壞應(yīng)變減小了22.8%。這說明只用TLA改性提升了瀝青混合料的最大抗拉伸破壞強(qiáng)度，但同時(shí)降低了變形能力和韌性，使其更容易在低溫環(huán)境下開裂，這與其他研究的結(jié)論相吻合；② 在所有摻入20%TLA的改性瀝青中，隨SBR含量的增大，劈裂強(qiáng)度變化不大，破壞拉伸應(yīng)變逐漸變大，而勁度模量逐漸變小。這說明摻入SBR對(duì)SBR/TLA改性瀝青混合料的最大抗拉伸強(qiáng)度影響不大，但提高了其韌性，使其在汽車荷載或極端低溫環(huán)境下可以承受更大的收縮而不開裂；③ 綜合各項(xiàng)指標(biāo)，3%SBR+20%TLA的劈裂拉伸強(qiáng)度與破壞拉伸應(yīng)變最大，勁度模量也足夠小，表現(xiàn)出了最好的低溫性能。

表7 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

該文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)TLA與SBR復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)參照規(guī)范進(jìn)行：試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，一組試件在60 ℃的恒溫水箱浸泡30～40 min；另一組試件在60 ℃的恒溫水箱浸泡48 h，對(duì)這兩組試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)測(cè)其穩(wěn)定度，并計(jì)算殘留穩(wěn)定度IRS，IRS越大代表混合料的水穩(wěn)定性越好。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出：① 所有瀝青混合料IRS的排序?yàn)椋?%S+20%T>20%T>2%S+20%T>2%S+10%T>70#瀝青。前3位均是TLA含量為20%的改性瀝青，其次是TLA含量為10%的改性瀝青，最后是70#瀝青。這說明隨TLA含量的增大，SBR/TLA復(fù)合改性混合料的水穩(wěn)定性得到改善。3%S+20%T具有最佳的抗水損性能；② 在所有20%TLA的改性瀝青中，隨SBR摻量的增大，IRS先減小后增大。2%S+20%T與3%S+20%T相比，增加1%的SBR，改性瀝青的IRS增加了3.3%。2%S+20%T與2%S+10%T相比，增加10%的TLA，改性瀝青的IRS增加了3.1%?？紤]到摻量的差距，說明與TLA相比，SBR對(duì)SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響更加顯著；③ 各瀝青混合料的常規(guī)與浸水48 h后的馬歇爾穩(wěn)定度的大小排列均為3%S+20%T>20%T>2%S+20%T>2%S+10%T>70#瀝青。這說明用SBR與TLA改性均可以提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，這是由于添加改性劑增大了瀝青的黏度，使瀝青與集料的黏結(jié)更牢固，因而提高了試件的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1) TLA與SBR均能提高TLA/SBR復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能。摻加少量的(0～2%)SBR對(duì)高溫性能的改善不明顯，直到摻量超過2%，SBR對(duì)高溫性能的改善效果才較為理想。與TLA相比，SBR對(duì)高溫性能影響更顯著。添加SBR和TLA的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均遠(yuǎn)超規(guī)范要求，3%SBR+20%TLA具有最佳的高溫性能。

(2) 單一采用TLA改性增大了瀝青混合料的抵抗拉伸破壞的最大強(qiáng)度，但同時(shí)降低了在低溫環(huán)境下的變形能力。隨SBR含量的增大，SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度變化不大，破壞拉伸應(yīng)變逐漸增大，勁度模量逐漸減小，摻入SBR有效提高了混合料的低溫性能。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，3%SBR+20%TLA的低溫抗裂性最佳。

(3) 隨TLA含量的增大，SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。隨SBR含量的增多，SBR/TLA復(fù)合改性瀝青混合料的IRS先減小后增大。摻加相同的比例，與TLA相比，SBR對(duì)水穩(wěn)定性的影響更加顯著。3%SBR+20%TLA有最佳的抗水損性能。