巖瀝青-丁苯橡膠復(fù)合改性瀝青路用性能研究

陳凱, 何霽微

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南 岳陽(yáng) 414000)

瀝青路面由于使用瀝青作為結(jié)合料增強(qiáng)礦料間的黏結(jié)力，保證了其高性能。但瀝青材料的物理力學(xué)性質(zhì)受氣候和時(shí)間因素的影響很大，近年來(lái)氣候環(huán)境的劇烈變化使瀝青混合料的性能加劇惡化，降低了瀝青路面的使用性能。同時(shí)，隨著交通荷載的復(fù)雜化，瀝青路面承受重載和超載進(jìn)一步加劇了瀝青路面使用性能的衰減速度，基質(zhì)瀝青已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代交通的需求。因此，改性瀝青廣泛應(yīng)用于道路建筑中以保證瀝青路面優(yōu)良的路用性能和耐久性。

巖瀝青是一種天然瀝青，主要成分為瀝青和灰分，作為改性劑廣泛應(yīng)用于道路材料中。巖瀝青與基質(zhì)瀝青的相溶性好, 能促進(jìn)基質(zhì)瀝青將巖瀝青與集料充分裹覆，起到加強(qiáng)瀝青與集料黏附性的效果。且其因儲(chǔ)量較為豐富、施工工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。已有研究表明：巖瀝青能顯著改善瀝青混合料的高溫性能。另外，巖瀝青具有較高的含氮量，在高溫時(shí)能夠抵抗氧化性環(huán)境腐蝕作用，以延緩瀝青及瀝青混凝土材料衰老及老化，從而延長(zhǎng)設(shè)計(jì)年限及使用年限。然而，巖瀝青改性瀝青的低溫性能卻隨著巖瀝青含量的增加而降低。因此采用一種改性劑在保留高溫和抗老化性能優(yōu)越性的同時(shí)又能改善巖瀝青改性瀝青的低溫性能很有必要。

丁苯橡膠(SBR)是一種合成橡膠，具有粉末狀SBR和乳膠狀SBR兩種類型。現(xiàn)有研究表明其低溫改性效果較好。ShisongRen等通過(guò)BBR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加SBR膠粉可顯著降低巖瀝青改性瀝青的蠕變剛度值，并提高巖瀝青改性瀝青的m值，表明添加SBR促進(jìn)了巖瀝青改性瀝青的柔韌性和抗裂性，提高了巖瀝青改性瀝青的低溫開裂性。同時(shí)，SBR作為一種聚合物改性瀝青，其老化性能較差，尤其是熱氧老化。這與巖瀝青剛好形成互補(bǔ)。

基于此，該文采用兩種SBR與巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，擬開發(fā)一種兼顧高溫性能和低溫性能，且抗老化的復(fù)合改性瀝青。已有研究表明：BRA最佳摻量為15%，該文取5種SBR摻量，分別為0%、2%、4%、6%和8%。通過(guò)高速剪切儀制備SBR-BRA復(fù)合改性瀝青。采用旋轉(zhuǎn)黏度儀、DSR、BBR試驗(yàn)研究TFOT和PAV處理前后改性瀝青的性能，以揭示兩種SBR對(duì)BRA改性瀝青高溫、低溫性能、抗老化性能影響的差別，以及復(fù)合改性瀝青路用性能隨SBR摻量的變化規(guī)律，并綜合比較得出SBR摻量的建議值。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試樣制備

研究采用A-70#基質(zhì)瀝青。其基本性能指標(biāo)如表1所示。巖瀝青采用新疆巖瀝青，其基本性能指標(biāo)如表2所示。SBR1502膠粉和GM-1040SBR膠乳均產(chǎn)自天津市。SBR1502膠粉(以下記為SBRⅠ)為乳白色顆粒，GM-1040SBR膠乳(以下記為SBRⅡ)為淡黃色膠體，分子量為50 000。兩種BRA-SBR復(fù)合改性瀝青采用高速剪切儀制備。

表1 A-70#基質(zhì)瀝青基本性能參數(shù)

表2 新疆巖瀝青基本性能參數(shù)

1.2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

在旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)中，采用Brookfield Rotational Viscometer通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子在瀝青內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需的黏性力矩來(lái)檢測(cè)瀝青的黏度。測(cè)量了兩種BRA-SBR復(fù)合改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度以評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的流動(dòng)特性。試驗(yàn)溫度分別為135、145、165和175 ℃。轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 r/min。

1.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

DSR測(cè)試用于評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的高溫性能和抗老化性能。采用AntonPaar公司的SmartPave瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變儀獲得了所有樣品未老化和RTFO老化后的抗車轍因子。測(cè)試程序遵循JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定。初始記錄溫度為46 ℃或52 ℃，每6 ℃為一間隔。

1.4 小梁彎曲試驗(yàn)

BBR試驗(yàn)通常用于獲得勁度模量(S)和蠕變速率(m)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青長(zhǎng)期老化后的低溫性能優(yōu)劣。對(duì)所有PAV老化瀝青試樣分別進(jìn)行兩種不同溫度(-6、-12 ℃)的BBR試驗(yàn)。

1.5 老化試驗(yàn)

對(duì)瀝青樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)和壓力老化容器(PAV)試驗(yàn)?zāi)M不同的老化條件，以進(jìn)一步評(píng)價(jià)結(jié)合料的流變性能和抗老化性能。根據(jù)T0609-2011試驗(yàn)規(guī)程要求，首先將50 g瀝青試樣放入不銹鋼盛樣盤(d×h=140 mm×9.5 mm)中，在(163±1) ℃通風(fēng)烘箱中以(5.5±1) r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)5 h后，測(cè)定瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)變化。然后將薄膜烘箱試驗(yàn)(TFOT)殘留物放入壓力容器中處理20 h模擬長(zhǎng)期老化。壓力控制為(2.1 ±0.1) MPa，溫度為90～110 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低溫性能

采用低溫彎曲梁試驗(yàn)評(píng)估不同類型SBR在不同摻量下對(duì)巖瀝青改性瀝青低溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 蠕變勁度模量S與m值隨SBR摻量的變化

根據(jù)低溫開裂機(jī)理，瀝青低溫流變性是影響瀝青路面低溫開裂性能最主要的因素。由圖1可知：復(fù)合改性瀝青的勁度模量和蠕變速率在-6 ℃時(shí)均滿足SHRP要求(S<300 MPa且m>0.3)。通過(guò)對(duì)比不同SBR類型和摻量下BRA-SBR復(fù)合改性瀝青可發(fā)現(xiàn)，BRA-SBRⅡ復(fù)合改性瀝青的勁度模量小于BRA-SBRⅠ復(fù)合改性瀝青，蠕變速率大于BRA-SBRⅠ復(fù)合改性瀝青。這表明SBR膠乳對(duì)BRA改性瀝青低溫下應(yīng)力松弛性能和柔性的改善效果要優(yōu)于SBR膠粉。這可能與SBR膠粉中高丁二烯含量有關(guān)。以S值為例，隨著膠乳摻量的增大，BRA-SBRⅡ復(fù)合改性瀝青在-6 ℃的S值較單摻15%BRA改性瀝青分別降低了14.5%、27.7%、48.6%、53.4%，表示隨著膠乳摻量的增大，BRA-SBRⅡ復(fù)合改性瀝青的低溫彎曲柔性逐步提高。但在-12 ℃的低溫下不是所有樣品的S和m都符合最低規(guī)定值。對(duì)于BRA-SBRⅠ而言，所有摻量均未達(dá)到溫度為-12 ℃的最低要求標(biāo)準(zhǔn)，SBRⅡ在低摻量時(shí)也得到同樣的結(jié)果。但結(jié)果表明：當(dāng)SBRⅡ摻量達(dá)到6%時(shí)，S和m已均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這意味著高摻量的SBRⅡ能彌補(bǔ)BRA改性瀝青低溫性能不良的缺點(diǎn)，且改善效果明顯。

2.2 高溫性能

通過(guò)布氏旋轉(zhuǎn)黏度指標(biāo)初步評(píng)價(jià)不同類型SBR在不同摻量下對(duì)巖瀝青改性瀝青高溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 黏度指標(biāo)隨SBR摻量的變化

由圖2可知：在4個(gè)試驗(yàn)溫度下，BRA-SBRⅠ復(fù)合瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度相比BRA改性瀝青都增大,說(shuō)明SBRⅠ的加入使得瀝青混合料的抗高溫變形能力增強(qiáng)。且隨著SBR摻量的增加黏度持續(xù)增加。其原因之一是SBR膠粉吸收瀝青中的油分使瀝青質(zhì)間的距離縮小, 從而改變了瀝青的黏度。

復(fù)數(shù)剪切模量值越大，表明瀝青的勁度模量越大，因此其抵抗變形的能力越強(qiáng)。由圖3可得：當(dāng)溫度升高時(shí),瀝青的剪切模量都呈現(xiàn)迅速下降的趨勢(shì)。這是瀝青從低溫的高彈態(tài)向高溫的黏流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化的過(guò)程，說(shuō)明在溫度較高的情況下瀝青的抗永久變形能力變差。因此, 高溫條件下瀝青路面更易發(fā)生車轍現(xiàn)象。而在相同溫度下，兩種復(fù)合改性瀝青呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。BRA-SBRⅠ復(fù)合改性瀝青的剪切復(fù)數(shù)模量總體均大幅提高，如在64 ℃時(shí)，當(dāng)SBR膠粉摻量達(dá)到6%時(shí)，其復(fù)數(shù)模量有了明顯的增大，當(dāng)摻量為8%時(shí)其甚至提高至BRA改性瀝青的2～3倍，說(shuō)明其高溫性能顯著提高。

圖3 復(fù)數(shù)剪切模量隨SBR摻量的變化

2.3 抗老化性能

所有瀝青樣品老化前后的抗車轍因子如圖4所示。

由圖4可知：

(1) 短期老化后復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ比BAR瀝青大。表明即使在短期老化后，抗車轍性能依舊得到顯著改善。而BRA-SBRⅡ復(fù)合改性瀝青的變化規(guī)律先增加后減小，且增減幅度較小。說(shuō)明SBRⅡ的加入對(duì)BRA改性瀝青的高溫性能影響不大，但摻量過(guò)高時(shí)會(huì)略微降低BRA改性瀝青的高溫抗變形能力。

(2) 復(fù)合改性瀝青的車轍因子隨著溫度的增加而減小，溫度為52～64 ℃時(shí)，復(fù)合改性瀝青的車轍因子下降較快，隨著溫度繼續(xù)增加，不同摻量的差異減小，表明在高于64 ℃后瀝青車轍因子受溫度影響減小。與復(fù)數(shù)剪切模量的變化一致，在相同溫度下，摻量越大的SBRⅠ具有更大的車轍因子，表明其具有更好的高溫性能。當(dāng)試驗(yàn)溫度為76 ℃時(shí)，BRA改性瀝青的車轍因子為0.78 kPa,已低于規(guī)范中規(guī)定的1.0 kPa的要求。而當(dāng)SBR膠粉摻量達(dá)到8%時(shí)，BRA-SBRⅠ復(fù)合改性瀝青在82 ℃時(shí)的車轍因子仍略高于1.0 kPa，表明復(fù)合改性瀝青具有更好的高溫性能。而BRA-SBRⅡ車轍因子與復(fù)數(shù)剪切模量變化一致。表明SBRⅡ的加入僅能保持巖瀝青改性瀝青優(yōu)良的高溫性能，且摻量較大時(shí)會(huì)略微降低其高溫抗變形能力。

圖4 老化前后BRA試驗(yàn)結(jié)果

瀝青結(jié)合料短期老化后的性能決定了瀝青混合料在路面中的性能。老化機(jī)制傾向于改變?yōu)r青的物理和化學(xué)性質(zhì)，這反映在其流變性質(zhì)的變化上。經(jīng)RTFO老化后，添加不同SBR摻量的復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ較BRA改性瀝青增大了,這與老化期間發(fā)生硬化現(xiàn)象有關(guān)。老化前BRA-SBRⅠ、摻量復(fù)合改性瀝青在SBRⅠ為2%、4%、6%、8%時(shí)，64 ℃車轍因子相比BRA改性瀝青分別增加21.2%、52.3%、122.2%、179.4%。老化后BRA-SBRⅠ復(fù)合改性瀝青車轍因子相比BRA改性瀝青分別增加15.7%、44.3%、112.7%、160.2%。增幅較老化處理前有所下降，表明老化過(guò)程降低了瀝青黏合劑的高溫性能。

3 結(jié)論

針對(duì)巖瀝青改性瀝青低溫抗裂性能的不足，采用SBR與巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性。通過(guò)開展改性瀝青的高溫性能、低溫性能及抗老化性能的研究，得到如下結(jié)論：

(1) SBR膠粉的加入顯著提高了BRA改性瀝青的高溫抗車轍性能。短期老化復(fù)合改性瀝青的高溫等級(jí)依舊可以提高一個(gè)級(jí)別。低摻量的SBR膠乳對(duì)BRA改性瀝青的高溫性能無(wú)明顯影響，但摻量超過(guò)4%后會(huì)導(dǎo)致高溫性能的降低。

(2) SBR膠粉對(duì)BRA改性瀝青的低溫性能等級(jí)無(wú)明顯提升。而SBR膠乳可顯著提高BRA改性瀝青的低溫性能?？紤]長(zhǎng)期老化效應(yīng)后，6%和8%摻量SBR膠乳的BRA改性瀝青滿足Superpave瀝青結(jié)合料規(guī)范對(duì)瀝青在-12 ℃的性能要求。

(3) 根據(jù)TFOT老化后的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，SBR膠粉可提高BRA改性瀝青的抗老化性能，且摻量越高改善效果越好。而復(fù)合改性瀝青的抗老化性能隨著SBR膠乳摻量的增加逐漸降低。

(4) SBRⅠ、SBRⅡ兩種復(fù)合改性瀝青的綜合路用性能較BRA改性瀝青更優(yōu)。為同時(shí)獲得高溫性能、低溫性能和抗老化性能良好的BRA-SBR復(fù)合改性瀝青，建議SBR膠粉的摻量為8%，SBR膠乳的摻量為4%～6%。