TB復合高模量劑改性瀝青的黏彈特性及混合料性能研究

任非

（河南科技大學應用工程學院，河南三門峽 472000）

0 引言

我國地域遼闊，南北氣候差異大，在頻發(fā)的高溫、低溫、降雨等極端氣候條件和重載、超載車輛荷載綜合作用下，導致大部分地區(qū)瀝青路面在服役期間普遍產(chǎn)生剪切失穩(wěn)型車轍、低溫開裂和疲勞開裂病害。因此，通過摻加改性劑或添加劑因地制宜地改善瀝青路面的特殊功能需要是道路工作者的研究熱點[1-3]。在此背景下，性能優(yōu)良、性價比高的TB膠粉改性瀝青和高模量瀝青混凝土逐漸得到推廣應用。實體工程多年的跟蹤檢測結(jié)果表明，高模量瀝青混凝土特別適用于高溫多雨地區(qū)急彎陡坡、城市道路平交口、重載道路貨車道等抗車轍、抗疲勞性能要求高的路段，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗車轍、抗疲勞和抗水損害性能，極大延長了重載道路瀝青路面的大中修周期，節(jié)省養(yǎng)護維修費用，高模量瀝青混合料自江蘇試點成功后，近年來快速在全國得到推廣應用[4-6]。然而我國北方等寒冷地區(qū)多條試驗段也相繼出現(xiàn)了早發(fā)性開裂病害，調(diào)查表明，鋪筑在半剛性基層上的高模量瀝青混凝土因低溫性能和抗反射裂縫性能不足，導致瀝青路面產(chǎn)生開裂病害。對此，有學者提出，通過摻加纖維、將高模量劑與SBR進行復配或使用橡膠瀝青、摻加橡膠粉來改善高模量瀝青混凝土的低溫性能[7-9]。TB瀝青是橡膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫、長時間、高速剪切作用下制備而成的特種橡膠改性瀝青，由于橡膠粉完全被分解和充分硫化，TB瀝青避免了傳統(tǒng)橡膠瀝青黏度大、熱貯存穩(wěn)定性差、易離析等弊端[10-12]，TB瀝青的膠粉摻量大，加之橡膠粉自身延展性好，因此賦予了TB瀝青優(yōu)異的低溫延展性能[13-14]。但由于橡膠瀝青凝膠膜消失、橡膠粉溶脹體積膨脹產(chǎn)生的增粘作用微弱，導致TB瀝青只能作為高標號基質(zhì)瀝青使用。

為了充分發(fā)揮高模量劑和TB瀝青各自的路用性能優(yōu)勢，本研究將高模量劑摻入TB瀝青中制備TB膠粉與高模量劑復合改性瀝青及瀝青混合料，按照AASHTO（M320—09）《瀝青膠結(jié)料性能分級標準規(guī)范》要求，通過DSR、MSCR、BBR試驗研究TB復合高模量劑改性瀝青的黏彈特性，評價TB復合高模量劑改性瀝青混合料的高、低溫性能與疲勞特性，為環(huán)保型TB瀝青和高模量瀝青混合料在我國的推廣應用提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）TB瀝青：選用中海油70#A級基質(zhì)瀝青、咸陽某橡膠粉廠生產(chǎn)的60目貨車輪胎，在高溫（220 ℃）、長時間（＞16 h）、5500 r/min高速剪切條件下制得。橡膠粉顆粒徹底硫化、溶解于基質(zhì)瀝青中。不同膠粉摻量TB瀝青的技術性能見表1。

表1 不同膠粉摻量TB瀝青的基本性能

（2）高模量劑：KT-1型，萬里路橋生產(chǎn)，粒徑約4 mm，相對密度0.97，熔點130 ℃，其主要成分為天然瀝青、熱塑性樹脂和改善脆性的助劑。KT-1高模量劑充分利用了天然瀝青抗老化、耐高溫、抗剝落性和增溶性好的優(yōu)勢，也具備熱塑性樹脂熱態(tài)軟塑、冷態(tài)硬固、高溫性能極佳的優(yōu)勢，同時添加了改善脆性的助劑，以提高沖擊強度和延伸率。

（3）SBS改性瀝青：采用遼河石化生產(chǎn)的成品5%SBS改性瀝青作為試驗對照組。其針入度為57.7（0.1 mm），軟化點為67 ℃，5 ℃延度為22 cm，符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求。

（4）集料：石灰?guī)r碎石與機制砂均符合JTG F40—2004要求；礦粉：由石灰?guī)r磨制而成，技術性能符合JTG F40—2004要求。

1.2 TB復合高模量劑改性瀝青的制備

分別將4%、6%、8%高模量劑添加到TB瀝青中（TB膠粉摻量分別為15%、20%、25%），在155～160 ℃（高模量劑摻量大時溫度取高值）中，以1000 r/min速率攪拌30 min，即完成TB復合高模量劑改性瀝青制備。

2 TB復合高模量劑改性瀝青的性能

2.1 TB復合高模量劑改性瀝青的基本性能

不同復配方案TB復合高模量劑改性瀝青的基本性能見表2。

表2 TB復合高模量劑改性瀝青的基本性能

由表2可知：（1）膠粉摻量越大，TB復合高模量劑改性瀝青的軟化點越低、針入度越大、低溫延度越大，表明摻加TB膠粉降低了瀝青的高溫性能，但也顯著改善了復合改性瀝青的低溫性能。（2）高模量劑摻量越大，復合改性瀝青的軟化點越高，延度越小，表明摻加高模量劑顯著提高了瀝青的高溫性能，但也會對瀝青的低溫性能有一定的負面影響。

2.2 TB復合高模量劑改性瀝青的黏彈特性

采用30 ℃中溫和76 ℃高溫動態(tài)剪切流變試驗（DSR）、64 ℃重復蠕變恢復試驗（MSCR），綜合分析TB復合高模量劑改性瀝青的黏彈性。采用BBR試驗評價復合改性瀝青的低溫流變特性。DSR試驗加載頻率為1.59 Hz（100 r/min）。MSCR試驗加載100個周期，每次加載1 s，卸載9 s，采用0.1 MPa和3.2 MPa兩個應力加載水平。試驗方法參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

2.2.1 DSR試驗

不同復配方案TB復合高模量劑改性瀝青及對照組20%TB和5%SBS改性瀝青的DSR試驗結(jié)果見表3。

表3 TB復合高模量劑改性瀝青的DSR試驗結(jié)果

由表3可知：

（1）試驗溫度越高，TB復合高模量劑改性瀝青RTFOT前后的抗車轍因子越小，這是抗車轍因子與相位角指標對溫度的感溫性所致。試驗溫度升高后，瀝青中的黏性成分增多，彈性成分減小，復合改性瀝青表現(xiàn)出了更多的黏性，老化作用增加了TB復合高模量劑改性瀝青的硬度，降低了瀝青高溫性能對溫度的敏感性。

（2）當膠粉摻量為15%、20%、25%，KT-1高模量劑摻量由4%增大至8%時，30 ℃試驗溫度條件下原樣瀝青的抗車轍因子分別增大了76.9%、89.4%、112.1%，RTFOT后瀝青的抗車轍因子分別增大了74.3%、86.3%、96.7%，76 ℃試驗溫度下原樣瀝青的抗車轍因子分別增大了159%、187.8%、214.7%。表明摻加高模量劑KT-1時，RTFOT前后TB瀝青的抗車轍因子G*/sinδ 顯著增大。這是由于，一方面，高模量劑完全溶解于TB瀝青中（見圖1），形成獨立的海島結(jié)構(gòu)結(jié)晶區(qū)，高模量劑分子鏈在過渡區(qū)形成高穩(wěn)定性、高勁度的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，能夠?qū)B瀝青分子牢固地限制在網(wǎng)格內(nèi)，降低了瀝青分子對溫度的敏感性，瀝青的聚集形態(tài)改變、表面自由能降低、黏度增大；另一方面，高模量劑顆粒溶解在母體TB瀝青中形成堅韌的聚合物鏈接，高模量劑含有的極性接枝共聚物組分在與TB瀝青接觸界形成極強吸附能力的過渡層，從而使TB瀝青整體粘結(jié)強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提高。

圖1 TB復合高模量劑改性瀝青的AFM物相照片

（3）膠粉摻量增加降低了瀝青的高溫性能，高模量劑摻量為4%時，增加TB膠粉摻量明顯降低了復合改性瀝青的高溫PG分級，（6%、8%）高模量劑+（15%、20%、25%）TB復合改性瀝青RTFOT前后的抗車轍因子仍符合AASHTO（M320—09）規(guī)定的大于1.0 kPa和2.2 kPa等級的要求，表明在KT-1高模量劑摻量較高時（6%、8%），復合改性瀝青高溫PG分級隨TB膠粉摻量的增加并未有顯著降低，從高溫性能考慮KT-1高模量劑摻量宜為6%、8%。

（4）相較于20%TB膠粉瀝青，76 ℃試驗條件下，摻加6%、8%KT-1高模量劑后TB膠粉瀝青的抗車轍因子分別提高了1.8、3.0倍。在30 ℃、76 ℃條件下，8%KT-1高模量劑+（15%～25%）TB膠粉復合改性瀝青的抗車轍因子大于5%SBS改性瀝青，可見高模量劑彌補了TB膠粉瀝青低溫性能的不足，復合改性瀝青表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫性能。

2.2.2 MSCR試驗

不同復配方案TB復合高模量劑改性瀝青及對照組20%TB和5%SBS改性瀝青的MSCR試驗結(jié)果見表4。

表4 TB復合高模量劑改性瀝青的MSCR試驗結(jié)果

由表4可知：

（1）隨著膠粉摻量增加，TB復合高模量劑改性瀝青的彈性恢復率降低、不可恢復蠕變?nèi)崃吭龃?，表明增加膠粉摻量降低了復合改性瀝青的高溫性能和承受荷載的能力，這與DSR試驗結(jié)果一致。

（2）隨著高模量劑KT-1摻量增加，TB復合高模量劑改性瀝青的彈性恢復率增大、不可恢復蠕變?nèi)崃繙p小，摻加高模量劑顯著提高了復合改性瀝青彈性恢復率、降低了蠕變恢復柔量，高溫受荷條件下的承載能力提高。

（3）在0.1 MPa應力水平下，20%純TB膠粉改性瀝青的蠕變?nèi)崃看笥?.12 kPa，3.2 MPa應力荷載下的彈性恢復率小于30%，根據(jù)AASHTO（M320—09）規(guī)定，20%TB膠粉改性瀝青僅滿足輕交通等級瀝青路面膠結(jié)料要求；而摻加6%高模量劑+（15%～25%）TB膠粉、8%KT-1高模量劑+（15%～25%）TB膠粉時，6種TB復合高模量劑改性瀝青的蠕變?nèi)崃烤∮?.07 kPa，3.2 MPa應力荷載下的彈性恢復率大于50%，滿足AASHTO（M320—09）規(guī)定的極重交通等級瀝青路面膠結(jié)料要求。在高模量劑摻量為6%、8%時，TB復合高模量劑改性瀝青的彈性恢復率大于5%SBS改性瀝青，同時蠕變?nèi)崃啃∮?%SBS改性瀝青，可見（6%、8%）高模量劑+（15%～25%）TB膠粉復合改性瀝青的高溫承受荷載性能優(yōu)于5%SBS改性瀝青。

2.2.3 BBR試驗

不同復配方案TB復合高模量劑改性瀝青及對照組20%TB和5%SBS改性瀝青的BBR試驗結(jié)果見表5。

表5 TB復合高模量劑改性瀝青的BBR試驗結(jié)果

由表5可知：隨著膠粉摻量的增加，復合改性瀝青蠕變速率增大、勁度模量降低、低溫PG分級溫度越低；KT-1高模量劑摻量越大，復合改性瀝青的低溫性能越差，表現(xiàn)為低溫PG分級溫度升高。

3 TB復合高模量劑改性瀝青混合料的性能

3.1 路用性能

試驗采用復合摻加6%～8%高模量劑和20%、25%膠粉制備的4種復合改性瀝青，對照組為20%TB瀝青、5%SBS改性瀝青。采用AC-13型礦料級配中值，按照馬歇爾設計流程以目標空隙率為4%，確定20%TB改性瀝青混合料的最佳油石比為4.4%，4種TB復合高模量劑改性瀝青混合料的最佳油石比均為4.8%，對照組5%SBS改性瀝青混合料的最佳油石比同樣取4.8%。高低溫路用性能、力學性能試驗結(jié)果見表6。

表6 TB復合高模量劑改性瀝青混合料的路用性能

由表6可知：

（1）摻加6%、8%高模量劑后復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度DS比20%純TB瀝青增大了15倍以上，（20%、25%）膠粉+（6%、8%）高模量劑復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度比5%SBS改性瀝青混合料提高了22.3%～65.6%，車轍變形量RD減小了28.3%～41.5%，TB復合高模量劑改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度DS比JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》規(guī)定的DS≥3000次/mm提高了1倍以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，TB復合高模量劑改性瀝青混合料對高溫重載瀝青路面有較好的適用性。

（2）隨著膠粉摻量增加，復合改性瀝青混合料的彎曲應變和應變能增大，彎拉強度略有降低。增加膠粉摻量能顯著提高復合改性瀝青的低溫性能，而高模量劑對瀝青混合料的低溫性能有劣化影響。4種TB復合高模量劑改性瀝青混合料的彎拉強度和應變能均大于5%SBS改性瀝青混合料；高模量劑摻量為8%時，彎曲應變小于5%SBS改性瀝青。這是由于摻入膠粉增大了瀝青混合料的柔性和彈性變形，同時摻入高模量劑增大了瀝青混合料的勁度模量和整體性，因此應變能增大。

3.2 力學性能與疲勞性能

采用動態(tài)壓縮模量試驗（20 ℃，加載頻率分別為5、10、25 Hz）和四點彎曲疲勞試驗（20 ℃，應變水平分別為600×10-6、1200×10-6）評價TB復合高模量劑改性瀝青混合料的力學性能與疲勞性能，試驗結(jié)果見表7。

由表7可知：

（1）由動態(tài)壓縮模量試驗結(jié)果可知，20 ℃、10 Hz條件下4種TB復合高模量劑改性瀝青混合料的動態(tài)壓縮模量介于14 567～17 098 MPa，高模量劑摻量越大，復合改性瀝青混合料的動態(tài)壓縮模量越大。4種TB復合高模量劑改性瀝青混合料的動態(tài)壓縮模量均大于5%SBS改性瀝青混合料，TB復合高模量劑改性瀝青混合料的動態(tài)壓縮模量為20%TB瀝青混合料的2倍多，這有助于減薄瀝青混合料層結(jié)構(gòu)的厚度。

表7 TB復合高模量劑改性瀝青混合料的力學和疲勞性能

（2）相同應變水平條件下，4種TB復合高模量劑改性瀝青混合料的疲勞壽命均大于5%SBS和20%TB膠粉改性瀝青混合料，其中以20%TB膠粉瀝青混合料的疲勞壽命最短；并且高模量劑和膠粉摻量越大，復合改性瀝青混合料的疲勞壽命越長。

4 結(jié)論

（1）TB膠粉瀝青具有優(yōu)異的低溫抗裂性能和延展性，但其針入度偏大、高溫性能差，導致其不能單獨使用。摻加高模量劑能彌補TB瀝青的高溫性能缺陷，顯著改善TB瀝青的中溫和高溫粘彈特性，提高抗車轍因子、增大彈性恢復率、降低不可恢復蠕變?nèi)崃?，摻?%、8%高模量劑可使15%～25%TB膠粉瀝青的高溫性能優(yōu)于5%SBS改性瀝青，并在一定程度上保留了TB膠粉瀝青的低溫性能優(yōu)勢。綜合考慮，適宜的TB膠粉摻量為20%～25%，高模量劑KT-1摻量為6%～8%，在此復配方案下，TB復合高模量劑改性瀝青的高低溫粘彈性能可達到甚至優(yōu)于5%SBS改性瀝青。

（2）（20%、25%）TB膠粉+（6%、8%）高模量劑復合改性瀝青混合料的抗車轍性能、力學性能和抗疲勞耐久性能均大于5%SBS改性瀝青混合料，TB復合高模量劑改性瀝青混合料用于高溫重載地區(qū)瀝青路面具有更好的優(yōu)越性。