摘要

基于室内综合反应性共混技术和SBS复配技术，制备出一种反应型SBS复配高黏改性沥青。利用常规试验方法、多应力蠕变试验、弯曲蠕变劲度试验及荧光显微镜全面对比反应型SBS复配、TPS、SINOTPS、SBS改性沥青的性能差异，再制备对应的OGFC-13沥青混合料，验证4种改性沥青混合料的路用性能。结果表明：自制反应型SBS复配改性沥青高温性能较好，仅次于SINOTPS改性沥青，但低温性能优于TPS、SINOTPS、SBS改性沥青；反应型SBS复配改性沥青中SBS与基质沥青界面比TPS、SINOTPS、SBS改性沥青更为模糊，具有较好的相容性；反应型SBS复配改性沥青混合料具有较好的高温性能、优异的低温及水稳性能。

关键词：排水路面 | 高黏改性沥青 | SBS改性剂 | 沥青混合料 | 路用性能

排水沥青路面具有抗滑、防水漂、降噪、降温、防眩光和减少水雾的优点，在多雨地区已有较多应用。但排水沥青路面由于自身较大的空隙率，导致其易老化、易水损[1]；且其所用高黏度沥青结合料造价高昂，施工易离析。这些缺点ji大限制了排水路面的推广应用。目前研究多使用高黏度改性沥青，以提升沥青胶结料的性能，进而使排水沥青路面具有更好的路用性能。现有高黏沥青改性剂以日本TPS改性剂使用zui为广泛[2]，我国自主研发的SINOTPS改性剂近年来也有一定的实际应用。但这类成品改性剂在基质沥青和SBS改性沥青中的掺量分别不低于12%和8%，且实际改善效果取决于改性剂与沥青的配伍性[3-6]。高掺量与高价格严重限制了高黏高弹沥青的大规模应用。已有大量研究表明，在基质沥青中加入SBS改性剂可改善沥青的路用性能。其中SBS根据聚苯乙烯和聚丁二烯所含比例的不同和分子结构的差异，可以分成嵌段线型结构和四臂星型结构[7]。任瑞波[8]、祝斯月[9]等研究表明，当SBS掺量为5%时，动力黏度已达到高黏沥青要求；祁伟[10]等研究发现复配SBS改性沥青的软化点、延度大体都比线型和星型SBS改性沥青高，且针入度下降趋势缓慢，但两种SBS复配使用时与基质沥青相容性较差，易离析。有研究表明[11-13]，硫磺在一定时间、温度条件下可分解生成硫自由基，具有较高的氧化性；硫自由基可夺取沥青聚合物链上的氢原子，使沥青聚合物链在失去氢原子的部位上出现自由基；相邻两个沥青聚合物分子链上自由基偶联形成交联键，或者沥青聚合物分子链上自由基与硫自由基偶联形成桥连，进而使沥青分子链从二维结构变为三维网状结构，促使沥青与改性剂间的界面结合更加稳固。

因此，本文基于反应型共混技术使用星型SBS、线型SBS、硫磺3者共同改性基质沥青，其中星型SBS与线型SBS提供黏弹性组分，硫磺作为稳定剂增加SBS与基质沥青的相容性。首先制备了具有高黏特性且相容性较好的高黏改性沥青，然后与纯线型SBS、TPS、SINOTPS改性沥青的常规性能、高低温性能进行对比分析，探究反应型SBS复配改性沥青的技术性能，zui后制备相应的OGFC-13混合料验证4种改性沥青混合料的路用性能，从而为高黏改性沥青的研究提供新思路。

试验材料与改性沥青制备

试验材料

本文使用的基质沥青为东明70号，其基本性能见表1；所用SBS改性剂为购自燕山石化的线型1301、星型4303，性能参数见表2；所用硫磺购自某化工公司成品；所用增溶剂糠醛抽出油购自河北衡水，其技术性能参数见表3；SINOTPS、TPS改性剂购自西安。沥青混合料级配为OGFC-13，所用石料为辉绿岩，矿粉为石灰石矿粉，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[14]的试验方法进行集料基本性能检测。粗细集料性能试验结果见表4、表5。

改性沥青制备工艺

根据前期优化试验确定，反应型SBS复配改性沥青的原材料为SBS线型1301、SBS星型4303、增溶剂糠醛抽出油、反应型稳定剂硫磺，对应掺量分别为4%、2%、5%、0.1%。第一对照组选用实际工程应用广泛的线型SBS，型号为1301，掺量与自制改性沥青的SBS总掺量一致为6%；增溶剂掺量型号不变，不添加反应型稳定剂硫磺。第二、第三对照组分别选用TPS、SINOTPS改性剂，改性剂掺量根据产品说明及实际工程应用情况定为12%，不添加其他材料。反应型SBS复配改性沥青的制备工艺具体如下：将ＤＭ-70基质沥青加热到155~165℃后，添加增溶剂并采用电动搅拌器低速搅拌，使二者混合均匀(时间不低于3min)，搅拌过程中温度维持在155~165℃；将复配的SBS缓慢加入上述混合体系中，同时用搅拌器低速搅拌，待SBS添加完毕后搅拌溶胀30min，且保持温度在155～165℃范围内；将沥青、增溶剂和改性剂的混合物温度快速加热至170~180℃后，对其进行高速剪切，剪切机的转速为4000ｒ/min、时间不低于50min，期间混合物的温度不能高于190℃；然后添加稳定剂，再高速剪切10min；将制得的高黏改性沥青置于150~160℃的烘箱中发育30min备用。

反应型SBS复配改性沥青性能试验

常规性能评价

根据《高粘高弹道路沥青》(GB/T 30516-2014)[15]中规定的主要测试项目，对制得的反应型SBS复配、线型SBS、TPS、SINOTPS改性沥青进行针入度、软化点、延度、弹性恢复、旋转黏度试验。试验设备及条件均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求，试验结果见表6。

由表6可知，4种改性沥青的60℃动力黏度与25℃弹性恢复均满足高黏高弹沥青标准要求。从针入度来看，反应型SBS复配改性沥青稍低于SBS改性沥青但高于TPS、SINOTPS改性沥青；从软化点、动力黏度、弹性恢复的试验结果来看，反应型SBS复配改性沥青均高于其他3种改性沥青。这说明稳定剂硫磺的加入，以及SBS改性剂的复配使用，产生了积极作用，使自制高黏改性沥青具有较好的改性效果。单从延度来看，反应型SBS复配改性沥青要弱于SBS改性沥青，但强于TPS、SINOTPS改性沥青，具体的高低温性能还需进一步通过试验进行评价。

多应力蠕变恢复试验(MSCR)

如何评价聚合物改性沥青的高温性能一直都是研究的重点和热点。我国学者发现，MSCR试验可以更好地反映沥青的非线性黏弹性响应，同时证实了不可恢复蠕变柔量与车辙性能具有较好的相关性[16-18]。MSCR试验选取型号为25ｍｍ转子，间隙设置为1ｍｍ，试验温度定为58℃、64℃和70℃等3个温度。MSCR试验过程：在0.1kPa应力水平下加载1S，之后卸载恢复9S，如此重复10个周期完成0.1kPa应力水平下的重复蠕变回复试验；紧接着完成3.2kPa应力水平下的重复蠕变回复试验。2个应力水平试验之间无间歇。由MSCR试验可得出不可恢复蠕变柔量Jnr、应力敏感性指标Jnr-diff。其中Jnr的值越大，则代表改性沥青在对应的温度下抗变形能力越强；若Jnr-diff的值越小，则代表改性沥青在对应温度区间的温度敏感性越小。MSCR试验结果分别如图1～图3所示。

由图1、图2可知，在0.1kPa应力和温度一定的情况下，4种改性沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr从大到小依次为TPS改性沥青＞SBS改性沥青＞反应型SBS复配改性沥青＞SINOTPS改性沥青。所以在轻载作用下，4种改性沥青的抗永久变形能力大小顺序与不可恢复蠕变柔量的排序相反，即反应型SBS复配改性沥青的高温性能较好，仅次于SINOTPS改性沥青。在3.2kPa的应力水平下，SINOTPS改性沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr在整个温度区间内均为zui小，证明其抗变形能力较好；在58～64℃温度区间内，其他3种改性沥青的不可恢复蠕变柔量值比较接近；当温度超过64℃后，发现折线的斜率由大到小分别为SBS改性沥青＞TPS改性沥青＞反应型SBS复配改性沥青＞SINOTPS改性沥青，说明在高温重载条件下，4种改性沥青的抗变形能力由大到小依次为SINOTPS改性沥青＞反应型SBS复配改性沥青＞TPS改性沥青＞SBS改性沥青。对比图1、图2可以发现在轻载、重载条件下自制的反应型SBS复配改性沥青仅次于SINOTPS改性沥青，具有较好的抗变形能力。

AASHTOMP19-10分级标准对Jnr-diff的要求是不大于75%，由图3可知，对于TPS改性沥青和SBS改性沥青而言，除了58℃外，64℃和70℃的值均超过75%。也就是说，在3.2kPa应力条件下，温度达到64℃及以上SBS改性沥青和TPS改性沥青试验可能已达到蠕变破坏阶段。反应型SBS复配改性沥青和SINOTPS改性沥青在58℃和64℃时还能满足规范要求，而70℃时，4种改性沥青均不满足规范要求。综上所述，反应型SBS复配改性沥青和SINOTPS改性沥青的高温抗变形能力较好，适用的温度范围更广。

弯曲蠕变劲度试验(BBR)

本文为深入对比4种改性沥青的低温性能，采用弯曲梁流变仪(BBR)在-18℃温度条件下进行测试。试件尺寸为101.6ｍｍ(长)×12.7ｍｍ(宽)×6.4ｍｍ(厚)，测得的评价指标由蠕变劲度S和蠕变速率ｍ组成。其中蠕变劲度S表征沥青在低温环境下抵抗荷载的能力，S值越小，说明沥青内部的应变或者应力值越小，沥青越不容易开裂；蠕变速率ｍ表征沥青在低温条件下荷载作用时劲度的变化率，ｍ值越大，说明沥青松弛应力的能力越好，温度应力累积越缓慢，路面越不容易开裂。根据SHRP规范要求，弯曲劲度模量S需不超过300MPa，蠕变速率ｍ需不小于0.3。BBR试验结果如图4所示。

由图4可以发现，除老化后的TPS改性沥青ｍ值因小于0.3而不满足要求外，其他的沥青均满足规范要求。这说明前3种改性沥青在老化前后的低温性能均较好。沥青老化前S值由大到小排序依次为SBS改性沥青＞TPS改性沥青＞SINOTPS改性沥青＞反应型SBS复配改性沥青，ｍ值由大到小排序依次为反应型SBS复配改性沥青＞SINOTPS改性沥青＞SBS改性沥青＞TPS改性沥青，则老化前4种改性沥青的低温抗裂性优劣次序为反应型SBS复配改性沥青＞SINOTPS改性沥青＞SBS改性沥青＞TPS改性沥青。同理，老化后4种改性沥青的低温抗裂性优劣次序为反应型SBS复配改性沥青＞SINOTPS改性沥青＞SBS改性沥青＞TPS改性沥青。可见，反应型SBS复配改性沥青具有优异的低温抗裂性能。这是因为星、线型SBS改性剂在稳定剂硫磺的作用下，与基质沥青发生了充分反应，在基质沥青内部形成了三维网状交联结构，从而使其具有更高的蠕变速率与更低的蠕变劲度。

改性沥青微观试验分析

改性剂与基质沥青的相容性是影响改性沥青存储稳定性的重要因素。本文采用LW300LFT-LED荧光显微镜对4种改性沥青的相容性进行评价。4种改性沥青的荧光显微镜观测结果如图5~图8所示。

由图5~图8可以看出，SBS改性沥青中SBS改性剂与沥青之间存在明显界面，相容性较差；反应型SBS复配改性沥青中SBS在改性沥青中的分布更均匀，界面较为模糊，形成了SBS相与沥青相的两相连续体系，同时SBS与沥青之间形成了三维网状结构，网状结构的形成抑制了高温情况下沥青的移动，增加了其韧性和抗变形能力，这可能是由于稳定剂的加入使SBS与沥青之间发生了化学反应，使得反应型SBS复配改性沥青中SBS组分与沥青的相容性较好；SINOTPS改性剂大部分以颗粒状分布于沥青中，TPS以线状分布在改性沥青中，同时界面层较为明显，均为改性剂较为分散的沥青连续相体系，所以TPS、SINOTPS改性剂未与沥青间形成较为牢固的连接，两者相容性相对较差。

混合料路用性能试验

混合料级配与油石比

本文采用排水路面中常用的OGFC-13型矿料级配，选择目标空隙率为22%，级配设计结果见表7。通过谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验确定出zui大、zui小沥青用量，再通过空隙率、马歇尔试验确定4种沥青混合料的zui佳油石比。经多次试验zui终确定反应型SBS复配改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料zui佳油石比为4.5%；TPS、SINOTPS改性沥青混合料zui佳油石比为4.3%。

混合料高温性能试验

本文为测定各改性沥青混合料的高温抗车辙能力，采用国产车辙仪对4种改性沥青混合料进行高温车辙试验。试验温度为60℃，轮压为0.7MPa。试验结果如图9所示。

由图9可见，反应型SBS复配改性沥青混合料的动稳定度略低于SINOTPS改性沥青混合料，比TPS改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料分别高出565次/ｍｍ、1053次/ｍｍ。这说明，在复配SBS和稳定剂硫磺的共同作用下，沥青混合料的高温抗车辙性能得到显著提升。可以认为，反应型SBS复配改性沥青混合料具有良好的高温稳定性。该结论与MSCR试验得出的结论相符。

混合料低温性能试验

本文通过低温小梁弯曲试验来评价4种高黏改性沥青混合料的低温性能。所用仪器为万能材料试验机，加载速率定为50ｍｍ/min，小梁试件的尺寸为(30±2)ｍｍ×(35±2)ｍｍ×(250±2)ｍｍ。通过计算得出弯曲劲度模量、zui大弯曲应变等指标，对4种高黏高弹沥青混合料的低温性能进行评价。弯曲劲度模量越小、zui大弯曲应变越大，则沥青混合料的低温性能越强。试验结果见图10。

由图10可以看出，弯曲劲度模量由大到小排序依次为TPS＞SBS＞SINOTPS＞反应型SBS复配改性沥青。说明在发生弯曲破坏时，自制的反应型SBS复配沥青所需破坏能量zui大，TPS改性沥青所需能量zui小，自制高黏改性沥青低温抗裂性能良好。zui大弯曲应变由大到小排序依次为反应型SBS复配＞SINOTPS＞SBS＞TPS改性沥青，因此自制反应性SBS复配沥青的zui大弯曲应变zui大，所以自制的高黏改性沥青低温抗变形能力良好，与弯曲劲度模量反映的规律相同。这是因为星、线型SBS与硫磺的各反应特点得到了充分发挥，即SBS提供弹性组分、硫磺增强SBS与基质沥青之间的界面强度，使自制反应型SBS复配改性沥青混合料具有优异的低温性能。该结论与BBR试验得出的结论相符。

混合料水稳定性试验

排水沥青混合料的水稳定性是保障排水路面功能完善的重要前提，因此，本文通过冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验分别对4种改性沥青混合料的水稳性能进行测定。冻融劈裂试验结果如图11所示，浸水马歇尔试验结果如图12所示。

由图11可知，TPS改性沥青混合料冻融前后的劈裂强度zui高，自制反应型SBS复配沥青混合料和SBS改性沥青混合料的次之，SINOTPS改性沥青混合料zui差，但是劈裂强度比由大到小依次为自制反应型SBS复配＞TPS＞SINOTPS＞SBS改性沥青混合料。所以自制反应型SBS复配改性沥青混合料的抗冻融循环的能力良好。由图12可知，浸水残留稳定度从大到小依次排序为自制反应型SBS复配＞TPS＞SINOTPS＞SBS改性沥青混合料。综合来看，自制反应型SBS复配改性沥青混合料在抗冻融、抗水损性能上均优于TPS、SINOTPS改性沥青混合料，具有优异的水稳性能。

结语

(1)通过MSCR、BBR、荧光显微镜对4种改性沥青进行测试，发现反应型SBS复配改性沥青在低于64℃、轻载或重载条件下，抗变形能力与应力敏感性指标仅次于SINOTPS改性沥青，拥有良好的高温稳定性与较广的温度适用范围；在-18℃温度条件下，反应型SBS复配改性沥青的弯曲劲度模量*zui小且蠕变速率ｍzui大，拥有强于TPS、SINOTPS、SBS改性沥青的低温性能；反应型SBS复配改性沥青中SBS与基质沥青间的界面较为模糊，而TPS、SINOTPS、SBS改性沥青界面则相对清晰，说明稳定剂硫磺的加入有效改善了SBS与基质沥青的相容性。

(2)通过OGFC-13型排水混合料路用性能试验验证，反应型SBS复配改性沥青混合料的动稳定度相较SINOTPS改性沥青混合料低405次/ｍｍ，比TPS改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料分别高出565次/ｍｍ、1053次/ｍｍ，具有较好的高温抗车辙能力；在混合料小梁弯曲试验中，反应型SBS复配改性沥青混合料的弯曲劲度模量zui小、弯曲应变zui大，优于TPS、SINOTPS改性沥青混合料，低温抗裂抗变形能力优异。

全文完 发布于《公路》2019年第11期

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