TB膠粉復合SBS改性瀝青及混合料的低溫性能

張家偉,黃衛東,呂 泉,關維陽

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804; 2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

低溫開裂是瀝青路面的主要病害之一，在中國北方地區，冬季氣溫通常在0℃以下，隨著溫度的下降，瀝青路面內部的低溫應力迅速累加直至超過混合料的強度從而發生開裂.在瀝青混合料中，集料的溫縮系數遠遠小于瀝青，故普遍認為瀝青混合料低溫性能的80%由瀝青的低溫性能決定[1].因此，在實際工程應用中，一般通過改善瀝青的低溫性能來提高混合料的低溫抗裂性.

TB膠粉改性瀝青(MA-TB)是特殊的橡膠粉改性瀝青[2]，TB膠粉在高溫條件下發生脫硫反應，快速分解并與瀝青融合，形成的改性瀝青外觀與普通改性瀝青無異，可以均勻存儲和工廠化生產.研究表明[3-5]，TB膠粉改性瀝青具有良好的低溫性能和耐疲勞特性，但高溫性能較差，因此通常與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)進行復合改性來提升瀝青混合料的路用性能.TB膠粉復合SBS改性瀝青混合料的疲勞性能要優于SBS改性瀝青以及橡膠瀝青混合料[6]，TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度也顯著低于其他種類的改性瀝青[7].魏相榮[8]研究發現TB膠粉和SBS復合改性瀝青后，其混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性以及疲勞性能均優于TB膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青混合料.董瑞琨等[9]的研究結果也顯示出TB膠粉復合SBS改性瀝青比SBS改性瀝青具有更好的疲勞自愈合性能.但目前關于TB膠粉復合SBS改性瀝青的研究大多側重于與其他種類改性瀝青進行性能對比，復合改性過程中TB膠粉和SBS摻量對瀝青及其混合料性能影響的相關研究較少.

目前對瀝青低溫性能的評價，國內外較為主流的評價指標是低溫延度試驗、測力延度試驗以及SHARP推薦的低溫PG分級[10].這些指標給出的是瀝青在某一特定條件下的試驗結果，雖然能區分不同瀝青低溫性能的優劣，但瀝青路面的低溫開裂是由于溫度下降，混合料內部應力緩慢集中而發生開裂的過程，其無法模擬降溫過程中瀝青內部實際的受力情況.對瀝青混合料低溫性能的評價，最常見的方法是通過低溫小梁彎曲蠕變試驗(BBR)得到其彎曲蠕變勁度，該方法較為簡單，但評價指標也較為單一，無法評價路面開裂后的裂縫發展情況.

本文制備了不同TB膠粉摻量和SBS摻量的TB膠粉復合SBS改性瀝青，通過BBR研究了其低溫流變特性，探究了在溫度下降過程中，瀝青內部低溫應力的變化情況；通過半圓彎拉試驗(SCB)研究了TB膠粉復合SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能；系統地評價了TB膠粉摻量和SBS摻量變化對TB膠粉復合SBS改性瀝青及混合料低溫性能的影響，并對其低溫性能指標進行相關性分析.

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1改性瀝青

瀝青為埃索70#基質瀝青(E70)；TB膠粉為江陰產橡膠粉，粒徑為0.6mm；SBS為岳陽石化公司生產的線型SBS.改性瀝青的制備工藝為：將TB膠粉加入到基質瀝青中，在220℃下高速剪切16h以上，制備TB膠粉摻量(1)文中涉及的摻量、油石比等除特殊說明外均為質量分數或質量比.為20%的TB膠粉改性瀝青(20TB)，其他摻量TB膠粉改性瀝青則通過在20TB中添加基質瀝青稀釋后得到；TB膠粉復合SBS改性瀝青則通過向175℃TB膠粉改性瀝青中加入一定量的SBS，攪拌1h后制得.改性瀝青的配合比及基本性能指標如表1所示.文中：MA-TB+3SBS表示SBS摻量為3%的TB膠粉復合SBS改性瀝青；MA-10TB+SBS表示TB膠粉摻量為10%的TB膠粉復合SBS改性瀝青.

1.1.2改性瀝青混合料

粗集料為玄武巖，細集料為石灰巖，礦粉為石灰巖礦粉，混合料選用AC-13級配，設計孔隙率為4%(體積分數)，選用馬歇爾設計方法，確定最佳油石比為0.049，混合料的級配如表2所示.

1.2 試驗方法

1.2.1BBR試驗

按照ASTM D6648—2016《Standard test method

表1 改性瀝青的配合比及基本性能指標

表2 改性瀝青混合料的級配

for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the bending beam rheometer(BBR)》，采用Cannon彎曲梁流變儀進行BBR試驗.采用壓力老化試驗(PAV)后的瀝青樣品進行試驗，設置平行試驗2組，結果取平均值.分別加載8、15、30、60、120、240s，瀝青小梁試件的彎曲蠕變勁度St為：

(1)

式中：P為跨中加載力；L為跨徑；b為小梁試件寬度；h為小梁試件厚度；δ(t)為t時刻的跨中撓度.

取60s時的S60和蠕變曲線斜率m60作為評價指標，并以S60≤300MPa和m60≥0.3作為控制指標進行低溫PG分級的劃分.

根據ASTM D6816-11《Standard practice for determining low-temperature performance grade(PG) of asphalt binders》，首先通過Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型構建彎曲蠕變勁度主曲線，然后采用Hopkins and Hamming方法將彎曲蠕變勁度主曲線換算成松弛模量主曲線，最后完成低溫應力計算.假設從0℃開始降溫，降溫速率為1℃/h，降溫終點為-45℃，線膨脹系數α為0.00017，即可得到溫度不斷下降的情況下瀝青內部產生的低溫應力.

1.2.2SCB試驗

采用預先開縫的圓盤形試件進行SCB試驗.試件尺寸為φ150×110mm，通過旋轉壓實成型.采用數控機床將成型好的圓柱形試件切割成厚度為25mm 的圓盤，將圓盤對中切開，并在跨中進行開縫，縫深(a)為12.7、25.4、38.1mm.試驗溫度為-18℃，設置3組平行試驗，結果取平均值.加載前將試件置于-18℃的冰箱進行保溫，試驗開始時取出并放置于UTM-100儀器上進行加載.為保證開裂速度均勻，根據預試驗及文獻調研，加載速率定為0.5mm/min，跨徑為120mm.SCB試驗荷載-位移曲線見圖1.

圖1 SCB試驗荷載-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve of SCB test

采用應變能釋放速率Jc值來評價混合料的低溫抗裂性能，Jc值與現場路面的開裂率有很好的相關性[11-12]，通常瀝青混合料的Jc值越大，表明其抗裂性能越好.Jc值由不同縫深下SCB試驗的應變能密度U(見圖1)來計算：

(2)

2 結果與討論

2.1 BBR試驗

2.1.1低溫PG分級

圖2為改性瀝青的低溫PG分級結果.由圖2可見：(1)對于TB膠粉改性瀝青，TB膠粉的摻量越高，瀝青的低溫PG分級溫度越低，表明TB膠粉的加入能顯著改善瀝青低溫性能.(2)對于SBS摻量為3%的TB膠粉復合SBS改性瀝青：隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度降低；當TB膠粉摻量由5%增加到10%時，改性瀝青的低溫PG分級溫度明顯降低；當TB膠粉摻量大于10%時，改性瀝青的低溫PG分級溫度比較接近.說明在TB膠粉摻量較高時，SBS的加入對瀝青低溫PG分級的改善效果并不顯著.(3)對TB膠粉摻量為10%的TB膠粉復合SBS改性瀝青，隨著SBS摻量的增加，改性瀝青的低溫PG分級溫度比較接近，呈先上升后緩慢降低的趨勢，由此可見SBS對TB膠粉改性瀝青的低溫性能改善并不明顯，甚至還會損害TB膠粉改性瀝青的低溫性能.

圖2 改性瀝青的低溫PG分級結果Fig.2 Low temperature PG classification results of modified asphalts

2.1.2低溫應力

圖3為改性瀝青的低溫應力曲線.由圖3可見：隨著溫度的降低，瀝青內部產生的低溫應力逐漸增大；隨著TB膠粉摻量的增加，相同溫度下改性瀝青的低溫應力逐漸降低，且降低幅度較大；在 -30℃ 時，基質瀝青的低溫應力明顯高于TB膠粉改性瀝青，不同TB膠粉摻量的TB膠粉改性瀝青低溫應力比較接近，說明TB膠粉的加入對瀝青低溫性能的改善非常顯著；對于TB膠粉復合3%SBS改性瀝青，加入TB膠粉后，瀝青的低溫應力也降低，10%TB膠粉復合3%SBS改性瀝青的低溫應力最低，TB膠粉摻量大于10%時，瀝青的低溫應力增大，這說明加入3%SBS后，TB膠粉摻量不宜太高；對于10%TB膠粉復合SBS改性瀝青，可以發現幾種瀝青的低溫應力曲線比較接近，也證明了復合改性后，SBS對瀝青的低溫性能改善并不顯著.

圖3 改性瀝青的低溫應力曲線Fig.3 Thermal stress curves of modified asphalts

由圖3還可見：加入TB膠粉后瀝青的低溫應力降低顯著；20%TB膠粉改性瀝青的低溫應力僅為基質瀝青的30%，降低幅度非常明顯；加入3%SBS后，隨著TB膠粉摻量的增加，改性瀝青的低溫應力出現了先降低后增加的趨勢；對于10%TB膠粉改性瀝青，隨著SBS摻量的增加，瀝青的低溫應力也出現先降低后增加的趨勢，但變化幅度并不大.從低溫應力結果來看，10%TB膠粉復合3%SBS改性瀝青是較優的復合改性方案.

2.2 SCB試驗

對3種縫深試件的應變能密度U進行線性擬合，得到Jc值，改性瀝青混合料的低溫SCB試驗結果見表3.由表3可見：隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青混合料的Jc值也隨之增加，表明其低溫抗裂性變好；TB膠粉摻量為20%時，改性瀝青混合料的Jc值很大，表明其低溫抗裂性改善效果極其顯著；對TB膠粉復合3%SBS改性瀝青來說，TB膠粉摻量的增大使改性瀝青混合料的Jc值提高、低溫抗裂性能提升；在10%TB膠粉改性瀝青中摻加不同摻量的SBS，少量的SBS(2%)可使改性瀝青混合料的Jc值增大，其低溫抗裂性有一定的提高，而隨著SBS摻量的增加，混合料的Jc值降低，表明其低溫抗裂性變差.加入SBS后，隨著SBS摻量的增加，混合料的低溫抗裂性能逐漸下降，這與低溫PG分級變化趨勢截然相反，說明對于TB膠粉復合SBS改性瀝青，瀝青的低溫性能優劣并不能代表混合料的低溫抗裂性好壞.

表3 改性瀝青混合料的低溫SCB試驗結果

2.3 低溫指標相關分析

瀝青低溫PG分級是現行評價瀝青低溫性能最常用的指標，將其與瀝青的低溫應力、混合料的Jc值進行相關性分析，結果如圖4、5所示.由圖4、5可見：TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級溫度與其低溫應力存在很強的線性相關關系，與混合料Jc值也存在一定線性相關關系，即TB膠粉改性瀝青的PG分級溫度可以表征瀝青及混合料的低溫性能，瀝青低溫PG分級溫度越低，低溫應力越小，其混合料的Jc值越大，低溫抗裂性越小；TB膠粉復合3%SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度與其低溫應力以及混合料Jc值的相關系數均比較低，但隨著瀝青低溫PG分級溫度的變化，其低溫應力與混合料Jc值的變化趨勢與TB膠粉改性瀝青相同，即復合改性瀝青的低溫PG分級溫度在一定程度上也能反應瀝青及其混合料低溫性能的優劣；10%TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫PG分級溫度與低溫應力之間的相關性很低，而與其混合料Jc值的相關性很高.有趣的是，線性相關分析結果顯示，隨著10%TB膠粉復合SBS改性瀝青低溫PG分級溫度的變化，其低溫應力與混合料Jc值的變化趨勢與TB膠粉改性瀝青以及TB膠粉復合3%SBS改性瀝青的變化趨勢相反，即較低的低溫PG分級溫度反而會使得瀝青低溫應力更高，混合料的Jc值更小，低溫抗裂性變差.因此對TB膠粉復合SBS改性瀝青來說，SBS的摻入使瀝青體系變得更加復雜，低溫PG分級不能反映實際復合改性瀝青及其混合料的低溫抗裂性能，需要用其他指標對其低溫性能進行綜合評價.

圖5 低溫PG與應變能釋放速率的相關性分析Fig.5 Relationship between low temperature PG and Jc value

3 結論

(1)與基質瀝青相比，TB膠粉改性瀝青具有優異的低溫性能，且隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級溫度下降，瀝青低溫應力變小，混合料應變能釋放速率Jc值增大，低溫抗裂性增強.

(2)TB膠粉復合3%SBS改性瀝青及其混合料的低溫性能高于基質瀝青，且隨著TB膠粉摻量的增加，復合改性瀝青的低溫性能改善效果較為顯著，但低于相應摻量的TB膠粉改性瀝青.

(3)隨著SBS摻量的增加，10%TB膠粉復合SBS改性瀝青的低溫性能變化并不明顯，而其混合料的Jc值變小，低溫抗裂性能變差.

(4)TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級可以很好地反映瀝青及其混合料的低溫性能，而TB膠粉復合SBS改性瀝青不能通過單一的PG分級來評價其低溫性能，需要結合其他指標共同評價.