SBS高黏改性瀝青在大孔隙混合料中的應用性能研究

巫星德，龍世煜，蘇興康，熊明博

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著國家經濟社會的快速發展，截至2020年年底，我國公路總里程已達519.81萬km，公路養護里程也達514.40萬km[1]。其中，我國高等級公路中瀝青路面約占90%[2]，大孔隙透水式瀝青路面因具有排水、抗滑和降噪等特殊性能而備受關注[3]。但是透水式瀝青路面豐富的孔隙結構和集料顆粒間有限的接觸面積導致瀝青混合料的抗疲勞性能、抗裂性能以及水穩定性能較差[4]。

根據當前的研究結果，只有當瀝青60 ℃動力黏度超過20 000 Pa·s時，才能更好地保證瀝青與集料間的粘結強度，從而使混合料具備良好的結構強度和耐久性[5-6]。由于SBS復合改性瀝青的黏度、PG高溫等級等性能最為突出[7-10]，業內學者對其研究也最為廣泛。郝培文等[11]研發了一種SBS復合改性高黏度瀝青，試驗結果表明，該高黏度瀝青與集料的粘結強度高，高、低溫性能優越，但對施工要求較苛刻。朱平[12]進行了SBS、膠粉和萜烯樹脂復合改性，但未添加相容劑與穩定劑，導致改性瀝青穩定性能較差。馮新軍等[13]研究了TS高黏度改性瀝青排水路面的性能，結果表明其低溫抗裂性能較差，僅適用于我國南方地區。胡志梅[14]研究認為殼牌SAEM高黏劑能取代約30%的瀝青膠結料，得到的改性瀝青混合料的強度和抗車轍變形的能力明顯提高，但由于高黏劑添加量大，其儲存穩定差。基于以上研究成果，本研究擬自主研制一種性能優越且儲存性良好的SBS高黏改性瀝青以期解決大孔隙透水式瀝青路面存在的強度和耐久性差等問題，并為透水式瀝青路面的發展提供可靠的技術基礎。

1 主要原材料

1.1 基質瀝青

基質瀝青作為高黏瀝青的主要組成材料，其質量對改性瀝青的性能具有較大影響。本文采用的基質瀝青為殼牌70#瀝青，主要技術指標如表1所示。

表1 基質瀝青的技術指標表

1.2 SBS

SBS作為改性瀝青的核心組成材料，是提升改性瀝青黏度和高溫抗變形能力的主要因素，其具體技術指標如表2所示。

表2 SBS技術指標表

1.3 高黏劑

高黏劑采用的是樹脂高黏瀝青改性劑，其主要的技術指標如表3所示。

表3 高黏劑的技術指標表

2 SBS高黏改性瀝青制備

根據本次主要的原材料種類，應用三因素三水平正交試驗確定材料組成，摻量均采用內摻，在180 ℃下以500 r/min的速度剪切30 min，采用60 ℃動力黏度為控制指標。由于SBS的摻量嚴重影響材料的經濟性，所以取SBS摻量為4.5%、5.5%、6.5%；高黏劑則采用廠家推薦的9%±1%進行摻配；增溶劑摻量采用1.5%、2%、2.5%。相關試驗安排如表4所示。

表4 試驗安排以及試驗結果表

表5 極差分析表(Pa·s)

由表5可知，在所列出的9組試驗配方中，由各因素的K1、K2、K3差異分別反映3個水平的好壞，因而得知因素A、B在K3的黏度最高，水平最好；因素C的K1最好。試驗結果表明，A、B兩個因素對于改性瀝青的60 ℃動力黏度起促進作用，C因素對改性瀝青的60 ℃動力黏度起抑制作用。由極差得出KB>KA>KC，表明因素B的影響最大，其對冷拌瀝青的60 ℃動力黏度起決定性作用。由因子影響程度，得出A3B3C1組合的黏度最佳，但是鑒于SBS摻量為6.5%，改性瀝青的180 ℃布氏黏度太高，導致混合料拌和、成型困難，而且A3B3C1與A2B3C1的60 ℃動力黏度相差不大，為節約成本，故以A2B3C1作為最優配方，即5.5%SBS+10%高黏劑+1.5%的增溶劑+83%基質瀝青。

3 瀝青性能研究

3.1 基本性能

本研究的SBS高黏改性瀝青作為一種新型的道路材料，其性能是材料能否廣泛應用于道路上的決定性因素。

表6 SBS高黏改性瀝青的基本性能測試結果表

試驗表明，自研的SBS高黏改性瀝青各項指標優良，均能滿足相關技術要求。

3.2 高溫性能

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，氣候條件和荷載對其性能會產生大幅度影響，從而進一步對瀝青路面的高溫性能產生較大的影響。美國公路戰略研究計劃(SHARP)綜合研究溫度和荷載對高溫性能的影響因素后，建議使用動態剪切流變試驗對瀝青高溫流變性能進行評價[15]，其試驗結果如圖1所示。

圖1 動態剪切流變試驗結果對比曲線圖

由圖1可知，對比相同溫度條件下的70#基質瀝青與SBS高黏改性瀝青試驗結果可知，SBS高黏改性瀝青復數剪切模量明顯大于基質瀝青，這主要是因為改性瀝青黏度大，高溫環境下抵抗外界變形能力比基質瀝青強。在相同溫度下，SBS高黏改性瀝青的相位角小于基質瀝青相位角，這表明SBS高黏改性瀝青具有更高的瀝青彈性。SBS高黏改性瀝青老化前后的車轍因子(G*/sinδ)變化量明顯小于基質瀝青。

3.3 低溫性能

低溫抗裂性能是混合料常測項之一，故本節以蠕變勁度模量(S)和蠕變速率(m)作為評價指標進行彎曲梁流變試驗。小梁在低溫荷載作用60 s時，其蠕變勁度模量S≤300 MPa，蠕變速率m≥0.30時，所測瀝青材料適用的溫度范圍不得低于所測溫度以下6 ℃[16]。

圖2 彎曲梁流變試驗結果對比曲線圖

由圖2可知，隨著溫度逐漸降低，蠕變勁度模量S逐漸變大，蠕變速率m逐漸將小，這一現象符合低溫條件下瀝青流變與應力松弛變化規律。在相同溫度條件下，SBS高黏改性瀝青低溫抗裂性比基質瀝青優良，且SBS高黏改性瀝青在-18 ℃時仍能滿足技術要求。其主要原因是：高黏改性瀝青屬于物理混合，SBS的低溫延展性未受到影響，其與基質瀝青形成網狀結構，分子間作用力增大。

3.4 粘附性

SBS高黏改性瀝青作為透水式瀝青路面的粘結材料，與集料的粘附性嚴重影響路面的水穩定性以及抗飛散性能。本試驗中根據所用級配的最大粒徑，選取粗集料的粒徑近似于立方體且粒徑為9.5～13.2 mm。試驗后，集料表面沒有任何脫落，表明SBS高黏改性瀝青與集料的粘附性良好，評為5級。

3.5 儲存穩定性

將SBS高黏改性瀝青剪切完成后靜置7 d，在容器的頂層與底層各隨機選取1 mL的SBS改性瀝青進行電子顯微鏡觀測試驗，結果如圖3、圖4所示。

(a)容器底部

(b)容器頂部圖3 電鏡放大400倍示例圖

(a)容器底部

(b)容器頂部圖4 電鏡放大800倍示例圖

由圖3～4的SBS高黏改性瀝青光學顯微鏡圖可知，SBS高黏改性瀝青的重質部分均勻分布于輕質物質當中，表明自研SBS高黏改性瀝青儲存穩定性較好。其主要原因是：添加的增溶劑屬于兩性材料，充當基質瀝青與SBS的橋梁，大幅度減少了改性瀝青的離析。

4 SBS高黏改性瀝青大孔隙混合料路用性能研究

大孔隙混合料要求瀝青膠結料必須滿足良好的高、低溫以及水穩定性能，而基質瀝青和一般的改性瀝青難以達到相應要求[17]。所以，研制出滿足大孔隙混合料性能要求的瀝青是推廣大孔隙混合料路面應用的關鍵。本研究采用SBS高黏改性瀝青、普通SBS改性瀝青以及70#基質瀝青作為膠結料，分別進行大孔隙混合料的基本性能研究。自研SBS高黏改性瀝青以500 r/min的速度在180 ℃環境下剪切30 min后備用。大孔隙混合料級配采用廣西使用廣泛的PAC-13[18]。為防止熱老化，拌和溫度定為185 ℃，集料加熱溫度為200 ℃，拌和總時間為3 min。

4.1 混合料配合比設計

根據PAC路面級配特點，按目標配合比及篩分結果，先確定各檔料的比例合成級配曲線如圖5所示。

圖5 PAC-13級配曲線圖

采用SBS高黏改性瀝青、普通SBS改性瀝青以及70#基質瀝青作為膠結料，分別對PAC-13瀝青混合料進行馬歇爾試驗及各項物理性能測試。參考國內外大孔隙混合料常用的孔隙率為18%～25%，兼顧材料的耐久性以及排水性能，成型試件的孔隙率按照20.5%控制，得到如表7所示的試驗結果。

表7 PAC-13級配設計試驗結果表

由表7可知，油石比為4.8%時，三種瀝青的混合料空隙率與目標配合比空隙率(20.5%)的差值都不超過±1%，且穩定度最高，飛散指標較低，取最佳油石比為4.8%進行混合料性能比對試驗研究。

4.2 水穩定性試驗

由于水穩定性是決定大孔隙混合料耐久性的最主要性能之一，所以對三種不同瀝青的PAC-13大孔隙混合料進行殘留穩定度試驗，以殘留穩定度評價其水穩定性，試驗結果如表8所示。

表8 三種PAC-13大孔隙混合料浸水馬歇爾試驗結果表

由表8可知，SBS高黏改性瀝青的PAC-13排水瀝青混合料殘留穩定度高達99.3%，較其他兩種瀝青混合料水穩定性能更優越，其主要原因在于：(1)SBS高黏改性瀝青與集料的粘附性優良，能減少瀝青的剝落程度；(2)SBS高黏改性瀝青添加了增溶劑，增強了瀝青與集料的界面化學吸附作用，進而大幅度提升了瀝青與集料的粘結強度。

4.3 高溫穩定性試驗

對自研SBS高黏改性瀝青、普通SBS改性瀝青以及70#基質瀝青的PAC-13瀝青混合料進行車轍試驗，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗溫度條件為60 ℃±1 ℃。試驗結果如表9所示。

由表9可知，SBS高黏改性瀝青的PAC-13排水瀝青混合料動穩定度高達9 545次/mm，其高溫性能相比于普通SBS改性瀝青和70#基質瀝青更優越，其主要原因在于：添加高黏劑的SBS瀝青稠度大，形成了較強的網狀結構，瀝青與集料的粘結強度大，60 ℃的動穩定度高，抗車轍性能好，與瀝青的高溫性能試驗結果相對應。

表9 PAC-13混合料車轍試驗結果表

4.4 低溫抗裂性試驗

瀝青混合料的低溫性能在很大程度上決定了道路路面的低溫抗裂性，將三種不同瀝青類型的混合料在最佳配合比下成型7 d后的車轍板進行切割,制作小梁試件，試驗溫度為-10 ℃。試驗結果如表10所示。

表10 小梁彎曲試驗結果表

由表10可知，SBS高黏改性瀝青混合料的低溫應變達到3 156.92，比普通SBS改性瀝青的應變高了23.1%，比70#基質瀝青的應變高了86.9%。其原因主要是SBS高黏改性瀝青在增溶劑作用下增大了分子間的化學鍵作用力，使SBS高黏瀝青低溫勁度小，蠕變速率大，大大增強了混合料的低溫變形性能。

5 結語

本文對SBS高黏改性瀝青以及混合料進行系統研究，得到以下結論：

(1)高黏劑對SBS改性瀝青的黏度影響最大，SBS次之，增溶劑對改性瀝青的黏度有一定的負面影響。自研SBS高黏改性瀝青最優原材料配合比為：5.5%SBS+10%高黏劑+1.5%的增溶劑+83%基質瀝青。

(2)自研SBS高黏改性瀝青的高、低溫性能優越，64 ℃的車轍因子高達8.74，明顯高于基質瀝青的2.37，其高溫性能較為突出，蠕變勁度、蠕變速率也明顯高于基質瀝青。通過電鏡觀測結果可知，增加了增溶劑的改性瀝青儲存穩定性優良。

(3)確定PAC-13級配曲線以及自研SBS高黏改性瀝青的最佳油石比為4.8%。SBS高黏改性瀝青PAC-13混合料的高低溫性能、水穩定性比普通SBS改性瀝青和70#基質瀝青的PAC-13混合料性能更優越，具有推廣應用的條件。

(4)SBS高黏改性瀝青混合料性能良好，浸水馬歇爾殘留穩定度為99.3%，動穩定度為9 545次/mm，高溫性能以及水穩定性能尤為突出。小梁彎曲試驗最小彎拉應變為3 156.92με。

研究結果表明，自研的SBS高黏改性瀝青及大孔隙混合料性能優越，具備實際應用的條件。