稳定剂对SBS改性沥青路用性能的影响

闫保平

（灵河高速公路（神河段）建管处，山西 忻州 036203）

0 引言

SBS改性沥青因其优异的高低温性能在道路中得到广泛应用，且仍会继续使用，高温储存过程中易发生的分层离析现象是需要克服的重要问题[1]。关于聚合物改性沥青储存稳定性的研究最早可以追溯到1958年，早期在共聚物改性时主要加入硫磺及硫化物，主要效果是提高改性沥青的稳定性。1958年Welborn等在以30%天然或合成橡胶胶乳改性沥青时，加入15%的单质硫（以橡胶用量计），结果得到稳定性更好的沥青材料[2]。1972年，Boultz在用乙烯—丙烯酸酯共聚物改性沥青时，加入少量硫磺或过氧化物来提高改性沥青的稳定性。1989年，Koen在SBS改性沥青时加入二芳基二硫化物，不仅改善了共混体系的储存稳定性，还使沥青的低温性能和高温性能得到提高[3]。通过多年研究，已开发多种稳定剂产品，并可有效改善SBS改性沥青高温储存稳定性。后续还有研究者使用多聚磷酸[4]、金属氧化物[5]、无机黏土[6]作为稳定剂，或者进行聚烯烃类接枝反应[7]，也都得到较满意的结果。然而，在实际应用中，大都不存在高温下长久储存的问题，稳定剂的应用范围较窄，很难大规模推广应用。

目前市面上已有的稳定剂产品可以达到提升SBS改性沥青高温储存稳定性的问题，但仅仅是解决其存储稳定性问题，并未考虑整体提升其各项路用性能，使SBS改性沥青性能更佳，从而提升路面的耐久性和使用寿命，应用更加广泛。这里研究了3种稳定剂配方对SBS改性沥青的路用性能影响，通过这几种配方的加入，可显著提升各项路用性能，包括高、低温性能以及抗水损性能，具有很好的应用前景。

1 试验部分

1.1 原料

所用SBS改性剂为巴陵石化生产，型号YH-791，其中苯乙烯含量为30%。沥青为SK 90号，其软化点、25℃针入度、15℃延度分别为46.8、81.2、大于100 cm。稳定剂D和T为上海成锦化工有限公司生产，外观分别为白色和淡黄色结晶粉末。

1.2 改性沥青的制备

将沥青加热至170℃，加入SBS改性剂，使用高速剪切机在转速为3 000～4 000转/min条件下连续剪切35 min，随后加入稳定剂，继续剪切15 min。

1.3 性能测试

路用性能测试中的车辙试验、低温劈裂试验、冻融劈裂试验均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行。

2 结果与讨论

2.1 矿质混合料配合比设计

集料选用花岗岩，通过矿料的筛分，计算各矿料用量，使得矿料混合料级配曲线基本接近AC-13级配范围中值线，结果见图1。最终确定各种集料用量为 10～15∶5～10∶3～5∶0～3∶矿粉 =27∶28∶10∶32∶3。

图1 AC-13要求级配和合成级配曲线

2.2 最佳沥青用量设计

按照设计好的矿料配合比称取矿料，采用5组油石比配制沥青混合料，并制作马歇尔试件，击实温度为160℃，两面各75次，随后进行马歇尔试验，结果见表1。分别用最大密度、最大稳定度、孔隙率范围中值、沥青饱和度范围中值对应的油石比计算OAC1，该值计算结果为(4.9+4.5+4.6+4.3)/4=4.57%。此外，根据沥青混凝土标准，得到满足该标准的最大油石比OACmax=4.6和最小油石比OACmin=4.38，从而确定OAC2，则最佳油石比OAC为(OAC1+OAC2)/2=4.6%。

根据此最佳油石比，随后制备车辙板、马歇尔试件，用于测定车辙动稳定度、低温劈裂强度、冻融劈裂强度比。

表1 改性沥青马歇尔试验结果

2.3 车辙试验

动稳定度的含义是指沥青混合料在高温条件下，混合料每产生1 mm变形时，所承受标准轴载（试验采用0.7 MPa轮压）的次数。计算方法：读取45 min及60 min时的车辙变形d1及d2，准确至0.01 mm。当变形过大，在未到60 min变形已经达到25 mm时，则以达到 25 mm（d2）时的时间为 t2，将前15 min为t1，此时的变形量为d1。沥青混合料试件的动稳定度按式（1）计算：

式中：DS为沥青混合料的动稳定度，次 /mm；d1、d2为时间 t1、t2的变形量，mm；C1为试验机类型修正参数，曲柄连杆驱动时间的变速行走方式为1.0，链驱动试验轮的等速方式为1.5；C2为试件参数，试验室制备的宽300 mm的试件为1.0，从路面切割的宽150 mm的试件为0.8；N为试验轮往返碾压速度，通常为42次/mm。

对含有0.6%稳定剂D、0.6%稳定剂D和T（2∶1）、0.4%稳定剂D和T（1∶3）的 SBS改性沥青混合料进行测试，并与不含稳定剂的样品进行对比，考察稳定剂对SBS改性沥青混合料高温稳定性的影响。根据公式（1）进行计算，最终的实验结果见表2，同时计算了3次试验结果的标准差及变异系数，变异系数均远小于20%，因此3次试验结果的平均值可作为最后的试验结果。结果显示，添加稳定剂D和稳定剂T的配方均可以显著提高SBS改性沥青的高温稳定性。此外，还可以看出稳定剂的配比和掺量对动稳定度影响小，含有稳定剂D和稳定剂T样品的DS均高于7 000次/mm，且相差数值不大，其中含有0.4%稳定剂D和T（1∶3）的样品抗车辙效果最佳。

表2 沥青混合料车辙试验结果

2.4 低温劈裂试验

对不含稳定剂、含有0.6%稳定剂D、0.6%稳定剂 D和 T（2∶1）、0.4%稳定剂 D和 T（1∶3）的 SBS改性沥青混合料进行低温劈裂的测试。由表3中的结果可以看出，加入稳定剂后，抗拉强度和破坏劲度模量均增大，尤其是破坏劲度模量变化最显著。此外，还可以看出含有稳定剂D及其含量高的配方对应的样品（样品2和样品3）破坏劲度模量最高。由此说明，稳定剂配方的加入可以显著提升SBS改性沥青的低温稳定性。

表3 低温劈裂实验结果

2.5 冻融劈裂试验

对含有0.6%稳定剂D、0.6%稳定剂D和T（2∶1）、0.4%稳定剂D和T（1∶3）的 SBS改性沥青混合料进行冻融劈裂测试，并与不含稳定剂的样品进行对比，考察沥青混合料的水稳定性，结果见表4。添加稳定剂后，试件的抗拉强度明显提升，并且冻融劈裂强度比也显著增大，尤其是稳定剂D含量较高时效果更佳，冻融劈裂比超过90%，说明稳定剂的加入大幅提升了沥青混合料的水稳定性。

表4 沥青混合料冻融劈裂实验结果

3 结论

通过合理的配合比设计，测试添加和未添加稳定剂时，沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性以及水稳定性。通过3个稳定剂配方的考察，结果显示，添加稳定剂后，沥青混合料的各项路用性能均大幅提升，车辙动稳定度由3 000次/mm提升至高于7 000次/mm，冻融劈裂强度比由82%提升至高于95%，低温劈裂结果同样有类似的结果，其中稳定剂含量更高时，低温稳定性更佳。