SEAM与SBS复合改性沥青及混合料性能研究

刘海芳

(大连理工大学 城市学院， 辽宁 大连　116600)



SEAM与SBS复合改性沥青及混合料性能研究

刘海芳

(大连理工大学 城市学院， 辽宁 大连116600)

为研究新型硫磺改性剂(SEAM)和SBS掺量对沥青及混合料综合路用性能的影响，变化4种SEAM和SBS掺量，采用177 ℃黏度、针入度、软化点、BBR、DSR试验确定了SEAM和SBS适宜的复配比例。采用车辙、低温弯曲、浸水马歇尔和冻融劈裂、四分点加载控制应变疲劳试验评价了复合改性沥青的综合路用性能和抗疲劳耐久性。 试验结果表明：根据SEAM与SBS复合改性沥青的常规性能指标和PG分级试验结果，推荐SEAM 与SBS复合改性沥青中的SBS添加量为2.0% ～2.5%，SEAM合理掺量为15%～20%。SEAM与SBS复合改性沥青混合料具有优良的高温稳定性和抗疲劳性能，将SEAM与SBS复配有助于提高沥青混合料综合路用性能和耐久性。使用SEAM与SBS复合改性方案可替代18%～20%的沥青，同时降低了SBS掺量。试验路后期跟踪调查结果表明，采用SEAM与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著，推广应用前景广阔。

道路工程； 硫磺改性剂； 复合改性沥青； 复合改性沥青混合料； 路用性能

0　引言

面对现代道路交通车流量大、重在车辆多、运行速度高的新要求，提高沥青路面的设计和施工质量，特别是沥青面层的材料的质量有非常重要的意义。此外，我国的人均石油沥青参量低，且国产沥青普遍存在沥青质低、含蜡量高、饱和分高等特点，为满足重载交通的需求，需要大量进口沥青[1-3]。目前大多数沥青改性剂及其相关的生产工艺各有优点和不足之处，通常不能兼顾改善高温性能和低温抗裂性能，这也是大多数添加剂所面临的一个问题。国外大量研究和工程实践表明[4-8]，硫磺改性剂(Sulphur Extended Asphalt Mixture，简称SEAM)是一种优良的改性剂，可替代部分沥青，改善沥青混合料的高温性能，提高集料与沥青的粘附性，改善沥青混合料的水稳定性、抗疲劳性能和抗老化性能，但SEAM对沥青混合料的低温性能改善不明显甚至有不利影响，这一直困扰着研究人员，也成为其规模化生产的技术瓶颈[9-11]。SBS作为一种优良的沥青改性剂，可显著改善沥青混合料的高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能，但其存在储存稳定性差，易老化分解和生产加工成本高等问题，此外，工程实践表明[12]， 为满部分地区特殊气候和重载交通的要求，需要将SBS改性剂掺量增大至4.5%以上。目前鲜见对SEAM与SBS复合改性沥青及其混合料性能的研究报道，SEAM/SBS复合改性沥青混合料在实体工程中还未曾涉及，本文研究了SEAM与SBS复合改性沥青及混合料性能路用性能，结合试验路铺筑和近5 a的试验路跟踪检测，总结了SEAM/SBS复合改性沥青及混合料的工厂化生产参数，可以为该项技术在高等级公路的规模化推广应用提供技术支撑和借鉴。

1　SEAM与SBS复合改性沥青最佳掺配比例

1.1原材料配比及复合改性沥青制备

试验选用SK70重交通道路石油沥青，经检测沥青各项技术性能满足现行施工规范要求。 SEAM硫磺颗粒由shell公司研发并生产，SEAM剂外观为烟灰色固体颗粒，硫磺含量为99.8%，密度为1.99 g/cm3，融化点为115 ℃，沸点为450 ℃，燃点为250 ℃。根据印尼厂商推荐的SEAM浓缩沥青改性剂最佳掺量为20%，，并借鉴国内相关研究成果，考虑到SEAM改性剂与基质沥青相容性和吸附沥青能力的差异，此外，室内试验时发现，当SEAM掺量超过30%后改性沥青制备较为困难，试验研究时初拟的SEAM掺量为10%、15%、20%、25%。SBS选用岳阳石化生产的YH4303星形SBS改性剂(S/B=30∶70)，经检测沥青和SBS改性剂技术参数均满足《公路沥青路面施工技术规范》(F40 — 2004)要求，考虑到复合改性沥青的经济性和施工可操作性，采用低剂量的SBS掺量，SBS掺量为2%、2.5%、3%。

采用美国进口的DALWORTH胶体磨生产SEAM/SBS复合改性沥青，生产工艺流程主要包括：复合改性沥青溶胀、剪切磨细、继续发育3个过程。具体操作步骤： ①将基质沥青加热至180～185 ℃，通过计量系统和物料添加系统加入SBS改性剂，边加入SBS改性剂边搅拌，以便SBS混合均匀避免造成局部温度过低而影响溶胀效率，待SBS添加到预定质量后，继续搅拌20 min使其充分溶胀。②控制DALWORTH胶体磨的剪切速率为5200 rad/min，剪切时间为30 min，剪切温度为180 ℃，待SBS改性沥青剪切完成后加入SEAM改性剂，保持剪切温度为175 ℃，继续剪切30 min，制备SEANM与SBS复合改性沥青。经荧光显微镜技术分析，该剪切速率所获得的SBS改性沥青中SBS分散面积最大，同时针入度指标性能最好。③保持175试验温度，继续发育时间3 h，为了加速SEAM与SBS改性沥青的反应速率，发育期间需匀速搅拌。

1.2SEAM与SBS复合改性沥青针入度体系及PG分级试验结果

按照SHRP提出的基于路用性能的PG分级，采用BBR和DSR试验研究不同改性剂掺量的复合改性沥青PG分级，同时采用针入度评价指标中的黏度、软化点指标综合评价SEAM/SBS掺量对复合改性沥青高低温性能的影响。试验方法严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 — 2011)和AASHTO T315相关标准进行，不同改性剂掺量复合改性沥青针入度体系及PG分级试验结果见图1及表1。

图1及表1试验结果表明，①从反映沥青高温指标DSR试验PG分级177 ℃旋转粘度、软化点、针入度来分析，相同SBS掺量情况下，随着SEAM掺量增大，DSR试验高温PG分级提高，同时复合改性沥青旋转黏度增大，针入度减小，软化点升高，尤其SEAM掺量达到20%后黏度增加幅度较大。SEAM/SBS复合改性沥青的PG分级普遍可达到82 ℃，可见其具有优良的高温性能。黏度越大混合料施工难度越大，以应力吸收层改性沥青黏度不大于3.5Pa*s作为评判标准，复合改性沥青方案中SEAM掺量不宜超过20%，SEAM掺量越大，复合改性沥青针入度越小，软化点越高，据此推断增大SEAM掺量可显著提高复合改性沥青的高温稳定性；相同SEAM掺量条件下，随着SBS掺量增大，复合改性沥青针入度减小，粘度增大，软化点升高，可见SBS掺量对复合改性沥青高温性能有显著的影响。此外，以软化点和PG高温分级指标来衡量，相比4.5%SBS改性沥青，采用适宜的SEAM与SBS复配方案可达到甚至超过4.5%SBS改性沥青的高温性能。②从反映沥青低温指标延度和DSR试验PG低温分级来分析，相同SBS掺量情况下，随着SEAM掺量增大，延度和弹性恢复率均减小，SEAM掺量超过20%后延度减小显著，同时BBR试验弯曲蠕变模量S增大，斜率m显著减小，据此推断增大SEAM掺量会降低复合改性沥青的低温延展性和抵抗疲劳破坏后的自愈合性能，这与既有研究成果相吻合；相同SEAM掺量情况下，增大SBS掺量复合改性沥青低温指标延度和DSR试验PG低温分级均显著改善，SBS掺量由0%增加到3%时弹性软化点和弹性恢复率增大较为明显，从低温性能和工程经济性考虑，SBS掺量不宜超过3%。

图1　不同SEAM和SBS掺量下的复合改性沥青性能指标试验结果Figure 1　Composite modified asphalt performance test results with different SEAM and SBS dosage

综上，参考《公路沥青路面施工技术规范》(F40-2004)，以SBS改性沥青I-C技术指标要求，将图1试验结果与4.5%SBS改性沥青I-C技术指标要求对比，可优选出4种不同复配方案：复配方案I(20%SEAM+2.5%SBS)、复配方案II(10%SEAM+3.0%SBS)、复配方案III(15%SEAM+2.5%SBS)、复配方案IV(25%SEAM+2.0%SBS)，可见采用SEAM与SBS复合改性方案，可达到4.5%SBS改性沥青的技术指标，同时降低了工程造价，SEAM与SBS复合改性方案合理可行。

2　SEAM与SBS复合改性沥青混合料马歇尔试验

沥青性能指标满足要求并不能确保混合料性能一定最佳，复合改性沥青的性能最终要以改性沥青混合料的路用性能来体现，本文选用我国高速公路上面层常采用的AC — 13C改性沥青混合料研究上述四种复合改性方案对沥青混合料路用性能的改善效果。根据0～5 mm石灰岩机制砂、5～10 mm和10～15 mm玄武岩三档集料筛分试验结果，确定混合料试验级配见表2，采用木质素纤维，掺量为集料质量的0.3%。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)马歇尔法试验法确定复合改性沥青混合料的最佳油石比，马歇尔试验结果见表3。

表2 AC—13C混合料试验级配组成Table2 AC—13CandasphaltMixtureSynthesisgraduation级配类型不同筛孔(mm)通过百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配10095.471.14435.326.619.914.210.85.4规范要求10090～10068～8538～6824～5015～3810～287～205～154～8

室内试验和表3试验结果表明: SEAM与SBS复合改性沥青混合料的各项技术性能均满足规范要求。SEAM与SBS复合改性沥青混合料生产工艺与SBS改性沥青混合料相同，不需要特殊的拌合工艺。马歇尔试验结果与SBS改性沥青混合料差别不大。

表3 AC—13C不同改性剂掺量马歇尔试验结果Table3 AC—13CdifferentmodifiedasphaltMarshalltestresults改性沥青类型OAC/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm20%SEAM4.624.014.3576.7711.12.7020%SEAM+2.5%SBS4.834.014.4176.9112.72.8410%SEAM+3.0%SBS4.914.014.7376.9912.22.8215%SEAM+2.5%SBS4.894.014.6677.3512.12.7625%SEAM+2.0%SBS4.934.014.6877.2111.92.724.5%SBS4.864.014.176.6112.12.73

3　SEAM与SBS复合改性沥青混合料路用性能

按照现行施工规范F40 — 2004要求采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，采用-10 ℃小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性，采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定性。车辙试验参数为：试验温度60 ℃，试验轮行走速率(42±1)次/min，试件尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×100 mm(高)。低温弯曲试验参数为： 试验温度为-10 ℃，试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mmm，试验时采用单点加载方式，加载速率为50 mm/min，支点间距200 mm；浸水马歇尔和冻融劈裂试验试件制备和试验方法严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20 — 2011)执行，SEAM与SBS复合改性沥青混合料路用性能试验结果见图2～图4。

图2～图4不同改性剂掺量SEAM/SBS复合改性沥青混合料路用性能可知： ①车辙试验结果表明，随着SEAM和SBS掺量增大，复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度增大，60 min车辙变形量减小，比较相同不同复配方案车辙试验动稳定度大小： 方案Ⅲ>方案Ⅳ>4.5%SBS>方案Ⅱ>方案Ⅰ>2800次/mm，可见采用SEAM与SBS复配方案可显著改善沥青混合料的高温稳定性，方案Ⅲ、Ⅳ具有较好的抗高温变形能力，其车辙试验动稳定度优于SBS改性沥青混合料。20%SEAM改性沥青混合料DS满足规范大于2800次/mm要求，这与已有研究成果相吻合。②低温弯曲试验结果表明，相同SBS掺量，随着SEAM掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大，但弯曲应变减小，可见增大SEAM掺量导致复合改性沥青混合料的柔性变差，释放应力的能力减弱，以抗弯拉强度和释放荷载的能力考虑，SEAM对沥青混合料低温性能改善效果不明显或有不利影响，这与已有研究成果相吻合。此外，相同SEAM掺量，随着SBS改性剂掺量增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲应变均增大，相比4.5%SBS改性沥青混合料， 15%SEAM+2.5%SBS粉和15%SEAM+2.0%SBS复合改性方案下沥青混合料的弯拉应变可达到甚至超过4.5%SBS改性沥青，复合改性方案显著降低了沥青混合料的劲度模量，提高了混合料的低温抗裂性，这主要与SEAM增强了沥青混合料的抗破坏强度，而SBS改性剂增强了沥青混合料的释放荷载的能力有关。③浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果表明，在10%～25%SEAM和2%～3%SBS掺量范围内，随着SEAM和SBS掺量增大冻融劈裂强度比(TSR)和马歇尔残留稳定度(MS0)均呈增大趋势，4种复配方案改性沥青混合料的浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均可达到90%以上。采用SEAM与SBS复配方案可改善沥青混合料的水稳定性。

图2　不同改性剂掺量SEAM/SBS复合改性沥青混合料车辙试验结果Figure 2　Different dosage of modifier SEAM/SBS modified asphalt mixture rut test results

图3　不同改性剂掺量SEAM/SBS复合改性沥青混合料低温弯曲试验结果Figure 3　Different dosage of modifier SEAM/SBS modified asphalt mixture low temperature bending test

图4　不同改性剂掺量SEAM/SBS复合改性沥青混合料水稳定性试验结果Figure 4　Different dosage of modifier SEAM/SBS modified asphalt mixture water stability test results

4　SEAM与SBS复合改性沥青混合料抗疲劳性能

通常采用现象学法和力学近似法研究方法研究沥青混凝土的疲劳破坏规律，现象学法采用疲劳曲线来表征材料的疲劳特性，侧重于研究裂缝形成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间的关系和各种因素对疲劳寿命和疲劳强度的影响，试验操作方便，是目前普遍采用的沥青混凝土疲劳性能行研究方法。究表明，四点弯曲控制应变疲劳试验方法过程中沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，试验方法成熟、可操作性强，对沥青结合料敏感性强。本部分疲劳试验采用中四分点加载弯曲试验法，加载模式为应变控制方式，按照现行沥青及沥青混合料试验规程JTG E20 — 2011中的要求成型双层车辙板试件，室温放置48 h后切割尺寸为400 mm×300 mm×81 mm小梁试件，在美国进口的MTS疲劳试验机上采用三点加载方式，试验选用200、300、400、500 με共4个应变水平，试验温度为15 ℃，不同SEAM和SBS改性剂掺量下疲劳试验数据和拟合结果见表4所示。

表4 不同改性剂掺量SEAM/SBS复合改性沥青混合料疲劳试验结果Table4 DifferentdosageofmodifierSEAM/SBSmodifiedasphaltmixturefatiguetestresults改性沥青种类疲劳试验拟合方程lgNf=A+Blgε相关系数R2AB0.98820%SEAM15.78869-4.301680.96920%SEAM+2.5%SBS16.32793-4.286970.97610%SEAM+3.0%SBS16.26363-4.288940.97415%SEAM+2.5%SBS15.96541-4.291970.96625%SEAM+2.0%SBS15.81255-4.293490.9734.5%SBS16.21258-4.290500.985

由表4试验结果可知: 相同应变水平下五种改性沥青混合料疲劳寿命由大到小依次是： 20%SEAM+2.5%SBS改性沥青>15%SEAM+2.5%SBS>4.5%SBS >10%SEAM+3.0%SBS>25%SEAM+2.0%SBS，可见620%SEAM+2.5%SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能最好，20%SEAM+2.5%SBS改性沥青和15%SEAM+2.5%SBS两种复配方案的改性沥青混合料的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料。比较疲劳试验拟合参数可以发现，采用20%SEAM+2.5%SBS改性沥青和15%SEAM+2.5%SBS复配方案所生产的改性沥青混合料不仅疲劳寿命较高，且疲劳寿命对应变变化水平的敏感性较低，可见本文提出的SEAM与SBS复配方案可改善沥青混合料的抗疲劳耐久性。

5　试验路铺筑及后期跟踪调查

试验段项目结合2011年武宁高速公路32合同段路面工程，进行了4 cm AC — 13C改性沥青混合料上面层铺设(20%SEAM+2.5%SBS)，铺设长度10.349 km。采用4000型连续式拌合楼生产，施工阶段温度控制：合料拌合时控制集料加热温度190～200 ℃，改性沥青的生产按照本文所述的工厂化生产产生进行，复合改性沥青加热温度175～180℃，拌合场出料温度170～175 ℃，摊铺温度控制在160～165 ℃。摊铺碾压工艺常规SBS改性沥青混合料无异。工程实践证明[13-15]，采用SEAM和SBS复合改性沥青混合料的生产不需要对传统的拌合楼进行改造，复合改性沥青混合料在运输、摊铺碾压和室内试验各项环节均满足现行施工技术规范的要求，相比SBS改性沥青混合料，使用SEAM与SBS复合改性方案可替代18%～20%的沥青，其初始造价可节省14元/m2。摊铺碾压完成后检测压实度、平整度等各项指标均符合设计要求。通过长达5年的试验路检测，20%SEAM+2.5%SBS复合改性沥青混合料有效地减少了沥青路面的车辙、水损害和开裂等早期破坏，2015年底进行了路况和路面病害调查，试验段上基本没有明显的车辙和裂缝，路面使用状况良好。试验段检测结果表明，采用SEAM与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

6　结语

① SEAM硫磺改性剂可显著改善基质沥青的高温性能和温度敏感性，根据SEAM与SBS复合改性沥青的常规性能指标和PG分级试验结果，推荐SEAM 与SBS复合改性沥青中，SBS添加量为2.0%～2.5%，SEAM合理掺量为15%～20%。

② SEAM与SBS复配方案可节省沥青用量，同时降低SBS掺量，复合改性沥青混合料路用性能可达到甚至超过4.5%改性沥青混合料。SEAM与SBS复合改性沥青混合料具有优良的高温稳定性和抗疲劳性能，将SEAM与SBS复配，有助于提高沥青混合料综合路用性能和耐久性，具有较好的应用前景。

③ 将SEAM与SBS进行复配可充分利用其各自的技术性能优势，降低工程造价，相比SBS改性沥青混合料，使用SEAM与SBS复合改性方案可替代18%～20%的沥青，其初始造价可节省14元/m2试验路后期跟踪调查结果表明，采用SEAM与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济和社会效益显著。

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Study on Technical Performance of SEAM and SBS Compound Modified Asphalt and Its Mixture

LIU Haifang

(Dalian University of Technology City College, Dalian, Liaoning 116600, China)

In order to study the influence of SEAM and SBS content on technical performance of of Composite modified asphalt .In this article, change four kinds SEAM and SBS dosage, using 177 ℃viscosity, penetration, softening point and BBR, DSR test to determine the SEAM and SBS appropriate mix proportion. Using rutting, low temperature bending, immersion Marshall and freeze-thaw splitting, four point load control strain fatigue test to evaluate the comprehensive composite modified asphalt road use performance and fatigue durability. Test results show that: on the basis of regular performance index of the SEAM and SBS composite modified asphalt and PG grading test results, recommended SEAM and SBS composite modified asphalt in the SBS adding amount was 2.0%～2.5%, SEAM reasonable dosage is 15%～20%. SEAM and SBS composite modified asphalt mixture has good high temperature stability and anti-fatigue performance, the SEAM is help to improve the asphalt mixture with SBS to comprehensive road use performance and durability. Using SEAM and SBS composite modified method could replace 18%～20% of the asphalt, and reduce the dosage of SBS. Test road tracking survey results show that the SEAM and SBS composite modified asphalt concrete to extend the service life of the road, economic and social benefit is remarkable, the popularization and application prospect.

road engineering; sulphur extended asphalt mixture composite modified asphalt; composite modified asphalt mixture; road performance

2016 — 03 — 21

国家自然基金项目(51312730)

刘海芳(1980 — )，女，辽宁葫芦岛人，讲师，硕士。研究领域：结构工程。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0112 — 06