TB与SBS复合改性沥青及其混合料性能研究

魏相荣

(根河公路养护管理处， 内蒙古 呼伦贝尔 022350)



TB与SBS复合改性沥青及其混合料性能研究

魏相荣

(根河公路养护管理处， 内蒙古 呼伦贝尔 022350)

评价了SBS、Terminal Blend胶粉掺量对Terminal Blend/ SBS复合改性沥青性能的改性效果和改性机理，研究了SBS与TB复合改性沥青混合料的路用性能、抗疲劳性能和长期使用性能。试验结果表明：SBS与TB复合改性剂对于石油沥青的改性效果不是简单的叠加，而是非线性的增强作用。增大SBS掺量能有效提高复合改性沥青的软化点、延度和PG高温分级，降低其针入度，增大TB胶粉有效改善了复合改性沥青的低温性能，SBS与TB复合改性沥青兼顾了TB改性沥青混合料优良的低温性能、抗疲劳性能以及SBS改性沥青混合料优良的高低温、水稳定性和抗疲劳性能。推荐用于TB与SBS复合改性沥青中适宜的SBS掺量为2%～3%，TB胶粉掺量为15%～20%。3%SBS+15%TB、2.5%SBS+18%TB、2.0%SBS+20%TB 3种复配方案的低温抗裂性能是SBS改性沥青混合料的1.58、1.63、1.61倍，高温性能可与4.5%SBS相媲美。工程实践表明，SBS/TB复合改性沥青混凝土可比4.5%SBS改性沥青混凝土节省造价约13%，2.5%SBS+18%TB、3%SBS+15%TB 2种复配方案抗疲劳性能和高低温性能均优于SBS改性沥青混合料，Terminal Blend/SBS复合改性沥青混合料推广、应用前景广阔。

道路工程； SBS和TB胶粉复合改性沥青； 路用性能； 改性机理

0 引言

目前国际公认的降橡胶沥青应用于沥青路面中具有优良低温性能、自愈合性能、疲劳韧性、降噪、除冰和再生环保性能优势，能减少废旧轮胎造成的黑色污染、加大资源的循环使用、改善路面受力状态，抗老化，延长使用寿命，降噪3-5 dB，减振，行车舒适，是真正意义上的绿色环保型路面。橡胶沥青路面技术已经形成较为完善的湿法、干法、和Terminal Blend三大工艺。橡胶粉改性沥青混合料技术相对成熟，但仍有不足。湿法橡胶粉改性沥青存在高温存储稳定性差、黏度大、易离析、质量不稳定，而传统干法改性工艺中橡胶粉仅作为一种填料，胶粉与沥青拌合时间较短的情况下，化学反应并不充分。此外无论是湿法还是干法，其对沥青混合料的高温性能改善效果均不明显，不能单独使用，这成为其规模化推广应用的技术瓶颈。为了解决湿法、干法橡胶沥青混合料存在的问题，国内外学者进行了大量关于橡胶粉与沥青储存稳定性、通过添加纤维、SBS、高模量剂等措施综合改善橡胶沥青路用性能方面的研究，取得了一些成果，使湿法橡胶沥青的性能得到提高，研究表明，掺加高模量剂、PE等添加剂虽能大幅度提高干、湿法橡胶沥青混合料的综合路用性能，但无法解决橡胶沥青黏度大、施工和异性差的问题，这导致施工现场橡胶沥青混合料难于压实、空隙率大，不利于其长期使用性能。Terminal Blend胶粉改性沥青是在美国发展起来的一种新型改性沥青，近年来国内也有大量生产。Terminal Blend胶粉改性沥青使用40目以下子午轮胎橡胶粉在高温(温度>180 ℃)、长时间剪发育和脱硫、裂解反应，所生产的橡胶沥青黏度与普通沥青无异。美国大量研究表明，Terminal Blend胶粉改性沥青的低温和抗疲劳性能优异，但因高温性能较差而不能单独使用。SBS改性剂是我国高等级公路运用最广的沥青改性剂，SBS改性沥青兼顾高低温性能、质量稳定、技术成熟、应用广泛，但其成本高，目前只是在大部分沥青路面上面层使用。本文针对TB胶粉高温性能差的技术缺陷，通过掺加SBS改性剂来解决，以充分利用Terminal Blend胶粉改性沥青的低温性能和抗疲劳性能，达到降低SBS改性剂掺量的目的，为Terminal Blend胶粉改性沥青在极端气候条件下的推广应用提供借鉴。

1 原材料性能及复合改性沥青制备

1.1 TB胶粉改性沥青

采用TB胶粉沥青是由AH70#基质沥青、内掺40目硫化橡胶粉，经美国产的Terminal Blend无搅拌湿法改性工艺制备，TB沥青性能测试结果见表1。

表1 TB胶粉沥青性能Table1 TBmodifiedasphaltperformance橡胶粉掺量/%25℃针入度/(0.1mm)软化点/℃135℃黏度/(Pa·s)15℃延度/cm48h软化点差/℃07248.31.027>1000.41069.352.41.144>1000.31566.354.21.156>1000.21864.356.81.243>1000.22062.857.81.269>1000.32260.458.31.286>1000.2

1.2 SBS改性剂

采用岳阳石化生产的YH4302星形SBS改性剂，经检测SBS改性剂各项技术参数均满足规范要求

1.3 TB与SBS复合改性沥青制备

制备TB与SBS复合改性沥青的主要步骤： ①将不同胶粉掺量的TB改性沥青加热至180 ℃； ②加入预定质量的SBS改性剂(2%～3%)， ③待SBS全部加入后保持175～180 ℃溶胀30 min，以4 800 r/min速率剪切45 min； ④加入0.5%硫磺稳定剂和0.2%交联剂； ⑤在180 ℃条件下发育2 h。

2 Terminal Blend/SBS复合改性沥青性能

采用SHRP提出的BBR和DSR试验研究添加不同SBS、TB剂量后复合改性沥青的PG分级，同时采用针入度评价指标中的黏度、软化点、弹性恢复率指标综合评价SBS和TB胶粉掺量对复合改性沥青高低温性能的改善效果。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相关规范、规程执行。不同改性剂掺量Terminal Blend/SBS复合改性沥青高低温性能试验结果见图1～图3和表2、表3。

图1～图3、表2、表3试验结果表明： ①在相同TB胶粉掺量情况下，随着SBS掺量增大，TB/SBS复合改性沥青软化点呈二次函数关系增大，DSR抗车辙因子随SBS掺量增大呈线性函数关系增大。相同SBS掺量，随着TB胶粉掺量增大，复合改性沥青软化点和抗车辙因子呈线性函数关系增大，方差分析结果表明TB胶粉和SBS改性剂掺量均对复合改性沥青高温性能有显著影响，SBS掺量对高温性能的影响显著性大于TB胶粉改性沥青。 ②以反映TB胶粉/SBS复合改性沥青低温性能指标5 ℃延度、BBR试验劲度模量S及蠕变斜率m来看，随着TB胶粉和SBS改性剂掺量增大，复合改性沥青的5 ℃延度、m随SBS掺量均呈二次函数增大，劲度模量随SBS掺量增大呈线性关系减小，TB胶粉、SBS改性剂掺量均对复合改性沥青低温性能有显著影响。 ③随着SBS掺量增大复合改性沥青黏度呈二次函数关系增大，TB胶粉掺量增大复合改性沥青黏度呈线性函数关系增大，黏度越大在高温荷载作用下的剪切变形越小，但是黏度增大沥青混合料的施工和易性变差，施工难度增大，参考沥青路面施工技术规范对SBS改性沥青黏度要求不大于3 Pa·s，同时考虑到国内外对橡胶粉改性沥青旋转黏度2.5～4.0 Pa·s的技术要求，以黏度上限3.0 Pa·s作为评判标准，复合改性沥青方案中TB胶粉掺量不宜超过22%，SBS掺量不宜超过3%，推荐适宜的SBS掺量为2%～3%，TB胶粉掺量为15%～20%。 ④分析TB与SBS复合改性沥青的改性机理，由图4荧光显微镜图像可见，TB胶粉在硫化、降解物理化学反应的同时吸收了基质沥青轻质组分经硫化、枝结物化反应后SBS、TB胶粉、基质沥青三者之间空间网状结构交联紧密，形成了均匀、致密的热稳定体系，SBS改性剂、交联剂、硫磺稳定剂的掺加使得TB胶粉硫化反应、支链结枝反应更加充分，微观形貌更加丰富，TB与SBS共混后形成的共织网状结构更加发达，宏观表现为改性沥青的高低温性提高。

图1 不同SBS和TB掺量软化点试验结果Figure 1 Softening point test results with different TB and SBS additive

图2 不同SBS和TB掺量延度试验结果Figure 2 Ductility test results with different TB and SBS additive

图3 不同SBS和TB掺量黏度试验结果Figure 3 Viscosity test results with different TB and SBS additive

表2 不同SBS和TB掺量DSR试验结果Table2 DSRtestresultswithdifferentTBandSBSadditiveSBS掺量/%TB橡胶粉掺量/%抗车辙因子G/sinδ5864707678840102.7721.0390.672153.7501.1820.743183.8351.2240.868203.9831.3670.899224.1941.4890.9222.0103.1831.9761.0700.760155.2824.5392.9401.5330.923186.5995.2303.6862.8111.8660.833207.3196.2964.4433.4641.9440.914229.0887.2945.2144.1042.0261.1222.5103.5392.1961.1900.831155.8735.0473.2691.7051.0270.501187.3395.5954.0993.1252.0751.148208.1395.8954.9413.8522.1611.237229.6858.0925.6214.4812.6021.3113.0106.9295.6123.6362.3571.5681.098157.3435.9863.9962.7892.0031.103188.2856.2214.5593.4752.3081.277209.4496.5555.4954.2842.4031.375229.8248.4225.7944.6052.7011.4124.5%SBS7.6035.8043.9692.5591.8770.934

表3 不同SBS和TB掺量BBR试验结果Table3 BBRtestresultswithdifferentTBandSBSadditiveSBS掺量/%TB橡胶粉掺量/%-12℃-18℃-24℃S/MPamS/MPamS/MPam0103570.1695510.105153330.1934420.121182980.2293930.146202460.3183340.187222130.3323130.2312.0103070.2223820.143152680.2763570.200182480.3273300.2445250.127202200.3642790.2764570.191221830.3932440.3164230.2322.5102960.2563340.269152570.2802880.2974880.212182200.3352520.3214490.221201910.3632240.3533960.252221620.3822000.3743540.3023.0102760.2733040.286152430.3202680.3254390.308182130.3782360.3484110.322201930.4022160.3723810.343221640.4491880.3963320.3614.5%SBS改性沥青1840.4102860.3873610.322

(a) 10%TB(b) 20%TB

(c) 15%TB +2%SBS(d) 20%TB+2%SBS

(e) 15%TB +3.0%SBS(f) 20%TB+3%SBS

(g) 3.0%SBS(h) 6%SBS

Figure 4 Fluorescence microscope images of TB and SBS composited modified asphalt

综上可知：增大SBS掺量可显著改善复合改性沥青的高温PG分级，增大TB胶粉掺量可显著提高复合改性沥青的低温PG分级，提高TB和SBS掺量后有助于提高沥青复合改性的高低温性能，SBS与TB胶粉复合改性沥青的PG分级和针入度指标均可达到甚至超过4.5%SBS改性沥青。考虑到复合改性沥青的经济性，以满足SBS改性沥青I-C技术指标要求为基准，可优选出3种SBS与TB胶粉复配方案，即：3%SBS+15%TB胶粉(复配方案I)、2.5%SBS+18%TB胶粉(复配方案II)、2%SBS+20%TB胶粉(复配方案III)。下文将重点探讨I、II、II复配方案下沥青混合料的路用性能。

3 TB与SBS复合改性沥青沥青混合料性能

TB与SBS复合改性沥青性能指标满足要求并不能确保其沥青混合料性能一定最佳，沥青混合料的使用性能最终要以TB与SBS复合改性沥青混合料的路用性能来体现。本文采用我国高等级公路上面层常用的AC-16C级配类型，进行了TB与SBS复合改性沥青(3种复配方案)、SBS改性沥青(4.5%SBS掺量)、TB改性沥青(20%胶粉掺量)5种改性沥青混合料路用性对比研究。

3.1 马歇尔试验

试验原材料来源于施工拌合厂现场，玄武岩采用粗集料，细集料选用石灰岩。根据粗细集料筛分试验结果确定混合料合成级配见图5，采用马歇尔法确定5种改性沥青混合料的最佳沥青用量，试验方法严格按照相关规范、规程执行。马歇尔试验结果见表4。

3.2 Terminal Blend/SBS复合改性沥青混合料路用性能

采用车辙、低温弯曲、浸水马歇尔和冻融劈裂试验检验同体积参数最佳马歇尔设计设计条件下SBS/TB复合改性沥青混合料路用性能，试验方法和试验条件严格按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)和《沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)执行，路用性能试验结果见表5～表7。

图5 AC-16C级配曲线Figure 5 Graduation curve of AC-16C

表4 马歇尔试验结果Table4 Marshalltestresults改性沥青类型OAC/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kN20%TB5.564.014.772.811.33%SBS+15%TB(复配方案I)5.714.014.472.211.92.5%SBS+18%TB(复配方案II)5.974.014.873.012.42%SBS+20%TB(复配方案III)6.104.014.772.812.64.5%SBS4.724.014.672.612.1

由表5～表7路用性能试验可知： ①20%TB改性沥青混合料动稳定度为2 782次/mm，不满足规范大于3 000次/mm的要求，因此对高温性能要求高的季冻区TB胶粉改性沥青不能单独使用，需采取复合改性方案。掺加SBS改性剂后，TB改性沥青混合料的车辙试验动稳定度显著增大，3种SBS与TB复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度均优于SBS改性沥青混合料，可见采用SBS与TB复合改性沥青混合料具有优良的高稳定性。 ②相比TB、SBS单一改性沥青混合料，采用TB和SBS复配方案后沥青混合料抗弯拉强度增大和弯曲应变均增大，同时弯曲劲度模量减小，TB与SBS复配后沥青混合料的低温性能优于二者的单一改性沥青混合料，3种SBS与TB复合改性沥青混合料的低温性能均优于SBS改性沥青混合料，远大于规范弯拉应变≥3 000 με的要求，3%SBS+15%TB、2.5%SBS+18%TB、2.0%SBS+20%TB3种复配方案弯拉应变分别是SBS改性沥青混合料的1.58、1.63、1.61倍，可见TB与SBS复合改性沥青混合料具有优良的低温抗裂性能，特别适用于季冻区、冬严寒区和大温差区。 ③在15%～20%TB和2%～3%SBS掺量范围内，3%SBS+15%TB、2.5%SBS+18%TB、2.0%SBS+20%TB胶粉3种复配方案的改性沥青混合料浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均可达到85%以上，满足规范要求。可见采用TB与SBS复配方案可改善沥青混合料的水稳定性，复合改性沥青混合料的水稳定性优于TB和SBS单一改性沥青混合料，这主要与TB胶粉提高了沥青与集料之间的粘附性，TB胶粉与SBS所形成的共织网状结构改善了沥青胶浆的破坏强度有关。

表5 车辙试验结果Table5 Ruttingtestresults改性沥青动稳定度DS/(次·mm-1)60min车辙变形量/mm技术要求20%TB27821.9123%SBS+15%TB56541.6262.5%SBS+18%TB52571.6682%SBS+20%TB47581.7124.5%SBS46981.778DS≥3000次/mm

表6 低温弯曲试验结果Table6 Lowtemperaturebendingtestresults改性沥青破坏强度/MPa最大弯曲应变/με劲度模量/MPa技术要求20%TB10.7833533215.033%SBS+15%TB12.2556692160.872.5%SBS+18%TB12.1759372049.862%SBS+20%TB11.8957682061.374.5%SBS11.6235753250.35弯拉应变≥2800με

表7 水稳定性试验结果Table7 Waterstabilitytestresults改性沥青浸水马歇尔试验结果冻融劈裂试验结果MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%20%TB11.159.3483.81.1070.90481.73%SBS+15%TB11.8711.2494.71.2151.12392.42.5%SBS+18%TB12.1711.6095.31.1781.07991.62%SBS+20%TB12.6711.8693.61.1641.07292.14.5%SBS12.3511.6294.11.1991.09291.1技术要求MS0≥85%TSR≥80%

4 Terminal Blend/SBS复合改性沥青混合

料疲劳耐久性

采用美国进口的MU-610疲劳试验机进行四分点加载控制应变小梁弯曲疲劳试验，试件由双层车辙板切割而成，尺寸为300 mm(宽)×400 mm(长)×60 mm(高)，试验温度为15 ℃，200、300、400、500 με共4个应变水平，每个应变进行三组平行试验(仅列举试验结果)，试验结果见表8。

表8 疲劳试验结果Table8 Fatiguetestresults改性沥青应变水平/με200300400500拟合方程20%TB74142101193699295687116970y=5.586×1016(1/ε)4.281(R2=0.997)3%SBS+15%TB80121301169250338393129341y=5.683×1016(1/ε)4.209(R2=0.979)2.5%SBS+18%TB81526631455204404802163460y=5.718×1016(1/ε)4.204(R2=0.993)2%SBS+20%TB78863091367415398027152816y=5.621×1016(1/ε)4.211(R2=0.966)4.5%SBS79762981219710353912135545y=5.482×1016(1/ε)4.271(R2=0.986)

表8试验结果表明：相同应变水平下5种改性沥青混合料疲劳寿命由大到小依次是：2.5%SBS+18%TB>3%SBS+15%TB>2.0%SBS+20%TB>4.5%SBS>205TB改性沥青，可见TB与SBS复合改性沥青混合料的疲劳性能要优于TB胶粉和SBS单一改性沥青混合料，且优于SBS改性沥青混合料，TB与SBS复合改性沥青混合料具有优良的抗疲劳性能，这主要是TB胶粉与SBS所形成的共织网状结构中TB胶粉增加了混合料的柔性、释放荷载的能力以及自愈合性，而SBS改性剂中的柔韧性使得混合料抗疲劳性能大幅度提高。

5 实体工程

本课题结合2012年吉林长春某绕城高速公路加铺改造工程进行了5 cm 2.5%SBS+18%TB、3%SBS+15%TB复合改性沥青混合料AC-16C上面层铺设，2种改性沥青混合料的试验段长度各为500 m。工程实践证明，采用TB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，有效减少了SBS改性沥青掺量1%～2%，同时实现了废橡胶粉的重新利用，相比4.5%SBS改性沥青混合料可节约工程成本13%。通过长达近4 a的试验路跟踪检测，2.5%SBS+18%TB和3%SBS+15%TB复合改性沥青混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见采用TB与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济和环保效益显著，具有广阔的推广应用前景。

6 结论

① 基于SBS/TB胶粉复合改性沥青的针入度体系和PG分级双指标控制试验结果，考虑工程的经济性，推荐用于TB与SBS复合改性沥青中适宜的SBS掺量为2%～3%，TB胶粉掺量为15%～20%。

② 优选出了3%SBS+15%TB、2.5%SBS+18%TB、2%SBS+20%TB 3种TB/SBS复配方案。TB胶粉显著改善了SBS/TB复合改性沥青的低温性能、抗疲劳性能和释放荷载的能力及自愈合性能，SBS改性剂决定了SBS/TB复合改性沥青的高温PG分级，对复合改性沥青混合料的高温性能有显著的改善作用，SBS与TB复合改性沥青是一种高、低温性能兼顾的产品，其高低温性能均优于SBS、TB单一改性沥青。

③ 将TB与SBS复配有助于提高沥青混合料综合路用性能和抗疲劳性耐久性，SBS/TB复合改性沥青混合料具有优良的路用性能，兼顾高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能，TB与SBS复配后可降低SBS掺量，SBS/TB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，3%SBS+15%TB、2.5%SBS+18%TB、2.0%SBS+20%TB 3种复配方案弯拉应变分别是SBS改性沥青混合料的1.58、1.63、1.61倍，TB+SBS复合改性沥青混合料在季冻区、冬严寒区及宽温域沥青混合料中推广应用前景广阔。

④ TB与SBS复合改性沥青混合料抗疲劳性能优异，综合考虑高低温性能、水稳定性和疲劳性能，5种改性沥青混合料使用性能优劣依次是3%SBS+15%TB>2.5%SBS+18%TB>4.5%SBS>2.0%SBS+20%TB>20%TB。

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Asphalt and Mixture Performance TB and SBS Compound Modified

WEI Xiangrong

(Root River Highway Maintenance Management Office， Hulunbeir， Inner Mongolia 022350， China)

Evaluation of SBS，Terminal Blend powder content of Terminal Blend/SBS modification effect and the mechanism of the composite modified asphalt performance，SBS was studied with TB composite modified asphalt mixture of road performance，anti-fatigue performance and long-term performance.Experimental results show that the SBS composite modifier of asphalt modified with TB effect is not a simple stack，but nonlinear enhancement effect.Increase of SBS content can effectively improve the softening point，ductility of composite modified asphalt PG grade of high temperature，and reduce its penetration，increase TB powder can improve the low temperature performance of composite modified asphalt and SBS composite modified asphalt with TB for the TB modified asphalt mixture good low temperature performance，fatigue performance and good high and low temperature in SBS modified asphalt mixture，water stability and anti-fatigue performance.Recommended for TB and SBS composite modified asphalt in the suitable dosage of SBS is 2%～3%，TB powder content is 15%～20%.3% SBS+15%，2.5% SBS+18% of TB TB，2.0% SBS+20% TB 3 kind of scheme of low temperature anti-cracking performance of SBS modified asphalt mixture 1.58，1.63，1.61 times，high temperature performance is equivalent to that of 4.5% SBS.Engineering practice shows that the SBS/TB composite modified asphalt concrete than 4.5% SBS modified asphalt concrete save cost about 13%，2.5%，3% SBS+15% SBS+18% TB TB2 kind of compound with high fatigue resistance and low temperature performance is superior to SBS modified asphalt mixture，Terminal promotion Blend/SBS composite modified asphalt mixture，the application prospect.

road engineering； TB powder and SBS composite modified asphalt； road performance； modification mechanism

2016 — 08 — 04

魏相荣(1977 — )，内蒙古莫力达瓦达斡尔族自治旗人，工程师，主要从事公路施工及养护方面的工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0249 — 07