岩沥青-丁苯橡胶复合改性沥青路用性能研究

2020-06-05陈凯何霁微

中外公路 2020年2期

陈凯, 何霁微

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南岳阳 414000)

沥青路面由于使用沥青作为结合料增强矿料间的黏结力，保证了其高性能。但沥青材料的物理力学性质受气候和时间因素的影响很大，近年来气候环境的剧烈变化使沥青混合料的性能加剧恶化，降低了沥青路面的使用性能。同时，随着交通荷载的复杂化，沥青路面承受重载和超载进一步加剧了沥青路面使用性能的衰减速度，基质沥青已经满足不了现代交通的需求。因此，改性沥青广泛应用于道路建筑中以保证沥青路面优良的路用性能和耐久性。

岩沥青是一种天然沥青，主要成分为沥青和灰分，作为改性剂广泛应用于道路材料中。岩沥青与基质沥青的相溶性好, 能促进基质沥青将岩沥青与集料充分裹覆，起到加强沥青与集料黏附性的效果。且其因储量较为丰富、施工工艺简单、价格低廉等优点受到越来越多的关注。已有研究表明：岩沥青能显著改善沥青混合料的高温性能。另外，岩沥青具有较高的含氮量，在高温时能够抵抗氧化性环境腐蚀作用，以延缓沥青及沥青混凝土材料衰老及老化，从而延长设计年限及使用年限。然而，岩沥青改性沥青的低温性能却随着岩沥青含量的增加而降低。因此采用一种改性剂在保留高温和抗老化性能优越性的同时又能改善岩沥青改性沥青的低温性能很有必要。

丁苯橡胶(SBR)是一种合成橡胶，具有粉末状SBR和乳胶状SBR两种类型。现有研究表明其低温改性效果较好。ShisongRen等通过BBR试验发现添加SBR胶粉可显著降低岩沥青改性沥青的蠕变刚度值，并提高岩沥青改性沥青的m值，表明添加SBR促进了岩沥青改性沥青的柔韧性和抗裂性，提高了岩沥青改性沥青的低温开裂性。同时，SBR作为一种聚合物改性沥青，其老化性能较差，尤其是热氧老化。这与岩沥青刚好形成互补。

基于此，该文采用两种SBR与岩沥青对基质沥青进行改性，拟开发一种兼顾高温性能和低温性能，且抗老化的复合改性沥青。已有研究表明：BRA最佳掺量为15%，该文取5种SBR掺量，分别为0%、2%、4%、6%和8%。通过高速剪切仪制备SBR-BRA复合改性沥青。采用旋转黏度仪、DSR、BBR试验研究TFOT和PAV处理前后改性沥青的性能，以揭示两种SBR对BRA改性沥青高温、低温性能、抗老化性能影响的差别，以及复合改性沥青路用性能随SBR掺量的变化规律，并综合比较得出SBR掺量的建议值。

1 材料与试验

1.1 试样制备

研究采用A-70#基质沥青。其基本性能指标如表1所示。岩沥青采用新疆岩沥青，其基本性能指标如表2所示。SBR1502胶粉和GM-1040SBR胶乳均产自天津市。SBR1502胶粉(以下记为SBRⅠ)为乳白色颗粒，GM-1040SBR胶乳(以下记为SBRⅡ)为淡黄色胶体，分子量为50 000。两种BRA-SBR复合改性沥青采用高速剪切仪制备。

表1 A-70#基质沥青基本性能参数

表2 新疆岩沥青基本性能参数

1.2 旋转黏度试验

在旋转黏度试验中，采用Brookfield Rotational Viscometer通过测量转子在沥青内旋转所需的黏性力矩来检测沥青的黏度。测量了两种BRA-SBR复合改性沥青的旋转黏度以评价沥青结合料的流动特性。试验温度分别为135、145、165和175 ℃。转速设定为10 r/min。

1.3 动态剪切流变试验

DSR测试用于评价沥青结合料的高温性能和抗老化性能。采用AntonPaar公司的SmartPave沥青动态剪切流变仪获得了所有样品未老化和RTFO老化后的抗车辙因子。测试程序遵循JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的规定。初始记录温度为46 ℃或52 ℃，每6 ℃为一间隔。

1.4 小梁弯曲试验

BBR试验通常用于获得劲度模量(S)和蠕变速率(m)两个指标来评价沥青长期老化后的低温性能优劣。对所有PAV老化沥青试样分别进行两种不同温度(-6、-12 ℃)的BBR试验。

1.5 老化试验

对沥青样品进行旋转薄膜烘箱(RTFO)和压力老化容器(PAV)试验模拟不同的老化条件，以进一步评价结合料的流变性能和抗老化性能。根据T0609-2011试验规程要求，首先将50 g沥青试样放入不锈钢盛样盘(d×h=140 mm×9.5 mm)中，在(163±1) ℃通风烘箱中以(5.5±1) r/min的转速旋转，经5 h后，测定沥青的各项指标变化。然后将薄膜烘箱试验(TFOT)残留物放入压力容器中处理20 h模拟长期老化。压力控制为(2.1 ±0.1) MPa，温度为90～110 ℃。

2 试验结果及分析

2.1 低温性能

采用低温弯曲梁试验评估不同类型SBR在不同掺量下对岩沥青改性沥青低温性能的影响，试验结果如图1所示。

图1 蠕变劲度模量S与m值随SBR掺量的变化

根据低温开裂机理，沥青低温流变性是影响沥青路面低温开裂性能最主要的因素。由图1可知：复合改性沥青的劲度模量和蠕变速率在-6 ℃时均满足SHRP要求(S<300 MPa且m>0.3)。通过对比不同SBR类型和掺量下BRA-SBR复合改性沥青可发现，BRA-SBRⅡ复合改性沥青的劲度模量小于BRA-SBRⅠ复合改性沥青，蠕变速率大于BRA-SBRⅠ复合改性沥青。这表明SBR胶乳对BRA改性沥青低温下应力松弛性能和柔性的改善效果要优于SBR胶粉。这可能与SBR胶粉中高丁二烯含量有关。以S值为例，随着胶乳掺量的增大，BRA-SBRⅡ复合改性沥青在-6 ℃的S值较单掺15%BRA改性沥青分别降低了14.5%、27.7%、48.6%、53.4%，表示随着胶乳掺量的增大，BRA-SBRⅡ复合改性沥青的低温弯曲柔性逐步提高。但在-12 ℃的低温下不是所有样品的S和m都符合最低规定值。对于BRA-SBRⅠ而言，所有掺量均未达到温度为-12 ℃的最低要求标准，SBRⅡ在低掺量时也得到同样的结果。但结果表明：当SBRⅡ掺量达到6%时，S和m已均能满足标准要求，这意味着高掺量的SBRⅡ能弥补BRA改性沥青低温性能不良的缺点，且改善效果明显。

2.2 高温性能

通过布氏旋转黏度指标初步评价不同类型SBR在不同掺量下对岩沥青改性沥青高温性能的影响，试验结果如图2、3所示。

图2 黏度指标随SBR掺量的变化

由图2可知：在4个试验温度下，BRA-SBRⅠ复合沥青的布氏旋转黏度相比BRA改性沥青都增大,说明SBRⅠ的加入使得沥青混合料的抗高温变形能力增强。且随着SBR掺量的增加黏度持续增加。其原因之一是SBR胶粉吸收沥青中的油分使沥青质间的距离缩小, 从而改变了沥青的黏度。

复数剪切模量值越大，表明沥青的劲度模量越大，因此其抵抗变形的能力越强。由图3可得：当温度升高时,沥青的剪切模量都呈现迅速下降的趋势。这是沥青从低温的高弹态向高温的黏流态逐渐转化的过程，说明在温度较高的情况下沥青的抗永久变形能力变差。因此, 高温条件下沥青路面更易发生车辙现象。而在相同温度下，两种复合改性沥青呈现出不同的变化趋势。BRA-SBRⅠ复合改性沥青的剪切复数模量总体均大幅提高，如在64 ℃时，当SBR胶粉掺量达到6%时，其复数模量有了明显的增大，当掺量为8%时其甚至提高至BRA改性沥青的2～3倍，说明其高温性能显著提高。

图3 复数剪切模量随SBR掺量的变化

2.3 抗老化性能

所有沥青样品老化前后的抗车辙因子如图4所示。

由图4可知：

(1) 短期老化后复合改性沥青的G*/sinδ比BAR沥青大。表明即使在短期老化后，抗车辙性能依旧得到显著改善。而BRA-SBRⅡ复合改性沥青的变化规律先增加后减小，且增减幅度较小。说明SBRⅡ的加入对BRA改性沥青的高温性能影响不大，但掺量过高时会略微降低BRA改性沥青的高温抗变形能力。

(2) 复合改性沥青的车辙因子随着温度的增加而减小，温度为52～64 ℃时，复合改性沥青的车辙因子下降较快，随着温度继续增加，不同掺量的差异减小，表明在高于64 ℃后沥青车辙因子受温度影响减小。与复数剪切模量的变化一致，在相同温度下，掺量越大的SBRⅠ具有更大的车辙因子，表明其具有更好的高温性能。当试验温度为76 ℃时，BRA改性沥青的车辙因子为0.78 kPa,已低于规范中规定的1.0 kPa的要求。而当SBR胶粉掺量达到8%时，BRA-SBRⅠ复合改性沥青在82 ℃时的车辙因子仍略高于1.0 kPa，表明复合改性沥青具有更好的高温性能。而BRA-SBRⅡ车辙因子与复数剪切模量变化一致。表明SBRⅡ的加入仅能保持岩沥青改性沥青优良的高温性能，且掺量较大时会略微降低其高温抗变形能力。

图4 老化前后BRA试验结果

沥青结合料短期老化后的性能决定了沥青混合料在路面中的性能。老化机制倾向于改变沥青的物理和化学性质，这反映在其流变性质的变化上。经RTFO老化后，添加不同SBR掺量的复合改性沥青的G*/sinδ较BRA改性沥青增大了,这与老化期间发生硬化现象有关。老化前BRA-SBRⅠ、掺量复合改性沥青在SBRⅠ为2%、4%、6%、8%时，64 ℃车辙因子相比BRA改性沥青分别增加21.2%、52.3%、122.2%、179.4%。老化后BRA-SBRⅠ复合改性沥青车辙因子相比BRA改性沥青分别增加15.7%、44.3%、112.7%、160.2%。增幅较老化处理前有所下降，表明老化过程降低了沥青黏合剂的高温性能。