不同类型SBS/橡胶粉复合改性沥青流变性能研究

王朝军 张星宇,2 杨平文,2 马晓燕 南兵章,2

（1甘肃路桥建设集团养护科技有限责任公司，甘肃 兰州 730050；2公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，甘肃 兰州 730050；3长安大学材料科学与工程学院，陕西 西安710061）

0 前言

高速公路网及城市主干道建设发展对改性沥青的性能要求越来越高。在国内常见的沥青改性剂中，SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性剂因其在相容性及改性效果方面出色的表现，已经成为改性沥青市场占有率最大的改性剂。然而，由于SBS改性剂在应用过程中存在价格昂贵、易老化等缺点，因此在道路工程的实际应用中受到了制约。

在沥青改性中将来源广泛、成本低廉的废旧轮胎橡胶粉作为聚合物改性剂，既可以减少环境污染，又可以提高沥青的性能。越来越多的道路工作者聚焦橡胶沥青路用性能的研究。郭朝阳、曹荷红等的研究表明，橡胶沥青拥有良好的降噪和抗紫外老化特性[1-3]。谭忆秋、周纯修认为橡胶沥青路面具有显著的融雪抑冰效应[4]。虽然橡胶粉对沥青性能的改善效果显著，但当橡胶粉含量较低时，改善效果并不明显，当含量过高时，改性沥青的粘度过大，施工困难[5]。综合上述问题，结合SBS和橡胶粉的特点，沥青复合改性已日益成为道路材料研究和应用的热点[6-8]。然而，目前大量研究集中于复合改性沥青的针入度、软化点和混合料性能，而未对复合改性沥青的流变性能以及组成材料对其流变性能的影响进行深入分析。

SBS/橡胶粉复合改性沥青不仅保留了橡胶沥青的特点，也结合了SBS改性沥青的优点，对沥青的高低温性能均有显著提升[6]，因此，SBS/橡胶粉复合改性沥青成为研究改性沥青的一个重要方向。目前，我国对SBS/橡胶粉复合改性沥青性能的研究大部分仍停留在177℃布氏旋转粘度和软化点等常规指标，但SBS改性剂类型对SBS/橡胶粉复合改性沥青性能影响的研究少有提及。本研究选用废旧轮胎橡胶粉和不同类型SBS改性剂复合制备改性橡胶沥青，并对SBS/橡胶粉复合改性沥青60℃重复蠕变进行研究，并将试验结果用Burgers模型分析SBS改性剂类型对其力学性能的影响。研究成果具有较强的实用意义，可指导SBS/橡胶粉复合改性沥青的原材料选择及工艺优化。

1 实验

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

1.1.1.1 基质沥青本研究采用SK-90号基质沥青，其组分比例和测试结果见表1。

表1 基质沥青四组分及性能测试结果

1.1.1.2 SBS改性剂及橡胶粉

本研究采用T-161B、4303、6302及YH-791共4种SBS改性剂，由独山子石化、燕山石化和岳阳石化生产，其中星型改性剂包括4303与T-161B，线性改性剂包括6302和YH-791。废旧轮胎胶粉则使用武威裕鑫橡胶制品厂生产的40目硫化橡胶粉。

1.1.2 仪器设备

设备包括：JJ2000B电子天平，101-3A电热鼓风干燥箱，电阻炉，JJ—1增力电动搅拌器，FM300高剪切分散乳化机，SYD-4508F沥青延伸度测定器，SYD-2806E沥青软化点仪，SYD-2801F沥青针入度试验器，RVDV-II+Pro布氏旋转粘度仪，HR-1动态剪切流变仪。

1.2 实验过程

因SBS改性剂在沥青中需经过高速剪切才能分散均匀，本研究采用先剪切后搅拌发育的方式制备SBS/橡胶粉复合改性沥青，即先将2%SBS（外掺）添加到180℃的基质沥青中，采用4000r/min的转速高速剪切45min后停止，之后将称好的18%胶粉（外掺）缓慢加入剪切完毕的SBS改性沥青中，将沥青快速升温到190℃后搅拌发育1h，停止搅拌保温待用。

1.3 Burgers模型及重复蠕变试验

1.3.1 重复蠕变试验

沥青是道路工程中应用相当广泛的粘弹性材料，能够在较宽的路面温度范围内保持粘性和弹性共存的特性，因此，采用粘弹性理论分析沥青的力学响应得到道路工作者的普遍认可[9]。1992年，美国公路科研的SHRP计划提出了Superpave体系，即采用沥青材料的复数模量（G*）与相位角的正弦（sinδ）的比值评价其高温性能的胶结料分级体系，但新的研究表明，G*/sinδ作为评价沥青胶结料的高温性能的指标存在缺陷[10-11]。随后，美国联邦公路局进行了加速加载足尺试验（ALF），结果表明，ALF的车辙深度与Superpave高温性能参数车辙因子（G*/sinδ）的相关性较差，其与64℃车辙因子的相关系数R2仅为0.13，而基于多重应力蠕变回复试验（MSCR）的不可回复蠕变柔量Jnr与ALF的车辙深度却有良好的相关性，相关系数R2高达0.82，Jnr准确表征了联邦公路局ALF试验段沥青混凝土路面抗车辙性能的性能等级[12]。

本研究采用加载1s、卸载9s（或加载2s、卸载18s，加载3s、卸载27s），共循环加载100次，得到其重复加载-恢复的过程图（图1），之后通过Burgers流变模型拟合试验第50次和第51次的结果，最终计算得到蠕变柔量（Jv）。

图1 重复蠕变试验加载模式示意图及变形曲线

1.3.2 Burgers模型

Burgers模型通常由一组Kellvin模型（G1,η1）和Maxwell模型（G0,η0）构成，其中G1,η1表征Kelvin中的弹性成分和粘性成分，而G0,η0则代表Maxwell模型中的弹性成分和粘性成分。因此，沥青材料对重复蠕变响应的拟合计算包括瞬时弹性变形、滞后弹性变形和粘性变形。

Burgers模型的本构方程如下：

式中：γ为剪应变；τ0为恒定的剪应力，Pa；G0为Maxwell模型中的弹性模量，Pa；η1为Kelvin模型中的粘性系数，Pa.s；η0为Maxwell模型中的粘性系数，Pa.s；t为蠕变时间，即加载时间，蠕变柔量Jv=t/η0。

通过数学变换后的Burgers模型的本构方程可以直接拟合计算蠕变柔量，进而可用Gv=1/Jv反映沥青材料蠕变劲度模量的粘性成分，评价沥青材料的高温抗车辙能力[13]。

图2 Burgers模型

图3 蠕变-恢复过程中应变-时间关系曲线

2 结果与讨论

2.1 常规试验比较

采用18%外掺橡胶粉，分别添加2.0%的4303、T-161B、YH-791及6302进行复合改性，实验检测结果如表2及图4所示：

表2 不同改性沥青试验结果

图4 不同改性沥青试验结果

结果显示，SBS改性沥青常规指标较复合改性沥青有显著优势，复合改性沥青表现为延度、软化点及针入度显著减小，而布氏粘度显著增大，且星型改性剂的效果更显著。在SBS/橡胶粉复合改性沥青中，SBS改性剂与橡胶粉的相容性相对较差，使得部分SBS改性剂在沥青中呈絮状、粒状分布，因此降低了SBS改性剂的改性效果，即SBS/橡胶粉复合改性沥青的常规指标差于SBS改性沥青。

就星型、线型SBS改性剂而言，星型改性剂在复合改性沥青高温性能方面的改善效果明显优于线性改性剂。同为星型改性剂，嵌段比20/80的T161B对复合改性沥青高温性能提升的幅度大于嵌段比30/70的4303；同为线性改性剂，嵌段比30/70的YH-791对复合改性沥青高温性能方面的提升高于嵌段比20/80的6302。软化点排序如下：SBS改性沥青＞T161B＞4303＞YH-791＞6302。因星型SBS改性剂分子结构中具有更多交联点，即与SBS分子及橡胶粉结合更紧密，故星型SBS改性剂比线性改性剂具有更好的高温性能；同时，SBS改性剂性能呈现两相分离状态，即SBS分子中聚苯乙烯其物理交联作用，在一定范围内苯乙烯嵌段含量越高，交联作用越强，即高温性能越好，而在一定范围内乙二烯嵌段含量越高，其交联作用越弱，即低温柔韧性愈好。

在低温性能方面，线型改性剂YH-791与6302对复合改性沥青低温性能的改善效果显著优于星型改性剂T161B和6302。同为线型改性剂，嵌段比30/70的YH-791对复合改性沥青低温延度效果大于嵌段比20/80的6302；同为星型改性剂，嵌段比20/80的T161B对复合改性沥青低温延度效果大于嵌段比30/70的4303。因线性SBS改性剂较星型改性剂的交联点相对较少，其低温延展性也更好，所以线性改性剂的低温性能优于星型改性剂；而在一定范围内乙二烯嵌段含量越高，其交联作用越弱，即低温柔韧性愈好。

上述分析表明，复合改性沥青常规指标明显差于SBS改性沥青；在SBS掺量相同情况下，由星型改性剂制备的复合改性沥青高温指标优于线性改性剂，而低温性能方面则是线性改性剂制备复合改性沥青优于星型改性剂。

2.2 重复蠕变试验结果比较

对SBS改性沥青（SBS掺量4.5%，质量分数）和SBS复合改性沥青（SBS掺量2.0%，外掺18%胶粉，质量分数）等5种沥青进行60℃重复蠕变试验。试验数据采用数据处理软件Origin进行Burgers模型拟和，柔量实测与拟和曲线如图5所示。由图5可以看出，Burgers模型能够较好拟合以上5种改性沥青的蠕变过程。

图5 5种沥青的蠕变柔量实测值和拟合值

采用Burgers模型拟合参数η计算沥青在蠕变过程中的粘性变形模量GV，并根据重复蠕变-松弛曲线计算各种沥青的累积应变增长率k、累积变形με以及变形恢复率γL/γp，结果如表3及图6所示。

表3 不同沥青重复蠕变试验结果

图6 不同沥青重复蠕变试验结果

上述结果表明：

1）复合改性沥青的粘性变形模量GV明显高于SBS改性沥青，说明其高温性能较好，且星型SBS改性剂对复合改性沥青高温性能的改性效果优于线型SBS改性剂，5 种沥青高温性能由高到低排序如下：T161B＞4303＞YH791＞6302＞SBS改性沥青。

2）上述4 种复合改性沥青的k值总体均小于SBS改性沥青，改性沥青k值由高到低的排列顺序为：SBS改性沥青＞6302＞YH-791＞4303＞T-161B。

3）4 种复合改性沥青的累计变形显著低于SBS改性沥青，按蠕变累计变形从大到小排序如下：SBS改性沥青＞6302＞YH-791＞4303＞T-161B。

4）卸载过程中SBS改性沥青和复合改性沥青大部分变形都能恢复，但复合改性沥青在相同加载条件下的恢复能力较SBS改性沥青更强，由大到小排序如下：T-161B＞4303＞YH-791＞6302＞SBS改性沥青。

由于SBS改性剂与橡胶粉在沥青中相互交联形成节点，进而形成弹性空间网络结构，显著改善沥青的高温流变性能，表现为复合改性沥青流变性能优于SBS改性沥青。同时，星型SBS改性剂分子结构中具有更多交联点，即与SBS分子及橡胶粉结合更紧密，因此，T161B和4303复合改性沥青的流变性能优于YH-791和6302，即具有更好的高温抗变形能力。

综上所述，基于重复蠕变试验的4种评价指标一致表明复合改性沥青的高温抗变形能力明显优于SBS改性沥青，且星型SBS改性剂的改性效果明显优于线性SBS改性剂。

3 结论

通过分析聚合物改性沥青的改性机理，对比复合改性沥青和SBS改性沥青的常规指标性能和基于重复蠕变试验的高温流变力学性能，并对SBS改性剂结构差异对SBS/橡胶粉复合改性沥青高、低温性能的影响，得出以下结论：

1）复合改性沥青的常规指标较SBS改性沥青明显降低，具体表现在针入度、延度及软化点显著减小；且星型SBS改性剂在改善复合改性沥青高温性能方面的效果明显高于线性SBS改性剂，而其对复合改性沥青低温性能的改性效果则差于线型改性剂。

2）重复蠕变试验4种评价指标一致表明复合改性沥青的高温抗变形能力明显优于SBS改性沥青，且星型SBS改性剂的改性效果显著优于线性SBS改性剂。

3）通过对5种沥青常规指标与重复蠕变评价指标的对比分析，并结合相关沥青混合料试验，结果表明在评价复合改性沥青高温性能时，软化点与其高温性能的相关性较低，而重复蠕变试验的评价更客观。