TB复合高模量剂改性沥青的黏弹特性及混合料性能研究

任非

（河南科技大学应用工程学院，河南三门峡 472000）

0 引言

我国地域辽阔，南北气候差异大，在频发的高温、低温、降雨等极端气候条件和重载、超载车辆荷载综合作用下，导致大部分地区沥青路面在服役期间普遍产生剪切失稳型车辙、低温开裂和疲劳开裂病害。因此，通过掺加改性剂或添加剂因地制宜地改善沥青路面的特殊功能需要是道路工作者的研究热点[1-3]。在此背景下，性能优良、性价比高的TB胶粉改性沥青和高模量沥青混凝土逐渐得到推广应用。实体工程多年的跟踪检测结果表明，高模量沥青混凝土特别适用于高温多雨地区急弯陡坡、城市道路平交口、重载道路货车道等抗车辙、抗疲劳性能要求高的路段，并表现出了优异的抗车辙、抗疲劳和抗水损害性能，极大延长了重载道路沥青路面的大中修周期，节省养护维修费用，高模量沥青混合料自江苏试点成功后，近年来快速在全国得到推广应用[4-6]。然而我国北方等寒冷地区多条试验段也相继出现了早发性开裂病害，调查表明，铺筑在半刚性基层上的高模量沥青混凝土因低温性能和抗反射裂缝性能不足，导致沥青路面产生开裂病害。对此，有学者提出，通过掺加纤维、将高模量剂与SBR进行复配或使用橡胶沥青、掺加橡胶粉来改善高模量沥青混凝土的低温性能[7-9]。TB沥青是橡胶粉与基质沥青在高温、长时间、高速剪切作用下制备而成的特种橡胶改性沥青，由于橡胶粉完全被分解和充分硫化，TB沥青避免了传统橡胶沥青黏度大、热贮存稳定性差、易离析等弊端[10-12]，TB沥青的胶粉掺量大，加之橡胶粉自身延展性好，因此赋予了TB沥青优异的低温延展性能[13-14]。但由于橡胶沥青凝胶膜消失、橡胶粉溶胀体积膨胀产生的增粘作用微弱，导致TB沥青只能作为高标号基质沥青使用。

为了充分发挥高模量剂和TB沥青各自的路用性能优势，本研究将高模量剂掺入TB沥青中制备TB胶粉与高模量剂复合改性沥青及沥青混合料，按照AASHTO（M320—09）《沥青胶结料性能分级标准规范》要求，通过DSR、MSCR、BBR试验研究TB复合高模量剂改性沥青的黏弹特性，评价TB复合高模量剂改性沥青混合料的高、低温性能与疲劳特性，为环保型TB沥青和高模量沥青混合料在我国的推广应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

（1）TB沥青：选用中海油70#A级基质沥青、咸阳某橡胶粉厂生产的60目货车轮胎，在高温（220 ℃）、长时间（＞16 h）、5500 r/min高速剪切条件下制得。橡胶粉颗粒彻底硫化、溶解于基质沥青中。不同胶粉掺量TB沥青的技术性能见表1。

表1 不同胶粉掺量TB沥青的基本性能

（2）高模量剂：KT-1型，万里路桥生产，粒径约4 mm，相对密度0.97，熔点130 ℃，其主要成分为天然沥青、热塑性树脂和改善脆性的助剂。KT-1高模量剂充分利用了天然沥青抗老化、耐高温、抗剥落性和增溶性好的优势，也具备热塑性树脂热态软塑、冷态硬固、高温性能极佳的优势，同时添加了改善脆性的助剂，以提高冲击强度和延伸率。

（3）SBS改性沥青：采用辽河石化生产的成品5%SBS改性沥青作为试验对照组。其针入度为57.7（0.1 mm），软化点为67 ℃，5 ℃延度为22 cm，符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求。

（4）集料：石灰岩碎石与机制砂均符合JTG F40—2004要求；矿粉：由石灰岩磨制而成，技术性能符合JTG F40—2004要求。

1.2 TB复合高模量剂改性沥青的制备

分别将4%、6%、8%高模量剂添加到TB沥青中（TB胶粉掺量分别为15%、20%、25%），在155～160 ℃（高模量剂掺量大时温度取高值）中，以1000 r/min速率搅拌30 min，即完成TB复合高模量剂改性沥青制备。

2 TB复合高模量剂改性沥青的性能

2.1 TB复合高模量剂改性沥青的基本性能

不同复配方案TB复合高模量剂改性沥青的基本性能见表2。

表2 TB复合高模量剂改性沥青的基本性能

由表2可知：（1）胶粉掺量越大，TB复合高模量剂改性沥青的软化点越低、针入度越大、低温延度越大，表明掺加TB胶粉降低了沥青的高温性能，但也显著改善了复合改性沥青的低温性能。（2）高模量剂掺量越大，复合改性沥青的软化点越高，延度越小，表明掺加高模量剂显著提高了沥青的高温性能，但也会对沥青的低温性能有一定的负面影响。

2.2 TB复合高模量剂改性沥青的黏弹特性

采用30 ℃中温和76 ℃高温动态剪切流变试验（DSR）、64 ℃重复蠕变恢复试验（MSCR），综合分析TB复合高模量剂改性沥青的黏弹性。采用BBR试验评价复合改性沥青的低温流变特性。DSR试验加载频率为1.59 Hz（100 r/min）。MSCR试验加载100个周期，每次加载1 s，卸载9 s，采用0.1 MPa和3.2 MPa两个应力加载水平。试验方法参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

2.2.1 DSR试验

不同复配方案TB复合高模量剂改性沥青及对照组20%TB和5%SBS改性沥青的DSR试验结果见表3。

表3 TB复合高模量剂改性沥青的DSR试验结果

由表3可知：

（1）试验温度越高，TB复合高模量剂改性沥青RTFOT前后的抗车辙因子越小，这是抗车辙因子与相位角指标对温度的感温性所致。试验温度升高后，沥青中的黏性成分增多，弹性成分减小，复合改性沥青表现出了更多的黏性，老化作用增加了TB复合高模量剂改性沥青的硬度，降低了沥青高温性能对温度的敏感性。

（2）当胶粉掺量为15%、20%、25%，KT-1高模量剂掺量由4%增大至8%时，30 ℃试验温度条件下原样沥青的抗车辙因子分别增大了76.9%、89.4%、112.1%，RTFOT后沥青的抗车辙因子分别增大了74.3%、86.3%、96.7%，76 ℃试验温度下原样沥青的抗车辙因子分别增大了159%、187.8%、214.7%。表明掺加高模量剂KT-1时，RTFOT前后TB沥青的抗车辙因子G*/sinδ 显著增大。这是由于，一方面，高模量剂完全溶解于TB沥青中（见图1），形成独立的海岛结构结晶区，高模量剂分子链在过渡区形成高稳定性、高劲度的网络结构，能够将TB沥青分子牢固地限制在网格内，降低了沥青分子对温度的敏感性，沥青的聚集形态改变、表面自由能降低、黏度增大；另一方面，高模量剂颗粒溶解在母体TB沥青中形成坚韧的聚合物链接，高模量剂含有的极性接枝共聚物组分在与TB沥青接触界形成极强吸附能力的过渡层，从而使TB沥青整体粘结强度和结构稳定性得到提高。

图1 TB复合高模量剂改性沥青的AFM物相照片

（3）胶粉掺量增加降低了沥青的高温性能，高模量剂掺量为4%时，增加TB胶粉掺量明显降低了复合改性沥青的高温PG分级，（6%、8%）高模量剂+（15%、20%、25%）TB复合改性沥青RTFOT前后的抗车辙因子仍符合AASHTO（M320—09）规定的大于1.0 kPa和2.2 kPa等级的要求，表明在KT-1高模量剂掺量较高时（6%、8%），复合改性沥青高温PG分级随TB胶粉掺量的增加并未有显著降低，从高温性能考虑KT-1高模量剂掺量宜为6%、8%。

（4）相较于20%TB胶粉沥青，76 ℃试验条件下，掺加6%、8%KT-1高模量剂后TB胶粉沥青的抗车辙因子分别提高了1.8、3.0倍。在30 ℃、76 ℃条件下，8%KT-1高模量剂+（15%～25%）TB胶粉复合改性沥青的抗车辙因子大于5%SBS改性沥青，可见高模量剂弥补了TB胶粉沥青低温性能的不足，复合改性沥青表现出了优异的高温性能。

2.2.2 MSCR试验

不同复配方案TB复合高模量剂改性沥青及对照组20%TB和5%SBS改性沥青的MSCR试验结果见表4。

表4 TB复合高模量剂改性沥青的MSCR试验结果

由表4可知：

（1）随着胶粉掺量增加，TB复合高模量剂改性沥青的弹性恢复率降低、不可恢复蠕变柔量增大，表明增加胶粉掺量降低了复合改性沥青的高温性能和承受荷载的能力，这与DSR试验结果一致。

（2）随着高模量剂KT-1掺量增加，TB复合高模量剂改性沥青的弹性恢复率增大、不可恢复蠕变柔量减小，掺加高模量剂显著提高了复合改性沥青弹性恢复率、降低了蠕变恢复柔量，高温受荷条件下的承载能力提高。

（3）在0.1 MPa应力水平下，20%纯TB胶粉改性沥青的蠕变柔量大于0.12 kPa，3.2 MPa应力荷载下的弹性恢复率小于30%，根据AASHTO（M320—09）规定，20%TB胶粉改性沥青仅满足轻交通等级沥青路面胶结料要求；而掺加6%高模量剂+（15%～25%）TB胶粉、8%KT-1高模量剂+（15%～25%）TB胶粉时，6种TB复合高模量剂改性沥青的蠕变柔量均小于0.07 kPa，3.2 MPa应力荷载下的弹性恢复率大于50%，满足AASHTO（M320—09）规定的极重交通等级沥青路面胶结料要求。在高模量剂掺量为6%、8%时，TB复合高模量剂改性沥青的弹性恢复率大于5%SBS改性沥青，同时蠕变柔量小于5%SBS改性沥青，可见（6%、8%）高模量剂+（15%～25%）TB胶粉复合改性沥青的高温承受荷载性能优于5%SBS改性沥青。

2.2.3 BBR试验

不同复配方案TB复合高模量剂改性沥青及对照组20%TB和5%SBS改性沥青的BBR试验结果见表5。

表5 TB复合高模量剂改性沥青的BBR试验结果

由表5可知：随着胶粉掺量的增加，复合改性沥青蠕变速率增大、劲度模量降低、低温PG分级温度越低；KT-1高模量剂掺量越大，复合改性沥青的低温性能越差，表现为低温PG分级温度升高。

3 TB复合高模量剂改性沥青混合料的性能

3.1 路用性能

试验采用复合掺加6%～8%高模量剂和20%、25%胶粉制备的4种复合改性沥青，对照组为20%TB沥青、5%SBS改性沥青。采用AC-13型矿料级配中值，按照马歇尔设计流程以目标空隙率为4%，确定20%TB改性沥青混合料的最佳油石比为4.4%，4种TB复合高模量剂改性沥青混合料的最佳油石比均为4.8%，对照组5%SBS改性沥青混合料的最佳油石比同样取4.8%。高低温路用性能、力学性能试验结果见表6。

表6 TB复合高模量剂改性沥青混合料的路用性能

由表6可知：

（1）掺加6%、8%高模量剂后复合改性沥青混合料的动稳定度DS比20%纯TB沥青增大了15倍以上，（20%、25%）胶粉+（6%、8%）高模量剂复合改性沥青混合料的动稳定度比5%SBS改性沥青混合料提高了22.3%～65.6%，车辙变形量RD减小了28.3%～41.5%，TB复合高模量剂改性沥青混合料的动稳定度DS比JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》规定的DS≥3000次/mm提高了1倍以上，表现出优异的高温稳定性，TB复合高模量剂改性沥青混合料对高温重载沥青路面有较好的适用性。

（2）随着胶粉掺量增加，复合改性沥青混合料的弯曲应变和应变能增大，弯拉强度略有降低。增加胶粉掺量能显著提高复合改性沥青的低温性能，而高模量剂对沥青混合料的低温性能有劣化影响。4种TB复合高模量剂改性沥青混合料的弯拉强度和应变能均大于5%SBS改性沥青混合料；高模量剂掺量为8%时，弯曲应变小于5%SBS改性沥青。这是由于掺入胶粉增大了沥青混合料的柔性和弹性变形，同时掺入高模量剂增大了沥青混合料的劲度模量和整体性，因此应变能增大。

3.2 力学性能与疲劳性能

采用动态压缩模量试验（20 ℃，加载频率分别为5、10、25 Hz）和四点弯曲疲劳试验（20 ℃，应变水平分别为600×10-6、1200×10-6）评价TB复合高模量剂改性沥青混合料的力学性能与疲劳性能，试验结果见表7。

由表7可知：

（1）由动态压缩模量试验结果可知，20 ℃、10 Hz条件下4种TB复合高模量剂改性沥青混合料的动态压缩模量介于14 567～17 098 MPa，高模量剂掺量越大，复合改性沥青混合料的动态压缩模量越大。4种TB复合高模量剂改性沥青混合料的动态压缩模量均大于5%SBS改性沥青混合料，TB复合高模量剂改性沥青混合料的动态压缩模量为20%TB沥青混合料的2倍多，这有助于减薄沥青混合料层结构的厚度。

表7 TB复合高模量剂改性沥青混合料的力学和疲劳性能

（2）相同应变水平条件下，4种TB复合高模量剂改性沥青混合料的疲劳寿命均大于5%SBS和20%TB胶粉改性沥青混合料，其中以20%TB胶粉沥青混合料的疲劳寿命最短；并且高模量剂和胶粉掺量越大，复合改性沥青混合料的疲劳寿命越长。

4 结论

（1）TB胶粉沥青具有优异的低温抗裂性能和延展性，但其针入度偏大、高温性能差，导致其不能单独使用。掺加高模量剂能弥补TB沥青的高温性能缺陷，显著改善TB沥青的中温和高温粘弹特性，提高抗车辙因子、增大弹性恢复率、降低不可恢复蠕变柔量，掺加6%、8%高模量剂可使15%～25%TB胶粉沥青的高温性能优于5%SBS改性沥青，并在一定程度上保留了TB胶粉沥青的低温性能优势。综合考虑，适宜的TB胶粉掺量为20%～25%，高模量剂KT-1掺量为6%～8%，在此复配方案下，TB复合高模量剂改性沥青的高低温粘弹性能可达到甚至优于5%SBS改性沥青。

（2）（20%、25%）TB胶粉+（6%、8%）高模量剂复合改性沥青混合料的抗车辙性能、力学性能和抗疲劳耐久性能均大于5%SBS改性沥青混合料，TB复合高模量剂改性沥青混合料用于高温重载地区沥青路面具有更好的优越性。