SBR/有机膨润土矿物复合改性沥青及混合料技术性能分析

李明扬 肖庆一 何川 任希鹏

摘要 膨润土以其对沥青良好的改性效果与低廉的价格常作为沥青的改性剂，其硅酸盐结构对沥青低温性能存在负面影响;丁苯橡胶（SBR）能显著提高改性沥青低温延度，降低温度敏感性，对高温性能提升有限。由单掺膨润土、SBR及复合改性（膨润土、SBR）后沥青的基础性能试验结果表明，两种改性剂复合改性可以相互克服单一改性剂的缺点，增强优势。PG分级和BBR试验结果表明，复合改性沥青高温失效温度和低温劲度模量极限温度均满足华北地区气候条件的要求。采用AC-13型、SMA-13型两种沥青混合料进行路用性能研究，结果表明通过采用复合改性技术的混合料高低温性能、水稳定性及耐疲劳性能均得到不同程度的改善提高。相比于SBS改性沥青技术，研究提出的复合改性沥青技术具有更好的路用性能表现及社会经济效益。

关 键 词 纳米膨润土;SBR;流变学试验;路用性能;经济效益

中图分类号 U414     文献标志码 A

Abstract Bentonite is often used as asphalt modifier for its good modification effect on asphalt and low price， but its silicate structure has a negative impact on the low temperature performance of asphalt; SBR can significantly improve the low temperature ductility of modified asphalt and reduce Temperature sensitivity，but with limited high temperature performance improvement. From the test results of the three major indexes of single-mixed bentonite， SBR and the two composite asphalts， it can be seen that the two modifiers can overcome each other's shortcomings and enhance their advantages. The PG classification and BBR test results show that both the high temperature failure temperature and the low temperature stiffness modulus limit temperature meet the temperature limit conditions in North China. Two gradations of AC-13 type and SMA-13 type are used to prepare composite modified asphalt mixture. According to the laboratory tests， the high and low temperature， water stability and fatigue resistance of the mixture have been improved. Compared with SBS， composite modified asphalt has better road performance and social economic benefits.

Key words nano bentonite; SBR; rheological test; road performance; economic benefit

0 引言

蒙脱土是一种具有天然的纳米级微观结构且亲水疏油的无机物，其表面经有机修饰后，可获得疏水亲油性[1]，与沥青充分结合形成剥离型或插层型纳米复合型结构，提高沥青的高温性能和流变性能。以蒙脱土为代表的硅酸盐类改性剂会伤害沥青低温性能，需添加外掺剂进行复合改性[2]。部分橡胶、树脂类材料以对低温的不敏感性及较低廉的价格，常被选做改性剂，树脂类改性剂和沥青相容性一般差距较大，无法很好地分散在沥青相中，很容易发生离析分层现象[3]。SBR经粉末化之后（粒径<1 mm）分子链在沥青相中可形成三维交联构造，提高沥青低温下的拉伸性能，但与沥青相容性差，对高温稳定性提升效果有限[4]。陈晓龙等[5]通过 SEM、DSC 基于微观角度分析了沥青基有机膨润土纳米复合材料的作用机理，表明有机膨润土与沥青具有较好的相容性两种改性剂可以均匀共混。Zhang 等[6]通过研究发现，蒙脱土（MMT）和橡胶复合材料中，MMT片层在丁苯橡胶（SBR）中形成了插层结构，SBR分子链段穿插于MMT片层中，当利用胶体磨或者剪切机等机械剪切之后，蒙脱土片层会剥离开来，均匀分散。两种改性剂均匀共混，可充分发挥单一改性剂的优势并互补缺点。

改性剂用量需兼顾路用性能和经济效益。刘朝晖等[7]利用基于响应曲面法的分析方法和流变学测试结果，得出复合改性沥青最佳方案：6% SBR（胶乳固含量60%）+1.5% TiO2+4% 纳米蒙脱土;Zhang等[6]通过XRD、微观形态试验和流变学性能分析得出，当SBR和蒙脱土的复配比例为4∶6时，复合改性沥青的性能最好;于源[8]使用喷雾干燥法制备SBR/蒙脱土复合改性剂，当SBR∶蒙脱土 = 1.2∶1时改性沥青的存储稳定性及各项性能都有较大提升。

本研究以不同掺量的SBR與纳米膨润土制备单一/复合改性沥青和混合料，通过基础物理性能试验初步确定纳米膨润土的掺量，再采用流变学和路用性能试验探究各改性剂掺量变化对沥青及混合料影响，得出最佳复配掺量组合，以及与SBS改性沥青相比经济效益的优势，旨在为华北地区沥青道路路面结构设计提出一条新的比选方案。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料及性能指标

原材料及性能指见表1～表3。

1.2 改性沥青试样制备

为使纳米膨润土/SBR和沥青均匀共混，采用溶胀的方法[9]。将SBR粉末加入到膨润土改性沥青中，用铝箔包裹住沥青承样盆放入160 ℃烘箱1 h，使SBR充分溶胀。用高速剪切机以4 000 r/min的速度剪切1 h，放入160 ℃烘箱中发育1 h即得均质复合改性沥青。

1.3 沥青混合料配合比设计

采用AC-13、SMA-13两种级配制备沥青混合料，矿料级配按照 JTG F40—2004 推荐的级配范围中值由单粒径矿料掺配。混合料物理力学性能指标见表4。级配曲线见图1、图2。

2 单一/复合改性沥青基础物理性能

2.1 纳米膨润土改性沥青的基础性能

对不同掺量膨润土改性沥青进行三大指标试验以确定最佳掺量，试验结果见图3。

三大指标试验结果说明，膨润土可以改善沥青的针入度和软化点，对延度不利。延度在掺量4%后发生了明显的减小。继续掺加会提升针入度和软化点，但会牺牲延度表现。此时改性沥青达到了最大程度的纳米复合，即纳米膨润土在沥青中形成的剥离型结构达到了最大化，超此掺量后，逐渐向插层型结构转变[10]。故下文试验均采用控制变量法，保持4%纳米膨润土的掺量不变，再向其中加入不同掺量的SBR探究复合改性沥青及其混合料的性能。

2.2 SBR改性沥青的基础性能

掺量不同的SBR-Ⅱ改性沥青三大指标试验结果表明，SBR掺量增加，针入度下降，软化点、黏度上升，沥青的高温性能提升效果不明显，延度提升幅度较大。

2.3 纳米膨润土/SBR复合改性沥青的基础性能

有机膨润土对沥青的延度不利，高温影响力大;SBR对沥青高温性能提升效果有限，低温稳定性提升明显。下面采用两种改性剂复合后进行三大指标测试，探究沥青性能。

两种改性剂均匀共混，可以发挥各自特点，两者对针入度和软化点的影响趋势相同，复合改性之后这两项指标得到加强。膨润土对沥青高温提升效果弥补了SBR高温性能的缺失;SBR对延度的促进作用抵消了有机膨润土对延度的负面影响。虽延度上限变小，总体上对低温性能有利，达到克服单一改性剂的缺点的目的。延度在6%掺量后发生了明显的下降，针入度和软化点上升趋势也变缓，故掺入4%有机膨润土、6%SBR时，经济效益最高。

2.4 高温条件动态剪切流变性能

向纳米膨润土掺量为4%的改性沥青中加入不同掺量的SBR-Ⅱ做高温PG分级，采用应力控制模式，应变值为15%，频率为10 rad/s。沥青的复数剪切模量以及相位角如图6所示。

在52～82 ℃范围内，相同温度下沥青的剪切模量随掺量呈现上升趋势，相位角减小;相同掺量下温度越高，剪切模量越小，相位角越大。剪切模量越大，相位角越小，沥青黏度越大，高温性能越好。经测试原样沥青失效温度为78.4 ℃，满足华北地区夏季道路模量要求。

2.5 低温条件弯曲梁流变性能

以华北地区道路冬季最低温度为极限条件，以 60 s的蠕变劲度模量S以及蠕变速率m值作为评价指标，不同改性剂掺量组合下的BBR试验结果如图7所示。

BBR沥青低温PG分级要求蠕变劲度模量S（60 s）不大于300 MPa且蠕变速率m（60 s）不小于0.3。S越小，m值越大，低温性能越好。由图6可知，在最低温为-18 ℃温度下，所有沥青均满足要求。当SBR掺量为6%时，蠕变劲度模量S和蠕变速率m均是图形的一个驻点，此时低温性能达到最佳，路用性能表现和经济效益最好。

3 复合改性沥青混合料技术性能

3.1 高温稳定性

用掺量为4%的膨润土及不同掺量的SBR-Ⅱ制备沥青混合料进行车辙试验，结果见图8。

对于不同配合比类型的膨润土沥青混合料，动稳定度随着掺量的增加而提高。掺量在0%～6%范围内，动稳定度提升幅度较大，超过6%提升效果不明显，SMA-13型的动稳定度甚至出现微量下降。SBR-Ⅱ掺量为6%的两种沥青混合料的动稳定度比未掺加分别增加了33.8%和15.9%。由于SBR与膨润土在熔融状态下，在混合料内部集料骨架中被拉成纤维丝状发生桥接作用，阻碍混合料高温下流动，抵抗高温车辙变形[9]。过多SBR会产生结团、聚集，降低复合改性沥青的改性效果，高温稳定性的提升效果有限，不符合经济效益要求。

3.2 低温稳定性

采用极限弯拉应变的方法评价沥青混合料的低温能力。已测得AC-13型和SMA-13型基质沥青混合料的极限弯拉应变为2 453 με和2 981 με。

由图9可知，单掺入4%纳米膨润土的改性沥青混合料的极限弯拉强度比基质沥青混合料低，说明纳米膨润土对混合料的低温性能有负面作用。SBR加入极限弯拉强度增大，弥补了纳米膨润土带来的低温性能缺失。SBR-Ⅱ在0%～6%的掺量范围下，极限弯拉应变曲线上升幅度较大，超过6%后，变化趋于缓慢甚至出现下降。6%掺量下两种级配类型的复合改性沥青混合料极限弯拉应变较基质沥青混合料提高了32.4%和19.2%。

纳米膨润土对低温性能有负面作用是由于膨润土颗粒小、比表面积较大，大量黏附在沥青质表面，导致黏度变大，阻碍了沥青分子运动，延展性和抵抗变形能力下降。SBR 具有优良的低温延展性和弹性恢复性能，不但可以降低改性沥青的感温性，还可以产生自由的离子，增强沥青分子的自由活动，减少土颗粒之间应力集中，提高沥青胶浆与集料的界面粘结强度，從而增强混合料的低温抗裂性[11]。

3.3 水稳定性

对纳米膨润土掺量为4%，不同SBR掺量下的沥青混合料通过冻融劈裂比TSR表征沥青混合料的水稳性能，已测得AC-13与SMA-13型基质沥青混合料冻融劈裂比为83.2%和80.5%。

由图10可知，膨润土可以大幅度的提升水稳性能;SBR可以微量提升冻融劈裂比，水稳性随掺量呈上升趋势。由于纳米膨润土颗粒小、比表面积大，可以充分黏附到沥青质表面从而增加沥青黏度，SBR经过熔融后变为黏性极强的流动态，附着在集料表面提升与沥青之间的黏附性与抗剥离性，从而提升复合改性沥青混合料的抗水损害能力[12]。

3.4 耐疲劳性

以半正弦波加载波形进行重复加载，荷载持续时间0.1 s，温度设定10 ℃、30 ℃。在应力比范围 0.3～0.7 下的每个应力比下进行4～6次平行重复间接拉伸试验。疲劳特征方程为

[lgNf=lg K-n lg σ ，]（1） 式中：[Nf]为疲劳寿命;σ为弯拉应力;K、n表示沥青混合料的疲劳方程系数，K表示回归方程线位，越大疲劳性能越强，n为回归直线的斜率，越大混合料对应力水平变化越敏感。

如图在10 ℃、1 MPa下未掺SBR两种混合料的疲劳寿命分别为22 963次和26 151次，SBr掺入和温度变化均对疲劳寿命有显著影响。由于SBR具有弹性，掺入到沥青中能降低路面疲劳应力敏感性，缓解在重复荷载下产生的永久形变，提升路面抵抗疲劳变形的能力。SBR、有机膨润土在高温熔融下分子链端部相互作用力增加，宏观黏度变大，在老化性试验中，性能被破坏的现象被有效改善[13]。纳米蒙脱土、SBR、沥青均匀共混形成剥离或者插层型复合结构，蒙脱土的层状结构可以阻碍氧气进入结构内部，减缓SBR与沥青的氧化缩合作用，增强沥青混合料的抗老化能力[14]。

4 结论

1）根据基础物理性能指标测试结果，膨润土可以提升沥青的高温方面的性能，但对低温性能有负面作用，延度在掺量多于4%之后降低明显。

2）根据流变学试验结果，复合改性沥青的PG分级温度在-18～78.4 ℃内均能满足技术要求，且能满足华北地区气候和交通量条件要求，推荐掺量为4%纳米膨润土+6%SBR。

3）粉末状SBR可以提升膨润土改性沥青的高温性能、水稳性能以及耐疲劳性能，对低温性能提升效果最为显著。当SBR掺量为6%时，AC-13型沥青混合料的动稳定度、极限弯拉应变较未掺加的分别提升33.8%和54.7%; SMA-13型分别提升了15.9%和21.7%。

4）SBR的加入可以通过增加沥青质与集料之间的黏附性从而提升抗水损能力，通过内部形成的弹性三维交联网格减缓疲劳应力带来的永久形变，提高路面的疲劳寿命。

5）相较于SBS改性沥青，膨润土属于无机矿物来源广泛且价格低廉，SBR售价也低于SBS，经室内试验论证，达到预期路用性能表现可节省约15%成本，且在低温下表现更佳。

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