SBR/BRA复合改性沥青流变性能试验研究

2021-03-31柳毅

北方交通 2021年3期

柳毅

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院乌鲁木齐市 830000)

0 引言

岩沥青作为沥青改性剂，掺入基质沥青中具有很好的高温性能和抗老化耐久性，与基质沥青相容性很好，能够增加沥青的粘度使沥青与集料的结合强度提高。但众多研究成果表明，岩沥青用于沥青路面中降低了路面的低温性能[1]。樊亮等人通过将国产岩沥青加入到不同的基质沥青中研究岩沥青改性沥青的性能时发现岩沥青会降低基质沥青的低温延度，且随着岩沥青用量的增加，沥青的低温脆性会更加严重[2]。刘树堂等人通过采用电子探针和抽提技术对岩沥青的微观结构和岩沥青中富含的纯沥青的四组分进行研究分析，结果发现与常规的石油沥青相比，岩沥青中的胶质含量特别低，沥青质含量很高，一定程度降低了沥青的低温性能[3]。为了使岩沥青改性沥青具有很好的综合使用性能，需要寻找一种改性剂用来提高岩沥青改性沥青的低温性能。

丁苯橡胶用于基质沥青中能够改善沥青的使用性能等特点而逐渐被广泛用于沥青路面材料中，它可以通过增加沥青粘度促进沥青和集料的粘着力。研究表明丁苯橡胶可明显降低沥青的脆性，进而提高沥青路面的低温抗裂性能[4]。崔亚楠等人采用BBR试验研究了橡胶粉加入岩沥青中的低温性能，试验数据证明橡胶粉可以降低劲度模量S，增加蠕变斜率m值，从而改善了沥青的低温性能[5]。但同时大量的研究表明橡胶粉用于沥青路面中会影响沥青的抗老化性能[6]。

考虑到以上两种改性剂加入沥青后的表现特点，拟将两种改性剂复掺加入到基质沥青中，希望两种改性剂加入沥青中性能能够起到互补作用，得到一种综合性能良好的沥青材料。选取了粉末状和胶乳状两种类型的丁苯橡胶，研究两种橡胶产品及其各自不同的掺量对沥青性能产生的影响。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料性能

试验用基质沥青选用埃索70#A级石油沥青，布敦岩沥青(BRA)产自印尼布敦岛，具有良好的高温性能和耐久性，根据厂家推荐及前期研究得出布敦岩沥青掺量确定为15%。基质沥青和岩沥青技术性能分别见表1、表2。试验用到的橡胶采用天津某橡塑制品加工公司产的SBR1502橡胶粉(简称SBR-1)和GM-1040SBR胶乳(简称SBR-2)，其物理指标性能都满足技术要求。

表1 A-70#基质沥青技术指标

表2 布敦岩沥青技术性能

1.2 试验方案

通过布氏旋转粘度试验测试SBR-1、SBR-2两种不同改性剂在0%、2%、4%、6%、8%等不同掺量时的复合改性沥青在135℃、145℃、155℃、165℃和175℃等五种温度下的旋转粘度，分别得到两种SBR改性剂掺量对沥青粘度的影响规律；然后对两种SBR改性剂不同掺量下的复合改性沥青进行DSR和BBR试验，通过车辙因子、蠕变劲度和蠕变斜率、疲劳因子等相关指标分析评价复合改性沥青的高温和低温性能、耐疲劳性能，得到SBR改性剂的最佳掺量范围。

2 试验结果分析

2.1 高温性能

(1)旋转粘度

采用布氏旋转粘度仪对制备的复合改性沥青测试135℃、145℃、155℃、165℃和175℃等五种温度下的旋转粘度，转子转速为10r/min，并将横坐标温度换算为绝对温度的对数值，将试验结果绘制于图1和图2中。

图1 粘度指标随SBR-1掺量的影响变化

图2 粘度指标随SBR-2掺量的影响变化

随着温度的升高，改性沥青粘度逐渐减小。由图1可以看出，SBR-1改性沥青的粘度均大于BRA改性沥青的粘度，且同种温度下随着SBR-1掺量的增加，沥青粘度逐渐增大，由此可知，SBR-1可以增加改性沥青的粘度，可能原因是SBR-1胶粉加入沥青后会吸收其中的油分等轻质组分并发生溶胀反应导致沥青质含量增加或沥青质间距变小，从而导致沥青变硬，粘度增加；从图2可以看出，加入SBR-2后降低了沥青的粘度，且同样的温度下随着SBR-2掺量的增加，这种降低程度越大，说明SBR-2会减小沥青的粘度，使沥青变软，流动性增大，可能是由于加入SBR-2后导致沥青的弹性成分增加，而粘性成分减少，出现这种情况与文献[7]的结论很相似，可以用SBR-2加入沥青后在其内部形成了空间弹性网络体系来解释，但具体原因还有待进一步研究。

(2)DSR高温流变性能

通过动态剪切流变仪对两种橡胶改性剂制备的不同掺量的改性沥青进行温度扫描试验，温度扫描范围50～80℃，荷载频率为1.59Hz,得到了不同温度下的DSR试验结果，以试验得到的剪切模量G*和相位角δ计算得到车辙因子G*/sinδ用来评价改性沥青的高温性能，结果见图3和图4。

图3 车辙因子随温度变化影响(SBR-1)

图4 车辙因子随温度变化影响(SBR-2)

从图3可知，随着温度的升高，车辙因子逐渐变小，由于温度升高，沥青的弹性成分减少，粘性成分增加，沥青结合料受荷载发生变形后可恢复能力降低；同样的温度条件下随着SBR-1掺量的增加车辙因子逐渐增大，说明SBR-1加入沥青后在剪切荷载的作用下抵抗变形的总阻力增大，从而增加沥青的高温抗变形特性。从图4可知，同种温度下随着SBR-2掺量的增加，车辙因子先增大后减小，在SBR-2掺量为4%时达到最大。

2.2 疲劳性能

按照SHRP研究成果表明，沥青对路面疲劳的贡献率高达52%。为评价沥青的疲劳性能，SHRP提出与沥青车辙因子相类似的疲劳因子(G*Sinδ)作为沥青抗疲劳性能的评价指标，且G*Sinδ较小时更好，较小的G*Sinδ表现出更好的抗疲劳特性。采用动态剪切流变试验仪，加载频率10rad/s，通过试验获取了温度区间为20～60℃范围内的复数剪切模量及相位角，从而计算出相应的疲劳因子G*Sinδ，结果见图5和图6。

图5 疲劳因子随温度变化影响(SBR-1)

图6 疲劳因子随温度变化影响(SBR-2)

从图5和图6可以看出，随着温度的增加，两种橡胶改性剂的沥青疲劳因子均逐渐减小，且同样温度下随着SBR掺量的增加表现出同样的变化规律，即疲劳因子逐渐变小。说明SBR-1和SBR-2两种改性剂对沥青的疲劳性能都有所改善，能够提高沥青的抗疲劳特性。此外，SBR-1和SBR-2都在掺量为4%～6%时大幅度减小了疲劳因子，表现出了显著的作用效果；在掺量6%～8%时作用效果不明显。

2.3 低温性能

通过低温小梁弯曲试验(BBR)对两种SBR改性剂不同掺量的BRA改性沥青进行试验，试验温度选取-6℃和-12℃，采用试验60s时得到的蠕变劲度S和蠕变斜率m作为评价SBR/BRA复合改性沥青低温性能的指标，试验结果见图7和图8。

图7 蠕变劲度随温度变化影响

图8 蠕变斜率随温度变化影响

从图7和图8可以看出，温度在-6℃条件下SBR-1和SBR-2对应的改性沥青的蠕变劲度S和蠕变斜率m都满足S<300MPa和m>0.3的要求，在-12℃时SBR-1改性沥青的蠕变劲度和蠕变斜率均不满足要求，SBR-2只有在掺量为6%～8%时才满足要求。无论是SBR-1还是SBR-2，在同样温度条件下，随着SBR改性剂掺量的增加，沥青的蠕变劲度逐渐减小，且SBR-2对应的改性沥青的蠕变劲度相对SBR-1减小的幅度较大，蠕变斜率相对SBR-2增加幅度大。此外可以发现两种改性剂掺量在4%～6%时改善效果较为显著，在6%～8%时效果不明显。说明两种SBR改性剂都可以改善沥青的低温性能，但SBR-2的效果更好，这可能与SBR-1中含有较多的丁苯二烯有关系。由此可以看出，两种SBR改性剂弥补了岩沥青低温性能差的缺点。