硫磺SBS 改性沥青流变性能及其混合料路用性能试验研究

2021-04-29高运

合成材料老化与应用 2021年2期

高运

（新乡市交通运输综合服务中心，河南新乡453000）

随着我国道路建设的蓬勃发展以及道路技术等级和路面质量的不断提高，我国已成为世界高速公路里程最长的国家，并保持着高速发展的势头。但随着路面的不断使用过程中，由于车辆荷载和外部环境的重复作用下路面逐渐出现了破坏，最终导致路面行车质量下降，无法正常使用。路面的使用质量直接与路面沥青材料的选择有着直接的关联，在选择路面材料时应选择各方面性能较佳的沥青产品［1-2］。目前主要采用在基质沥青中添加各种聚合物改性剂以提高沥青的各方面性能。硫磺改性沥青作为一种可改善基质沥青性能的改性沥青产品已有100 多年的发展历程，早在20 世纪八九十年代美国和加拿大就已将硫磺改性沥青用于高速公路建设中，取得了良好的效果，但随后研究人员发现硫磺改性剂在高温条件下会释放硫化氢或二氧化硫等有害人体健康的气体，因此严重制约了硫磺改性沥青的发展应用［3-4］。但由于硫磺改性剂与沥青的相容性很好且制备的硫磺改性沥青具备较好地高温抗剪性能及耐疲劳特性，而且研究发现硫磺改性剂能够取代部分沥青，具有降低建设成本的优势，而且对于含蜡量大、性能差的沥青性能具有很好的改善作用，于是研究学者仍然不放弃对硫磺改性沥青的研究［5］。随着研究的不断深入，美国洛克邦公司尝试在硫磺改性剂中加入一些烟雾抑制剂和净味剂，不但保护了环境而且沥青性能也不会降低［6］。但同时发现硫磺改性沥青的水稳定性和低温抗裂性不是很好，为了改善硫磺改性沥青的低温和水稳定性，需要添加其他的沥青改性剂，既能弥补硫磺沥青低温性能和水稳定性差的问题，又不至于降低沥青的其他方面性能。本文采用SBS 改性剂和硫磺改性剂进行复掺，制备了硫磺SBS 改性沥青，并对改性沥青流变性能以及其混合料的路用性能进行研究，以期能够为硫磺沥青在沥青路面的推广使用提供一定的借鉴和参考。

1 原材料性能

制备改性沥青的基质沥青采用韩国SK-70#A 级道路石油沥青，技术指标见表1。用于沥青及混合料性能对照组的改性沥青采用SBS-I-D 改性沥青，技术性能都满足规范要求，具体见表2。硫磺改性剂由壳牌公司生产，硫磺含量为99.7%，灰分0.032%，外观为烟灰黑色的半球状固体颗粒，直径大约在2mm 左右，其熔点在115℃左右，不溶于水，硫磺的主要成分含有硫磺、烟雾抑制剂和净味剂等［7］。SBS 改性剂采用巴陵石化公司生产的YH-791 型改性剂，其为白色线型粒柱状，嵌段比S/B 为30/70。

表1 韩国SK-70 号基质沥青技术指标Table 1 Technical indexes of SK-70 base asphalt in Korea

表2 SBS 改性沥青技术性能Table 2 Technical performance of SBS modified asphalt

粗集料采用石灰岩碎石，集料规格主要有1#（10～15mm）、2#（5-10 mm）、3#（3～5 mm），细集料采用机制砂，填料采用石灰岩矿粉，各档集料的技术指标见表3。

表3 集料技术指标Table 3 Technical index of aggregate

2 改性沥青制备及流变性能

2.1 改性沥青制备

首先将基质沥青置于150℃烘箱中加热至熔融状态，然后称取一定量沥青放在电炉上继续加热保持温度在160±5 ℃，缓缓加入SBS 改性剂，并用玻璃棒不断搅拌，待SBS 改性剂完全加入沥青后置于高速剪切机下以500r/min 的速率缓慢剪切20min，保证SBS 改性剂溶胀完全；然后剪切速率改为4000r/min 继续剪切半小时，使SBS 改性剂粒径磨得更细并在沥青中分散得更加均匀；继续保持沥青温度在160℃左右，缓缓加入称量好的SEAM 改性剂，并以3000r/min 的速率剪切半个小时即可完成SEAM/SBS 复合改性沥青的制备。

2.2 沥青流变性能

采用动态剪切流变试验（DSR）和弯曲蠕变劲度试验（BBR）对SEAM/SBS 复合改性沥青的流变性能进行试验，用以评价改性沥青的高低温流变性能，其中SEAM 掺量分别取10%、20%、30% 和40%（占沥青质量的百分数）等4 组，SBS 掺量取2.5%和3.5%等2 组，试验结果见表4 和表5。

表4 SEAM/SBS 复合改性沥青DSR 试验结果Table 4 DSR test results of SEAM/SBS composite modified asphalt

从表4 数据可以看出，在SBS 和SEAM 掺量一定时温度升高，车辙因子减小，在同种温度条件时车辙因子均随着SBS 和SEAM 掺量的增加而逐渐增加。与5% SBS 改性沥青，同样温度、SBS 掺量为2.5% 时虽然40% SEAM 的车辙因子最大，但都小于5% SBS，SBS掺量达到3.5% 后，20% SEAM 时的车辙因子与5%SBS相差不大，30%～40% SEAM 用量的车辙因子均比5%SBS大，因此可以看出3.5% SBS+30%～40% SEAM 时改性沥青的高温性能更好。

表5 SEAM/SBS 复合改性沥青BBR 试验结果Table 5 BBR test results of SEAM/SBS composite modified asphalt

从表5 可以发现，温度降低，沥青蠕变劲度增大，蠕变斜率减小，这是由于温度较低时沥青变得更加脆硬，应力松弛能力减弱所致。当温度和SEAM 用量一定时随着SBS 用量由2.5% 增加到3.5%，蠕变劲度降低，蠕变斜率增加；当温度和SBS 用量一定时随着SEAM 用量由10% 增加到40%，蠕变劲度先降低后增加，蠕变斜率先增加后减小，这可能是由于SEAM 掺量过大时，SEAM无法充分溶解，多余的SEAM 会产生沉积和聚集的情况下，最终导致沥青在低温受力时会发生应力集中而破坏。此外结合美国SHRP 规范中的PG 分级要求：沥青的蠕变劲度S≤300MPa、蠕变斜率m≥0.3，从表5 数据可看出，5% SBS 改性沥青的低温PG 分级达到了-18℃，3.5% SBS+20%～40% SEAM 可以达到-24℃。因此，3.5%SBS+20%～40% SEAM 时的改性沥青低温性能更好。

3 沥青混合料路用性能

3.1 混合料配合比设计

本文采用AC-13 矿料级配，级配设计见表6。结合SBS/SEAM 复合改性沥青流变性能结果，本文采用3.5%SBS+30% SEAM 和3.5% SBS+40% SEAM 两组进行混合料性能试验验证其路用性能好坏，并以5% SBS 改性沥青作为对照组。采用马歇尔试验确定3.5% SBS+30%SEAM、3.5% SBS+40% SEAM 和5% SBS 等三种沥青混合料的最佳油石比分别为4.9%、5.0%、5.0%。

表6 AC-13 型矿料级配表Table 6 Grading table of AC-13 mineral aggregate

3.2 高温性能

沥青路面必须具有足够的高温稳定性以抵抗行车荷载及外界环境的反复作用，这样才能保证其良好的服务性能。本文采用车辙试验对SEAM/SBS 改性沥青混合料的高温性能进行评价，试验温度分别选择60℃，试验结果见表7。

表7 SEAM/SBS 改性沥青混合料车辙试验结果Table 7 Rut test results of SEAM / SBS modified asphalt mixture

从表7 可以看出，与5% SBS 改性沥青相比，SBS/SEAM 改性沥青的变形量更小，动稳定度更大，30%SEAM 和40% SEAM 的动稳定度分别提高了26% 和45.5%，说明SEAM 提高了SBS 改性沥青的高温稳定性，使其在高温条件时的抗车辙能力大大增强。

3.3 低温性能

通过低温弯曲试验（JTG E20-2011）来检验混合料的低温抗裂特性，试验仪器采用MTS 万能材料试验机，试件采用标准车辙板试件经切割后的棱柱体试件（250mm×30mm×35mm），试验温度为-10℃，荷载施加速度为50mm/min,直至试件破坏，试验结果见表8。

表8 SEAM/SBS 改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table 8 Low temperature bending test results of SEAM / SBS modified asphalt mixture

从表8 可知，3.5% SBS+40% SEAM 抗弯拉强度最大，其次是3.5% SBS+30% SEAM，说明SEAM 可增加沥青的粘度进而增强了沥青与集料的粘结力，使其在低温破坏时需要吸收更大的能量。三种沥青混合料的弯拉应变和应变能密度大小为5% SBS ＞3.5% SBS+30%SEAM ＞3.5% SBS+40% SEAM，尽管SBS/SEAM 改性沥青混合料的弯拉应变低于5%SBS，但也完全满足JTG D50 规范中冬严寒区弯曲应变不低于3000με 的要求。SEAM 掺量从30%增加到40%后弯曲应变和应变能密度有所降低，说明过多的SEAM 会降低改性沥青的低温抗裂性，应以30%掺量为宜。

3.4 水稳定性

评价沥青混合料的水稳定性，一般采用浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验或冻融劈裂试验等试验方法评价沥青混合料的抵抗水损害能力。本文采用进水马歇尔试验和冻融劈裂试验方法，以残留稳定度和冻融劈裂强度比为评价指标，试件采用马歇尔标准尺寸φ101.6mm×63.5mm，对不同配比的SEAM/SBS 改性沥青混合料进行水稳定性评价，试验结果见表9。

表9 改性沥青混合料水稳定性试验结果Table 9 Test results of water stability of modified asphalt mixture

从表9 可知，三种沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比具有一致的规律：5% SBS ＞3.5% SBS+40%SEAM ＞3.5% SBS+30% SEAM，说明SEAM 可以增强改性沥青的水稳定性，虽然SBS/SEAM 改性沥青混合料的水稳定性稍弱于5% SBS，但也完全可以满足规范中改性沥青残留稳定度和冻融劈裂强度比不小于80% 的要求。