SBR和RET复配改性沥青的流变性能分析研究

王可

(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467044)

1 引言

由于交通荷载的重型化和自然环境的日益严峻化使得道路工作者对路面材料的性能提出了更高的要求，沥青作为路面铺筑时的核心材料之一，具有十分重要的黏结与黏附作用，其性能与路面在服役期间的路用性能具有密切的关联性。据研究显示，沥青材料对高温抗车辙性能、抗疲劳破坏性能和抗低温缩裂能力的贡献率分别达到了29%、52%和87%。因此，全面地提升沥青材料自身的路用性能具有显著的必要性。

反应型弹性体三元共聚物(Reactive Elastomeric Terpolymer,RET)被证实可作为沥青的一种新型改性剂，其化学改性原理可达到永久改性沥青的目的，从而赋予基质沥青良好的抗塑性变形的能力及优异的存储稳定性能，但由于相关研究表明RET改性剂将会削弱沥青的低温性能，从而限制了其有效地推广应用。同时，丁苯橡胶(Styrene-Butadiene Rubber,SBR)改性剂具有明显改善沥青低温延展性能的能力，但其对沥青高温性能的改善相对不足，从而难以在高温地区推广应用。

针对RET和SBR改性剂在单一改性时的性能不足问题，道路工作者提出采用改性剂的复配以结合两种改性剂的性能优势，从而制备性能优良的改性沥青的方法和思路，并通过室内试验分析论证了复配改性的可行性，以及分析了改性剂的复配对沥青性能的提升效果。国外Singh Dharamveer采用双刃缺口张力试验分析了SBR-RET改性沥青的断裂韧性，结果发现二者复配具有显著提升沥青断裂韧性的作用，此外，文献[10-12]制备了SBR-RET复配改性沥青，并采用流变学方法在确定改性剂最佳掺量的同时分析了二者改性沥青的路用性能，结果发现复配改性赋予了沥青优异的路用性能，其中RET在合适掺量时可达到SBS改性沥青的性能标准。综合研究发现，各改性沥青的流变性能已经成为道路研究者关注的问题，流变性能的好坏直接关系沥青路用性能优劣，为此，该文在分析SBR和RET复配改性沥青常规性能的基础上，从流变学角度对比分析复配、单一和SBS改性沥青在高、低温下的流变性能，以期为SBR和RET复配改性沥青的推广应用奠定理论基础。

2 试验

2.1 原材料

试验选择70#基质沥青作为改性用基质沥青，试验时首先采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相关方法对其基本性能进行测试，结果如表1所示。SBR1500颗粒的密度为1.017 g/cm3，挥发分含量为0.6%，总灰分含量为0.85%。反应型RET热塑性塑料颗粒为美国产，其性能指标为密度0.982 g/cm3，熔融指数为3.6 g/(10 min)，熔点为109 ℃和凝固点为80 ℃。星型SBS改性剂，其嵌段比为3∶7。

表1 70#基质沥青基本性能指标

2.2 试验方案设计

试验分别制备了不同掺量的RET与SBR复配改性沥青，同时以基质沥青、SBR改性沥青、RET改性沥青和SBS改性沥青为对照组，以评价SBR和RET复配改性沥青的流变性能。采用的试验方案见表2。

表2 试验方案

2.3 改性沥青制备方法

SBR改性沥青的制备方法：首先将500 g70#基质沥青放置于烘箱中，使其加热至160 ℃，然后将3%(占沥青质量分数)的SBR改性剂加入基质沥青中，并借助螺旋桨叶轮搅拌器连续搅拌30 min，以使SBR改性剂充分溶胀，然后保持温度不变，采用高速剪切乳化机在4 000 r/min转速下持续剪切40 min，剪切完成后，将其在160 ℃烘箱中发育1 h，即可得到SBR改性沥青。RET改性沥青的制备方法和SBR改性沥青的制备方法相同。

SBS改性沥青的制备方法：首先将500 g70#基质沥青加热至180 ℃，然后添加5%的SBS改性剂，并借助螺旋桨叶轮搅拌器搅拌30 min使其充分溶胀，然后采用高速剪切乳化机在转速4 000 r/min和剪切温度180 ℃条件下剪切1 h，剪切完成后将其放置于160 ℃烘箱中发育1 h，即可得到SBS改性沥青。

SBR和RET复配改性沥青的制备方法：在3%SBR改性沥青制备完成的基础上，添加设计用量的RET，并首先搅拌溶胀30 min，然后在160 ℃、剪切速率4 000 r/min条件下剪切30 min，剪切完成后，在160 ℃烘箱中发育1 h，完成SBR和RET复配改性沥青的制备。

2.4 性能测试方法

常规性能指标针入度、软化点、5 ℃延度、60 ℃动力黏度和135 ℃旋转黏度均依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相关方法测试。

流变学性能测试采用动态剪切流变仪(DSR)，测试时采用25 mm平行板转轴，板间隙调整为1 mm。试验首先采用温度扫描模式，以6 ℃温度为间隔测试各改性沥青在52～88 ℃的复数剪切模量G*和相位角δ；其次采用重复蠕变恢复模式测试各改性沥青在60 ℃时，应力水平为0.1、3.2 kPa下的黏弹特性和高温性能，重复蠕变恢复模式的加卸载特点为首先加载1 s，然后卸载9 s，共计进行100次循环。

采用弯曲梁流变试验(BBR)对各试样的低温流变性能进行测定，试验测定了各改性沥青在-12、-18和-24 ℃下的低温流变性能，采用蠕变劲度模量S和蠕变速率m作为各改性沥青低温流变性能的评价指标，Superpave规范中规定蠕变劲度模量S的取值为S≤300 MPa，蠕变速率m的取值为m≥0.3。

3 试验结果

3.1 各改性沥青的基本性能指标分析

各改性沥青的25 ℃针入度、软化点、5 ℃延度、48 h热存储温度差和135 ℃运动黏度指标如表3所示。

表3 各改性沥青的常规性能指标测试结果

由表3可知：① 各改性沥青的高低温性能较基质沥青明显较高，且SBR和RET复配改性沥青性能突出，其中，3%SBR+1.5%RET复配改性沥青的高温性能与4%SBS改性沥青相当，而低温性能显著高于4%SBS改性沥青，且SBR和RET复配改性沥青具有优异的热存储稳定性能；② RET改性剂的加入可显著提高基质沥青的高温性能，且随其掺量的提高，高温性能逐渐增强，同时RET改性剂的加入提高了沥青的低温性能，但RET改性剂掺量的提高不利于沥青低温性能的发挥。并且，RET改性沥青具有优异的热存储稳定性，这可能是因为反应型RET改性剂与沥青发生了化学反应，即对沥青进行了永久改性；③ SBR改性剂可赋予基质沥青优异的低温性能，3%SBR改性沥青的5 ℃延度可达到62.5 cm，为基质沥青的34.7倍。综上，SBR和RET改性剂复配可发挥各自性能优势而赋予基质沥青优异的高低温性能，这也同时从试验角度证实了SBR和RET改性剂进行复配而制备改性沥青的可行性。

3.2 SBR和RET复配改性沥青的高温流变性能

3.2.1 温度扫描试验

试验借助于动态剪切流变仪中的温度扫描和不可恢复蠕变(MSCR)模块，分别测试了各改性沥青在经历短期老化前后的复数剪切模量G*、相位角δ、不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率指标，以分析SBR和RET复配改性沥青的高温流变性能。各原样沥青的复数剪切模量G*、相位角δ、车辙因子G*/sinδ结果如图1所示。

由图1可知：随扫描温度的提高，基质沥青及各改性沥青的复数剪切模量G*首先迅速减小而后缓慢减小，相位角δ缓慢上升，车辙因子G*/sinδ首先迅速减小而后缓慢减小，这与目前针对沥青高温流变性能的研究结果相一致。此种现象表明沥青在较低温时具有较高的抗车辙性能，随温度的升高，具有黏弹性性质的沥青中弹性成分逐渐减少，黏性成分逐渐增多，从而导致沥青抗车辙性能的衰减；② 改性剂的加入明显改善了沥青在整个温度区间的弹性恢复能力及抗车辙性能，其中3%SBR+1.5%RET改性沥青的弹性性能和抵抗车辙能力优于4%SBS改性沥青，且复配型的改性沥青高温性能高于单一改性剂改性沥青，7种改性沥青在整个温度区间的弹性性能和抗车辙性能按从大到小排序为：3%SBR+1.5%RET>4%SBS>3%SBR+1%RET>1.5%RET>3%SBR>1%RET>MA。

中、高温范围内的沥青温度敏感性与其抗变形能力密切相关。相关研究表明：可采用对存储模量G′的对数值lgG′与扫描温度T进行线性回归而得到回归直线斜率K(lgG′=KT+C，C为常数)，并采用K对沥青温度敏感性进行评价的方法，K的绝对值越小，表明沥青试样的温度敏感性越低，即热稳定性越好。各沥青试样的K值计算结果如表4所示。

图1 原样沥青的复数剪切模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ随扫描温度的变化

表4 各沥青试样的回归直线斜率K和相关系数R2

由表4可看出：① 各改性沥青对温度的敏感程度明显低于基质沥青，其中3%SBR和1.5%RET复配改性沥青的热稳定性高于4%SBS，从而具有最优的热稳定性；② 增加RET掺量可有效提升改性沥青的热稳定性，且SBR和RET复配改性效果明显优于单一改性。因此，在日夜温差变化大、天气剧烈变化的区域，SBR/RET复配改性沥青能够更好地抵抗变形、预防温差引起的路面疲劳开裂现象。

3.2.2 多应力蠕变恢复试验

由于60 ℃是中国大多数地区夏季沥青路面出现的高温值，此次试验采用动态剪切流变试验中的蠕变恢复模块(MSCR)在64 ℃的试验条件下对各原样沥青的蠕变恢复率R和不可恢复蠕变柔量J进行测定，以评定各沥青的延迟黏弹特性和高温抗永久变形能力。各原样沥青在剪切应力水平为0.1 kPa和3.2 kPa条件下的蠕变恢复率R0.1和R3.2以及不可恢复蠕变柔量J0.1和J3.2结果如图2所示。

图2 各改性沥青的蠕变恢复率R和不可恢复蠕变柔量J

由图2可知：3%SBR+1.5%RET改性沥青的蠕变恢复率R0.1和R3.2分别与4%SBS的两者指标相当且略高于4%SBS的两种指标，说明3%SBR+1.5%RET改性沥青在60 ℃具有优异的蠕变恢复性能。同时，随RET改性剂掺量的增大，RET单一改性沥青及其与SBR复配改性沥青的J0.1和J3.2值均呈现逐渐减小的趋势，其中3%SBR和1.5%RET复配改性沥青的J0.1和J3.2值均最小，且与4%SBS相当，说明RET和SBR的加入显著增加了沥青中的弹性成分，使得复合改性沥青在荷载作用下产生的残余永久塑性变形减小，赋予了基质沥青良好的承受交通荷载的能力。SBS改性剂对于沥青高温下抗永久变形能力的改善主要是依靠其优异的弹性变形恢复能力，而SBR和RET复配改性沥青提升基质沥青高温性能的机理主要是SBR和RET增大沥青的黏度，以及RET属于反应型改性剂，其与沥青发生反应生成的环状结构物有效束缚了SBR改性剂，促使沥青在高温时的弹性成分有效增加，因此提高了沥青的高温流变性能。

3.3 SBR和RET复配改性沥青的低温流变性能

依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中对沥青进行长期老化作用的试验方法(T0630—2011)首先对沥青进行长期老化，然后借助于弯曲梁流变仪对经历长期老化后各改性沥青在-12、-18和-24 ℃下的低温流变性能进行测试，测试结果如表5所示。

表5 各改性沥青在不同温度下的蠕变劲度模量S和蠕变速率m

由表5可知：① 在-12～-24 ℃内，与基质沥青MA相比，各改性沥青的蠕变劲度S明显较小且蠕变恢复率m值明显较大，其中3%SBR改性沥青的低温性能最优，说明对沥青进行SBR、RET、SBS及SBR和RET复配改性可有效提高沥青的低温流变性能；② 与RET单一改性沥青相比，SBR和RET复配改性沥青的低温性能明显较好，较1%RET改性沥青、3%SBR和1.5%RET复配改性沥青在-12 ℃时的S值减小68.9%、m值增大98.8%；③ 3%SBR和1%RET复配改性沥青的低温性能优于4%SBS改性沥青，但是随RET掺量的提高，无论是RET单一改性沥青，还是SBR和RET复配改性沥青的低温性能均下降，这反映出RET改性剂掺量的提高削弱了沥青低温时的应力分散能力，从而不利于改性沥青低温性能的发挥。

与中高温时沥青温度敏感性评价方法一样，采用劲度模量S的对数值lgS与温度T线性回归后的直线斜率A评价沥青在低温下的温度敏感性(lgS=AT+C，C为常数)。A值越小，表明沥青抵抗低温缩裂的能力越强。各沥青试样在低温时的直线斜率A值如表6所示。

表6 各沥青试样在低温时的回归直线斜率A值

由表6可知：6种改性沥青的A值绝对值较70#基质沥青明显较小，这说明改性剂的加入使得沥青对低温的敏感性显著提高。此外可得出SBR和RET改性剂的复配较单一改性具有较好的低温稳定性，且随RET改性剂掺量的增加，改性沥青的低温稳定性逐渐增强，3%SBR和1.5%RET复配改性沥青具有最优的低温稳定性能。

4 结论

(1)SBR和RET改性剂分别具有显著提升基质沥青低温和高温性能的能力，二者复配后的改性效果显著，其中，3%SBR和1.5%RET复配改性沥青的高温性能可达到4%SBS改性沥青的水平，且低温性能显著高于4%SBS改性沥青。此外，RET掺量的增大可显著改善沥青的热存储稳定性能，且SBR和RET复配改性沥青具有优异的热存储稳定性能，这有效地保证了复配改性沥青的运输和热存储。

(2)与单一改性沥青相比，SBR和RET改性剂复配有效增加了沥青在整个高温区间段内的弹性成分，从而增强了沥青的高温抗车辙能力，其中3%SBR和1.5%RET复配改性沥青的弹性性能和抗车辙能力优于4%SBS改性沥青，且其具有最优的中高温区间的热稳定性能。

(3)与RET单一改性沥青相比，SBR和RET复配改性沥青具有良好的低温性能，其中3%SBR和1%RET复配改性沥青的低温性能优于4%SBS改性沥青，但随RET掺量的提高，RET单一改性沥青和SBR与RET复配改性沥青的低温性能均下降，这说明RET改性剂的掺加对沥青的低温性能将造成不利影响。但是，随RET改性剂掺量的增加，改性沥青在低温区间的热稳定性能将逐渐增强，其中3%SBR和1.5%RET复配沥青对低温的敏感性最低。