直拌式SBS改性沥青及混合料路用性能研究

陈 坤，庄传仪，李 宁

（1.山东交通学院交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.山东省公路检测中心，山东 济宁 272007）

1 引言

社会的飞速发展、车流量的快速增加，导致道路承受的荷载逐渐增大、荷载作用的时间增长，加之自然环境变化对道路的影响，沥青路面的使用寿命受到了严峻挑战，耐久性普遍降低，出现了大面积道路病害。现有研究通过改进高分子聚合物改性沥青的制作工艺来提高路面的使用性能，增加道路的使用寿命[1-4]。

SBS 改性沥青在我国已经有20 多年的应用历史，目前90%的改性沥青路面市场被SBS 改性沥青所占据。随着SBS改性沥青的市场竞争越来越激烈，其质量得不到保证，出现了一系列问题，比如SBS 改性剂用量达不到要求、采购比较低质低价的基质沥青，指标需要靠其他材料的控制调配等。由于生产条件和监测手段的限制、很难全覆盖式监管，致使采购方很可能买到有质量问题的改性沥青。

针对上述问题，主要有如下三种解决方案：①使用商用成品改性沥青。虽然商用成品改性沥青实现了沥青的批量生产，能够保证改性沥青质量，但是会受到运输、存储等一系列中间过程的限制。②现场制作。此方案虽然消除了储存稳定性的担忧，生产过程便于监督和掌控，但生产效率较低。③直拌式改性技术。直拌式SBS改性是将改性成分预先处理，制备成的改性剂易于融化和分散，在拌缸中将改性剂与沥青混合料搅拌均匀，实现对普通道路石油沥青的改性。

关于SBS改性剂对沥青的改性效果及其施工工艺，许多专家进行了试验研究。冯海燕[5]对比传统湿法SBS改性沥青与干法直投SBS改性沥青工艺的优缺点，得出干法直投式具有施工简单、性能优越、节能环保及寿命长的优点。王淑华等[6]通过直投式SBS改性剂与热集料的拌和，提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。汪红兵[7]发明了一种直投式SBS改性剂的制备方法。刘霞[8]通过拌和工艺对直投式高黏度改性沥青混合料拌和均匀性和性能的影响研究，得出增加干拌时间更能提高混合料的拌和均匀性。何志俊[9]通过SBS 橡胶粉复合改性沥青高温性能试验研究确定了最佳橡胶粉掺量和SBS掺量。袁中玉[10]通过研究SBSI-D 制作工艺中相容剂掺量、发育时间、剪切速率三部分要素与SBS改性沥青热存储稳定性的关系，得出了稳定剂最佳掺量。王正同等[11]以直投式SBS 改性剂为研究对象，通过对改性沥青混合料路用性能的研究，得到了直投式干法生产的沥青混合料满足施工需求。代霞[12]对不同工艺制备的SBS 改性沥青混合料性能进行了研究，得出了SBS-T 干法改性混合料的高温抗车辙及低温抗开裂能力较好。苏登信[13]在干法SBS 改性剂的适用性及改性沥青混合料性能研究中，总结出了SBS-T 改性沥青混合料比湿法5%SBS 改性沥青混合料有更优异的高温稳定性和抗疲劳耐久性，路用性能优良。安爱峰[14]在高速公路SBS 改性沥青混合料施工工艺中，就如何有效控制SBS改性沥青混合料施工质量进行了阐述。

上述文献对直投式SBS改性沥青进行了试验研究，但未将直拌式SBS 改性沥青混合料与商用成品SBS 改性沥青混合料在高温抗变形能力方面进行定量分析，本文通过1/3 比例尺路面加速加载试验机，对AC-13 路面进行沥青路面高温抗车辙能力展开研究。

2 直拌式SBS改性沥青制作工艺

基质沥青选用A级70#，使用SBS线型高粘改性剂，在140℃温度下取基质沥青500g，将其加热至流动状态并放入不同掺量的SBS 改性剂，为了使其充分溶解，将温度升高到150℃搅拌20min，完成后将温度调到175℃，以2000rad/s～3000rad/s 的剪切速度剪切45min～60min，充分剪切后在180℃的烘箱中发育20min，不断搅拌以排除气泡。直拌式SBS 改性沥青的制作流程如图1所示。

图1 直拌式SBS改性沥青的制作流程

直拌式SBS改性沥青的优势如下:

①改性工艺简单。省去了复杂的工厂化生产环节，只需提前制备好均匀密实的改性剂投入拌和楼拌缸对沥青乃至对混合料进行改性。

②减少沥青老化和SBS热氧降解，提高改性剂贡献率。工厂化生产SBS 改性沥青高温环节多引起沥青老化和SBS热氧降解，采用直拌式SBS改性工艺大大缩减了沥青的高温环节，减少SBS热氧降解。

③节能减排、降低工程成本。据不完全统计，直拌式工艺节能率为37.4%；生产等量的沥青混合料使用直拌式SBS 改性沥青产生的有毒气体比成品改性沥青产生的有毒气体少51.3%排放量。

3 直拌式SBS改性沥青性能及直拌式SBS最佳掺量

3.1 直拌式SBS改性剂相容性

改性剂与沥青的相容性是指改性剂与沥青混合时能够相互溶解形成溶液。本文采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中规定的聚合物改性沥青的离析试验结果来评价改性剂在70#A基质沥青中的溶解性，并与商用成品SBS改性沥青的软化点进行对照。实验结果见表1和表2。

表1 直拌式SBS改性沥青离析试验结果

表2 成品SBS改性沥青离析试验结果

由表1 和表2 可知，直拌式SBS 改性沥青铝管上下部的软化点的差值满足规范的技术要求，比成品SBS改性沥青铝管上下部的软化点的差值小，说明直拌式SBS改性剂与基质沥青的溶解性比成品改性沥青要稳定，更不会出现离析分层的现象。

3.2 温度敏感性

为了探究不同掺量的SBS改性剂对沥青针入度、针入度指数的影响，探究不同掺量的SBS改性剂与沥青温度敏感性的关系，进行了沥青针入度试验，针入度的试验结果见表3。

表3 直拌式SBS改性沥青针入度试验结果

由表3 可知，随着改性剂掺量的增大，针入度数值呈下降的趋势，改性沥青流动性减小，硬度有所增加。针入度指数（PI）在一定范围内随改性剂掺量的增加而增大，证明了改性剂的加入使沥青质的含量与胶质的含量增加。当改性剂掺量超过6%时，针入度指数出现下降趋势，温度敏感性提高，得出了改性剂的最佳掺量在6%～7%的结论。

3.3 高温性能

沥青路面受温度的影响很大，尤其在夏季沥青路面温度达到高峰，加上汽车荷载的作用，导致沥青路面出现车辙、泛油等高温病害。为了提高路面的使用寿命和行车舒适性，通过动态剪切流变仪对改性沥青不同的施工工艺、改性剂的不同掺量进行多应力重复蠕变试验，以评价其高温抗变形性能。试验结果见表4。

表4 多应力重复蠕变试验结果（64℃）

由表4 可知，在64℃下，不可恢复蠕变柔量与改性剂的掺量呈负相关，应力随不可恢复蠕变柔量的增加而增加。表明在一定程度上沥青的弹性变形能力随改性剂掺量的增加而增大，当温度较高时，弹性成分与抵抗黏流变形的能力均增强。随着不同应力的变化，当直拌式SBS 改性沥青的改性剂掺量为6%时，不可恢复柔量均较成品SBS 改性沥青小，说明直拌式SBS 改性沥青高温抗变形能力的最佳掺量为6%。

3.4 低温性能

沥青在低温下的延度越大，说明柔韧性越好。通过弹性恢复试验测定改性沥青恢复变形的百分率，从沥青低温性能方面来说，是评价沥青路面抵抗外荷载能力的一种方法。

采用沥青延度试验的试模，中间部分用直线侧模，沥青试样浇筑冷却后放入常温的水槽中保温60min，按5cm/min 速率拉伸2min 后停止，用剪刀从中间剪断，将其在水中原封不动保持60min，测量其恢复后的长度X，按式（1）计算其弹性恢复率D。

式中，D为试样的弹性恢复率，%；

X为试样的残留长度，cm。

两种SBS改性沥青试验结果见表5。

表5 弹性恢复试验结果

由表5可知，改性剂掺量为6%时，直拌式SBS 改性沥青的弹性恢复率最大，满足≥65%技术要求且略高于成品SBS改性沥青，说明当直拌式SBS改性沥青的改性剂掺量为6%时，直拌式SBS 改性沥青具备较好的弹性变形能力。

4 沥青混合料路用性能研究

4.1 试验材料准备

以AC-13 沥青混合料进行马歇尔试验，采用70#A级道路石油沥青。填料：矿粉。集料用石灰岩，取四档料：15mm～10mm，10mm～5mm，5mm～3mm，3mm～0；集料技术指标见表6和表7。

表6 集料技术指标

表7 石灰岩合成级配

从图2 可知所选定的级配符合规范要求，矿粉:石灰岩（15mm～10mm）:石灰岩（10mm～5mm）:石灰岩（5mm～3mm）:石灰岩（3mm～0）=3∶21∶18∶21∶37，以此级配选不同的油石比成型马歇尔试件，并进行马歇尔体积指标的检验，最后确定最佳油石比为5.2%。

图2 AC-13级配曲线图

4.2 改性沥青混合料耐久性研究

通过1/3 比例尺路面加速加载试验机真实模拟路面实际受力状况，以此评价直拌式SBS改性沥青混合料与成品SBS改性沥青混合料的耐久性能。1/3比例尺路面加速加载试验机工作原理是等接触比压原理模拟车辆在路面上的运行情况，用3个轮胎单向回转循环方式对路面进行加载，规定时间内通过可控轮载加速道路的破坏，1/3 比例尺回转式路面加速加载试验机结构简图如图3所示。

图3 1/3比例尺路面加速加载试验机

通过1/3 比例尺路面加速加载试验机测定车辙实验方法如下：选择试验温度为60℃，保温时间至少5h，3组加载轮，轮胎气压为0.8MPa，轮载为512.9kg，碾压方向就是车轮的行走方向，将速度设定为13.3km/h，每碾压4820 次记录一次车辙深度，在车辙板中间部位用塞尺测量车辙最大深度，直到车辙深度不再变化为止。试验结果如图4所示。

图4 加速加载试验结果

由图4 可知，成品SBS 改性沥青混合料车辙深度远高于直拌式SBS 改性沥青车辙深度，直拌式改性沥青混合料施工工艺将车辙深度降低了18.2%，这种生产沥青混合料的方法使基质沥青的黏度、石料的粘附性得到了提高，高温下抗塑性流动变形的能力与抗车辙能力增强，从而减少沥青路面的病害，提高了路面的耐久性。

5 结语

直拌式SBS 改性沥青技术解决了SBS 改性沥青受生产质量、现场生产效率低等问题的制约，从沥青的温度敏感性、高温性能、低温性能等方面综合考虑SBS 改性剂掺量对直拌式改性沥青的影响，并确定了直拌式SBS 改性剂的最佳掺量，通过1/3 比例尺路面加速加载试验机对直拌式SBS 改性沥青混合料与成品SBS 改性沥青混合料的对比研究，得出直拌式SBS改性沥青混合料抵抗高温车辙的能力更强，提高了沥青路面的寿命，更能满足新时代下交通荷载不断增长的要求，直拌式SBS改性沥青有较广的应用前景。