干法改性剂与基质沥青配伍性研究

李平、张英泽、吴立强、王涵

［1.山东省滨州公路工程有限公司，山东 滨州 256600；2.滨州市公路事业发展中心，山东滨州 256600；3.国路高科（北京）工程技术研究院有限公司，北京100000］

0 引言

SBS 改性沥青混合料具有优异的高低温性能和抗疲劳性能，在道路工程中得到了广泛应用[1-3]。改性沥青混合料的生产工艺可分为湿法工艺和干法工艺。湿法工艺是先将基质沥青与改性剂在工厂中制备成改性沥青，再将其保温运输至拌和厂与矿料拌和。干法工艺则是将基质沥青、改性剂和矿料统一在拌和厂进行拌和。

与湿法工艺相比，干法工艺具有一定优势。首先，干法工艺能够省略改性沥青预制环节，优化生产工艺，使改性沥青的生产更加灵活、机动。其次，干法工艺能够减少改性沥青混合料生产能耗，使生产过程更加环保。最后，干法工艺能够避免改性沥青在运输过程中的离析，保证了改性沥青的性能，使施工人员更容易控制改性沥青的生产质量[4-5]。

罗海松[6]等经研究证明，干法改性剂掺量为5%时，改性沥青混合料的马歇尔稳定度相比于普通沥青混合料提高50%。代霞[7]等经研究证明，干法改性沥青混合料具有良好的高温抗车辙及低温抗开裂性能。然而，由于干法工艺是直接将干法改性剂、基质沥青和石料混合，该过程不包含改性沥青的制备环节，因此目前对干法改性剂与基质沥青的配伍性研究较少。

为研究干法改性剂与基质沥青的配伍性，研究选用辽河石化生产的干法改性剂SBS-T 和温拌干法改性剂SBS-W 作为研究对象。结合干法沥青混合料生产，设计室内干法改性沥青生产工艺，通过室内试验评价两种干法改性剂和基质沥青的配伍性。

1 原材料

基质沥青采用东海70#沥青，该沥青产自齐鲁石化，其关键指标测试结果和规范要求如表1 所示。干法改性剂SBS-T 和温拌干法改性剂SBS-W 均产自国路高科（北京）工程技术研究院有限公司，SBS-T 和SBS-W 的外观如图1 所示。

图1 干法改性剂外观图

表1 70#沥青的技术性能

2 制备工艺

为研究干法改性剂与基质沥青的配伍性，并与工厂生产干法改性沥青混合料的工艺相匹配，在室内试验中设计了干法改性沥青的制备工艺。

SBS-T 改性沥青的制备工艺如下：其一，将基质沥青加热到180℃，加入不同掺量的SBS-T 改性剂，用玻璃棒搅拌均匀；其二，将样品置于高速剪切机下，调整转速至5000 转/min，剪切温度为180℃，持续剪切20min。

采用SBS-W 制备改性沥青与SBS-T 类似，仅将试验温度降低20℃，设置为160℃。样品制备完成后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）要求进行软化点、延度等关键指标分析。

3 改性沥青性能

3.1 改性剂掺量优选

以SBS-T 改性剂为例，通过分析不同改性剂掺量制备的改性沥青的软化点和延度，得出与基质沥青配伍性最佳的SBS-T 掺量。SBS-T 改性剂掺量范围为4.5%～7%，按0.5%逐步增加，制备6 组SBS-T 改性沥青，改性剂均为内掺。

图2 为不同掺量的SBS-T 制备的干法改性沥青的软化点。由图2 可知，随着改性剂掺量的增加，SBS-T 改性沥青的软化点大幅度上升，其软化点上升过程大致可分为三个阶段：

图2 不同SBS-T 掺量下干法改性沥青的软化点

第一阶段，缓慢增长阶段（改性剂掺量为4.5%～5.5%）。在该阶段，SBS-T 改性沥青的软化点从77.5℃上升至81.3℃，软化点增加了3.8℃。4.5%～5.5%的改性剂掺量是SBS 改性沥青生产中改性剂的适宜掺量（3%～5.5%）。

第二阶段，急速增长阶段（改性剂掺量为5.5%～6.5%）。在该阶段，SBS-T 改性沥青的软化点大幅度上升，增幅达到19.68%，表明SBS-T 改性沥青的高温性能大幅提升。

第三阶段，逐渐平稳阶段（改性剂掺量为6.5%～7%）。随着改性剂掺量的增加，改性沥青中的聚合物网状结构逐渐成熟。在此基础上继续增加改性剂掺量，改性沥青高温性能的提升效果逐渐放缓，改性沥青的性能逐渐稳定。

我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中规定，SBS 改性沥青的软化点不得低于70℃，图2 中所示软化点均满足规范要求。

SBS-T 改性沥青的延度随SBS-T 改性剂掺量变化规律如图3 所示。改性沥青延度的变化规律与软化点的变化规律不同。SBS-T 改性剂掺量为7% 时，SBS-T 改性沥青的延度仅比改性剂掺量为4.5%时高0.8cm。在SBS-T 改性剂掺量增加的过程中，SBS-T改性沥青的延度出现两个峰值，分别为41.9cm（改性剂掺量为5.0%）和42.5cm（改性剂掺量为6.5%）。同时，延度可以反映沥青的低温性能。分析可知，改性剂掺量的变化未对SBS 改性沥青的低温性能产生显著影响。根据图3 可知，几种SBS-T 改性剂掺量下的延度值均大于40cm，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中要求的20cm。

图3 不同SBS-T 掺量下干法改性沥青的延度

综合考虑改性沥青的软化点和延度指标，并结合经济性分析，选择5%的SBS-T 作为SBS-T 改性沥青的最佳掺量。此时，改性沥青的软化点可达到80.5℃，延度可达到41.9cm。后续试验均基于以该掺量制备的改性沥青进行研究。

采用类似方法，确定温拌干法改性剂SBS-W 的最佳掺量为6%，此掺量下温拌SBS-W 改性沥青的技术性能如表2 所示。

表2 6%SBS-W 制备改性沥青的软化点和延度

对比图2、图3 和表2 数据可知，以改性剂最佳掺量制备的SBS-W 改性沥青的软化点高于SBS-T 改性沥青，延度却低于后者。整体而言，以两种改性剂（5%SBS-T，6%SBS-W）制备的改性沥青性能均满足技术规范。

3.2 高温性能

为对比改性沥青的高温流变性能，借助动态剪切流变仪对SBS 改性沥青、SBS-T 改性沥青和SBS-W改性沥青进行温度扫描。试验结果如图4 所示。根据图4 可知，无论在老化前还是老化后，三种改性沥青的车辙因子均随温度降低而降低，这表明温度升高会使沥青向流动状态转变。

图4 改性沥青的车辙因子

此外，对三种样品的车辙因子进行对比，可以得出以下结论：在相同温度下，未老化改性沥青的车辙因子从大到小依次为：SBS-W 改性沥青＞SBS-T 改性沥青＞普通SBS 改性沥青，老化沥青依旧呈现这种规律。同温度下，三种改性沥青老化后的车辙因子相比老化前均有不同程度的提升。这是因为老化会使沥青内部的轻组分挥发，进而使沥青变硬，在高温下变得更不易流动。

3.3 低温性能

为对比改性沥青的低温流变性能，借助弯曲梁流变仪对改性沥青进行测试，试验温度为-12℃和-18℃，试验结果如表3 所示。分析表3 中数据可得出以下结论：随着试验温度的降低，三种改性沥青的S 值增加，m 值降低，这表明沥青逐渐变脆。此外，在同一温度下，SBS 改性沥青的S 值略高于SBS-T 改性沥青，但是两者均低于SBS-W 改性沥青。改性沥青的m 值则呈相反的规律。S 值和m 值具有较好的一致性，表明在三种改性沥青中，SBS-W 改性沥青具有低温性能优势。

表3 改性沥青的低温流变指标

4 结论

通过对干法改性剂SBS-T 和温拌干法改性剂SBS-W 与基质沥青配伍性的研究，主要得出如下结论：第一，随着SBS-T 改性剂掺量的增加，改性沥青的软化点经过缓慢增长、急速增长和逐渐平稳三个阶段。在设计掺量内，改性沥青的软化点均高于70℃。第二，SBS-T 改性沥青的延度均高于40cm，但是该指标并未随着改性剂掺量变化呈现明显的变化规律。第三，结合改性沥青性能，并考虑经济性，确定SBS-T的最佳掺量为5%，SBS-W 的最佳掺量为6%。第四，SBS-T 和SBS-W 改性沥青的高温性能优于普通SBS改性沥青。而在低温性能方面，SBS-W 改性沥青最优，SBS-T 改性沥青与普通SBS 改性沥青相当。