宽温域改性沥青基础性能研究

颜展翔

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司, 湖南 长沙 410007)

宽温域改性沥青基础性能研究

颜展翔

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司, 湖南 长沙 410007)

针对季冻区路面使用环境，为解决其低温抗开裂和高温抗车辙能力之间的矛盾，以橡胶沥青和SBS改性沥青为基础进行改进，通过不同材料组成及配比对改性沥青配方进行设计，研究其高低温性能，最终获得典型宽温域改性沥青配方，这种改性沥青能够满足高低温性能均衡；在理论上阐述宽温域改性沥青形成机理；最后通过试验分析获得宽温域改性沥青针入度、延度、软化点、弹性恢复率等基础性能数据。

改性沥青； 宽温域； 针入度； 延度； 软化点； 弹性恢复率； 试验分析

0 引言

改性沥青品种在一些特殊环境施工中具有优势，目前认为高低温综合性能较好的改性沥青品种有3种，分别是SBS改性沥青、SBR改性沥青和橡胶沥青。它们的优势显而易见，不足之处也无法避免：首先是SBS改性沥青，由于SBS和沥青无法有效相融，一旦储存温度过高时解离情况就会出现；其次为SBR改性沥青，相对于SBS改性沥青和橡胶沥青承载能力相对较弱，无法保证强度安全储备；最后为橡胶沥青，由于低温延度较小，因此低温性能并不理想。基于以上种种情况，研究出高低温性能均衡的沥青意义重大，故而本文将重点放在宽温域改性沥青方面，希望能够解决这一问题。

1 高低温性能均衡的宽温域改性沥青研究

现行《公路沥青路面施工技术规范》关于公路工程常用的SBS改性沥青、SBR改性沥青、橡胶沥青高低温主要性能指标要求如表1。

表1对比结果显示，SBR改性沥青优势在于其低温性能，因此在寒区应用效果较好，橡胶沥青功能主要表现在高温性能方面，在热区能够有效发挥作用，由此不难发现在高低温性能方面三者都无法做到均衡，存在一定提升空间，实践需要一种改良沥青能够同时兼具优良高低温性能，二者达到平衡，这也是本文研究方向。

表1 SBS、SBR、橡胶改性沥青高低温性能指标规定

本文参照了橡胶沥青和SBS改性沥青的优势，在此基础上将目光放在了宽温域改性沥青方面，希望能够做到高低温性能均衡，研究以我国季冻区气候为标准，参看其他改良沥青技术指标，设置宽温域改性沥青各项指标，即5℃延度指标超过60cm，软化点TR&B指标超过80℃，25℃弹性恢复指标超过80%，针入度(25℃，100g,5s)指标范围为50～110(0.1mm)，设置由表2所示。

表2 拟定宽温域改性沥青基本性能指标

研究材料主要为基质沥青、SBS、废胎橡胶粉，在此基础上加入添加剂，从而完成宽温域改性沥青。本研究所需要主要材料性能指标由表3所示。

每种聚合物改性沥青配比条件不同，本研究对4种沥青进行对比，它们分别为橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青、宽温域改性沥青。表4中显示这4种不同聚合物改性沥青材料配比情况。

经试验并整理相应的试验数据，各聚合物改性沥青实验样品对应测得的主要技术指标结果如表5。

试验结果显示：

表3 本试验研究所采用的材料性能指标规定值

表4 4类聚合物改性沥青材料配比情况表

表5 4类聚合物样品对应测得的技术指标

1) SBS改性沥青与橡胶沥青相比，高温性能略好于后者，低温性能没有明显差别；复合改性沥青与SBS改性沥青、橡胶沥青相比，低温性能优势明显，但高温性能要较二者为低。

2) 从高低温性能方面进行比较，橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青三者各占优势，但总体差别不大。

3) 宽温域改性沥青最明显优势在于高低温性能均衡，在这两种情况下优势明确，尤其在低温性能方面无可匹敌，从高温性能指标方面来看，其软化点可达88℃已明显说明问题，低温性能指标同样突出，5℃延度最高可达70cm。

2 宽温域改性沥青的制作流程及机理分析

2.1 宽温域改性沥青的制作流程

1) 首先设定温度范围，在设计流程中选择170～190℃，SBS和基质沥青需要符合要求，设定典型宽温域改性沥青比例，对上述已经配备好的沥青进行剪切、搅拌、研磨，最终获得SBS改性沥青。

2) 废旧轮胎橡胶粉是在常温下获得，通过机械粉碎方式最终成为SBS改性沥青的改性剂，它是需要掺入SBS改性沥青中发挥作用，操作需要在高温环境下进行，适宜温度为180～200℃。需要充分拌合，只有与沥青发生反应后，才能最终形成新型宽温域改性沥青。

3) 宽温域改性沥青的获得实质经历2次过程，它是在改性沥青的基础上进行了二次改性。

2.2 宽温域改性沥青机理分析

1) 宽温域改性沥青的形成机理: 首先需要在高温中使橡胶颗粒与SBS改性沥青能够充分混合而发生反应，温度条件为180～200℃，在这个温度下橡胶粉颗粒发生变化，发生物理和化学反应，使其向SBS改性沥青扩散，二者充分溶和。在这个过程中，由于吸附作用使得橡胶粉颗粒出现溶胀溶解等物理反应，同时还会引起脱硫、降解等化学反应，其自身具有的塑性和黏性有所恢复，从而变得柔软而疏松，表面可以形成凝胶体，这将有助于核心部分与SBS改性沥青分子形成立体网状结构，胶结料中出现连续相共混体系。

2) 宽温域改性沥青具有其他改性沥青无法比及的性能，在高温条件下性质不会发生改变，检查显示200℃左右温度无法使其固 — 液两相体发生变化，这与其形成方式密切相关，宽温域改性沥青在高温环境中的稳定性决定了其良好性能，在这一点上远远超过普通沥青及橡胶沥青，与SBS改性沥青、复合改性沥青相比同样优势明显。

3 宽温域改性沥青基础性能分析

对宽温域改性沥青性能进行研究，通过对比分析方式获得数据。对比对象分别为橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青等改性沥青，对它们基础性能进行分析比较，寻找针入度、延度方面差别，同时也比较了其它指标情况，如软化点和弹性恢复率等。

选定的4种沥青材料配比如表6所示。

表6 选定的4类改性沥青聚合物材料配比情况表

试验按照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求，分别进行针入度、延度、软化点和弹性恢复率等试验。

3.1 针入度试验

获得改性沥青软硬程度和稠度指标需要通过针入度试验完成，二者呈现负相关，如果所获得针入度较大则改性沥青硬度较小，稠度也相对较小，反之硬度及稠度较大。这一指标反映出改性沥青抗剪切破坏的能力大小以及相对黏度情况。本文对比宽温域改性沥青与其它改良沥青针入度情况，测试对象分别为橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青。荷重为100g±0.05g贯入试验试样5s后计取，单位为0.1mm，在不同试验温度下进行，低温分别为-20、-10、5℃,高温分别为15、25和30℃。低温盛样皿在恒温冰柜中放置，高温盛样皿放置在恒温水浴中，时间都为1.5h。分别进行3个平行试件试验，将所得结果取平均值，如表7所示，分别获得不同温度下4种改性沥青针入度变化情况，如图1、图2所示。

表7 4类改性沥青聚合物针入度试验结果

图1 4类改性沥青聚合物不同温度情况下针入度

图2 宽温域改性沥青聚合物针入度随温度变化曲线图

试验结果: ①不同温度下宽温域改性沥青针入度都大于其他改性沥青，与三者相比优势明显； ②在各种温度下对改性沥青针入度进行比较，其中橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青三者差距不明显； ③通过在不同温度下进行针入度试验所获结果来看，在对应的温度区间方面宽温域改性沥青明显大于其他改性沥青，幅度可以达到20℃。对这种情况进行分析，考虑与将橡胶粉加入SBS改性沥青密切相关，因为可以降低后者相对粘度，使稠度明显减少，从而提高其抗剪切破坏能力，使其在高温及低温环境中都能表现出良好性能。

3.2 延度试验

延度直接与改性沥青塑性密切相关，二者呈现正比关系，延度指标越大说明其塑性越好，这也是改性沥青性能重要指标之一。延度试验中将宽温域改性沥青与其他3种改性沥青进行对比测试，分别为橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青，选择4个试验温度分别为5、10、15和25℃，试件拉伸速度设定在5℃时为1cm/min，超过这一温度为5cm/min±0.25cm/min。进行3个平行试件试验，将所获得结果取平均值，以此作为每组试验结果，最后由表8表示出来。利用在不同温度下所获得数据，最终寻找各种改性沥青延度变化规律，由图3、图4所示。

表8 4类改性沥青聚合物延度试验结果

图3 4类改性沥青聚合物不同温度情况下延度

图4 宽温域改性沥青聚合物延度随温度变化曲线图

本实验结果： ①宽温域改性沥青在试验所选温度条件下延度明显大于其他对比改性沥青； ②橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青在低温条件时进行试验，更容易发生延度试模断裂情况，延度数值很低，无法保证试验有效进行； ③在3种对比改性沥青中SBS改性沥青、复合改性沥青延度情况相似，二者在不同温度情况下延度都大于橡胶沥青； ④当温度升高时3种对比改性沥青延度也会随之增大，而宽温域改性沥青则相对稳定，可以维持在一定范围(≤70cm)； ⑤在所设定的实验温度范围(5～25℃)内宽温域改性沥青延度变化可维持在60～70cm之间，相对变化幅度小。由上述实验结果获得如下结论：宽温域改性沥青无论在高温还是在低温环境下塑性都较好，相对于橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青优势明显，温度变化时其可塑性较少受到影响。

3.3 软化点试验

改性沥青试件受热的情况下会出现软化，导致沥青下垂，当其达到预定长度时，此时温度被称为软化点。这一指标可以反映改性沥青多种性能，如黏度、高温稳定性及感温性。软化点与高温稳定性呈现正相关，当其增大预示着较好高温稳定性。本试验针对宽温域改性沥青软化点进行测试，与橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青软化点进行对比。每组试验做3个平行试件，取平均值作为最终结果，由表9及图5所示。

表9 4类改性沥青聚合物软化点试验结果

图5 4类改性沥青聚合物软化点

本试验结果显示宽温域改性沥青软化点明显高于其他3种改性沥青，可以达到83℃；软化点高度与高温稳定性呈正相关，由此获知宽温域改性沥青高温性能明显优于其他3种改性沥青；将所得结果与我国历史所记载东北季冻地区夏季高温时路面的最高温度与华南地区夏季高温时的路面最高温度(前者可高达53℃，后者可高达73℃)，宽温域改性沥青软化点指标远超过这2个数值。由此获得结论：宽温域改性沥青拌制混合料用于我国公路路面铺筑材料可以显示出优良性能，避免高温造成的路面损害，有效防止车辙等病害发生。

3.4 弹性恢复试验

弹性恢复率指标反映了聚合物改性沥青弹性恢复性能及内部体系的团聚力。本试验研究测试宽温域改性沥青弹性恢复率情况，对比其它3种改性沥青，分别为橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青。设定实验温度为5、10、15和25℃，设定拉伸速度在5℃时为1cm/min，其它温度时为5cm/min±0.25cm/min。

试验进行3个平行试件测试，取平均值作为最终结果，如表10所示，将其关系用曲线图如图6、图7所示。

表10 4类改性沥青聚合物弹性恢复率试验结果

图6 4类改性沥青聚合物不同温度情况下弹性恢复率

图7 宽温域改性沥青聚合物弹性恢复率随温度变化曲线

本试验结果如下: ①从所获得的弹性恢复率情况来看，其中性能最优越的为宽温域改性沥青，复合改性沥青、橡胶沥青紧随其后，最差的为SBS改性沥青； ②无论是在低温还是在高温环境中宽温域改性沥青弹性恢复能力都明显超过其他3种改性沥青，并能保持稳定的弹性恢复率，维持在88%～93%范围内； ③弹性恢复的温度区间方面来看，宽温域改性沥青优势同样明显，远远超过橡胶沥青、SBS改性沥青、复合改性沥青，并且其弹性恢复性能受温度影响较小。

4 结论

我国华北、东北季冻区一年内温度变化较大，由于这些地区大多采用沥青材料路面，常用改性沥青无法同时解决高温车辙以及低温开裂两方面的问题，新型宽温域改性沥青的研究意义重大，是解决这一矛盾的有效途径。本文以橡胶沥青和SBS改性沥青为基础进行研发，力图研制出高低温性能均衡的改性沥青，即宽温域改性沥青，设定这种沥青性能指标5℃时延度在60cm以上，软化点TR&B指标在80℃以上，25℃弹性恢复指标需要超过80%，针入度在50～110(0.1mm)范围之内；从高低温性能指标来看，宽温域改性沥青明显超过橡胶沥青、SBS改性沥青及SBR改性沥青；将这几种改性沥青基础性能进行对比，从试验数据显示：

1) 从针入度试验结果来看，宽温域改性沥青黏度对应的温度区间明显超过其他改性沥青，温度区间超过程度可以达到20℃。考虑是由于将橡胶粉颗粒作为添加剂掺入SBS改性沥青中，使其物理及化学性能发生改变，相对黏度及稠度下降，从而获得更好的抗剪切破坏能力，更加适应高低温环境变化。

2) 从延度试验结果来看，宽温域改性沥青塑性性能无论在低温条件还是在高温环境中都明显超过其他3种改性沥青，温度变化对其性能影响较小。

3) 从软化点试验结果来看，宽温域改性沥青的高温稳定性明显超过其他3种改性沥青，软化点可以高达83℃。

4) 从弹性恢复试验结果来看，宽温域改性沥青有着卓越的弹性恢复能力，无论是在高温还是在低温环境中都明显超过其他改性沥青，弹性恢复率可维持在88%～93%范围内。宽温域改性沥青聚合物具有优良的弹性恢复性能，几乎不受温度的变化影响。

[1] 施晓强,陈先华,杨军,等. 高模量沥青混合料的路用性能评价[J].公路工程，2014(6).

[2] 郭锋,侯曙光.木质素纤维在高黏沥青混合料中的分散工艺[J].公路工程，2012(6).

[3] 樊永华.旧水泥混凝土路面沥青罩面层间处治方案对比研究[J].公路工程,2015(5).

[4] 张瑞敏,余沛,苗方利. 改性玄武岩残积土的水理特性试验研究[J].公路工程,2015(5).

[5] 冉武平,李玲,陶泽峰.基于正交试验的路基回弹模量影响因素分析[J].公路工程,2015(5).

[6] 崔华杰,李立寒,刘栋.高模量沥青混凝土低温抗裂性能研究[J].公路交通科技,2014(2).

[7] 李强,郎卫军.浅谈颗粒状木质素纤维在高速公路沥青路面上的应用研究[J].公路交通科技(应用技术版),2015(3).

[8] 游玉石,曹荣吉,侯永发,等.路用木质素纤维产品制备质量指标影响关系研究[J].现代交通技术，2010(2).

1008-844X(2017)02-0072-05

U 414

A