不同稳定剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响

程 龙，郭 欣，于 江，叶 奋,2，李林萍

(1.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

0 引 言

SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性沥青可以显著提升沥青路面的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、抗疲劳开裂性能，在中国道路工程中得到了广泛的应用[1-2]；但由于SBS与基质沥青相容性差而大大降低了SBS的改性效果。鉴于此，国内外研究者提出使用稳定剂增强SBS改性沥青的存储稳定性能。游金梅采用不同掺量的多聚磷酸(PPA)改善SBS的存储性能，证明PPA的加入能够改善SBS改性沥青的高温性能、抗老化性能，但低温性能降低；Zhang F[3]发现使用硫(S)作为稳定剂可以改善SBS、SBR在基质沥青中的分散程度，并且提高了SBS改性沥青的抗老化性能；宋莉芳发现在沥青服役温度内，使用有机改性黏土及含硫化合物稳定剂，对SBS改性沥青的流变特性影响显著；常海洲[4]发现纳米CaCO3稳定剂能提高SBS改性沥青的高温稳定性、动态力学性能和低温抗裂性能。

虽然目前关于SBS复合改性沥青路用性能的研究已经取得丰硕的成果，但大多研究只是纵向针对不同掺量下某一种添加剂对SBS改性沥青存储稳定性能及其混合料路用性能的影响[5-7]。本文从改善SBS改性沥青存储稳定性的角度出发，分别以有机蒙脱土(OMMT)、炭黑(CB)、硫(S)作为稳定剂对SBS沥青进行复合改性，通过离析试验、三大指标试验探讨不同掺量的3种稳定剂对SBS沥青存储稳定性能的影响，从而确定不同种类稳定剂的最佳掺量；在此掺量的基础上对SBS复合改性沥青进行配合比设计，进行马歇尔稳定度试验、高温车辙试验、低温梁弯曲试验、疲劳试验，采用纵向对比与横向分析相结合的方法，全面探究3种稳定剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响,为SBS复合改性沥青更加广泛地应用于中国道路工程领域提供理论依据。

1 试验原材料

1.1 沥青及改性剂

本试验选取克拉玛依90#沥青为基质沥青。聚合物改性剂(简称SBS)选用独山子石化分公司的星型SBST1 61-B改性剂，掺量为3%、4%、5%。为了减少SBS在沥青中的沉淀和团聚现象，试验采用LHB-2型剪切乳化搅拌机制备改性沥青，首先取适量的沥青加入加热锅中，设定加热温度为180 ℃，然后将拟定掺量的SBS倒入沥青中，手工搅动1 min后，再自动搅拌60 min，即可制备SBS改性沥青。

1.2 复合改性沥青的制备

在制备SBS改性沥青的基础上，分别将不同掺量(2%、4%、6%)的稳定剂，即有机蒙脱土(简称OMMT)、硫(S)、炭黑(CB)，依次加入180 ℃的SBS改性沥青中，使用高速剪切乳化搅拌机搅拌1 h，即可得到SBS/OMMT、SBS/S以及SBS/CB复合改性沥青[8-9]。

2 沥青及沥青混合料试验方法

改性沥青及沥青混合料试验方案如图1所示。

图1 试验方案

2.1 改性沥青存储稳定性试验

将制备好的改性沥青加热至充分流动状态，注入直径32 mm、高160 mm的铝管中(注入沥青质量约为50 g)，将铝管口密封之后竖直放入163 ℃±0.5 ℃的烘箱中，放置48 h±1 h。然后，将铝管放入-20 ℃的冰箱中冷冻4 h。冻结的铝管随后剪切成等量的三段，从顶部和底部获得的试样用于评估储存稳定状态。

2.2 改性沥青混合料试验

2.2.1 高温车辙试验

采用《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》( JTJ E20—2011)中的试验方法，对沥青混合料进行高温车辙试验、浸水马歇尔稳定度试验和低温弯曲试验，其中以高温车辙试验作为评价改性沥青混合料高温性能的方法，评价指标选用动稳定度DS、相对变形指标δ。混合料低温试验温度为-10 ℃±0.5 ℃，加载速率为50 mm·min-1。

2.2.2 疲劳试验

本试验采用澳大利亚IPCGlobal公司制造的BFA四点弯曲疲劳试验机测试沥青混合料疲劳性能，测试过程中使用UTM软件操作系统。

2.3 疲劳寿命评价方法

本文采用的疲劳寿命评价方法为SHRP-A303中推荐的疲劳性能判断方法，即50%初始劲度模量降低疲劳寿命法(Nf50法，Nf50为50%初始劲度模量减少时的疲劳作用次数)。

3 不同稳定剂对SBS改性沥青性能的影响

3.1 对SBS改性沥青存储稳定性能的影响

对不同掺量的SBS/OMMT改性沥青、SBS/S改性沥青、SBS/CB改性沥青进行离析试验，结果如图2所示。离析试验上下软化点差值小于2.5 ℃，表明SBS改性沥青未离析。由图2(a)可以看出，不同掺量的SBS改性沥青离析值均大于2.5 ℃，且SBS改性沥青的软化点差值与SBS掺量并不是正相关，软化点差值从大到小依次为4%SBS、5%SBS、3%SBS。因此，本文选取软化点差值最大的4%SBS改性沥青为样本，分别加入有机蒙脱土、硫、炭黑3种添加剂制备复合改性沥青。复合改性沥青软化点离析值如图2(b)所示，由图可知，在适宜的掺量下3种稳定剂都可有效地减少SBS改性沥青的离析值，解决SBS改性沥青的离析问题。其中，当OMMT掺量小于4%时，OMMT的掺入并不能减小SBS改性沥青的离析值，而当OMMT掺量超过5%时SBS改性沥青的离析值可满足规范要求。CB在掺量为4%时即达到存储稳定，当CB掺量为4%～6%时，对SBS改性沥青存储稳定性能的影响不大。S的掺量为2%时，SBS改性沥青存储性能即可达到稳定，随S掺量继续增加，其离析值变大，存储性能愈加不稳定。根据离析试验结果制备3种存储稳定的SBS复合改性沥青：掺6%OMMT的SBS/OMMT改性沥青、掺5%CB的SBS/CB改性沥青、掺2%S的SBS/S改性沥青。

图2 不同改性沥青离析试验结果

3.2 不同稳定剂对SBS基本性能的影响

分别测定SBS改性沥青、SBS/OMMT复合改性沥青、SBS/S复合改性沥青以及SBS/CB复合改性沥青的基本性能，结果如表1所示。

表1 改性沥青常规试验结果

由表1可得：OMMT稳定剂对SBS改性沥青低温性能的改性效果明显，低温黏度随掺量的增加急剧降低；SBS/CB改性沥青低温黏度受添加剂掺量的影响最小，改性效果较为稳定；SBS/S改性沥青低温黏度随稳定剂S掺量的增加呈上升趋势。此外，S和OMMT均能提高SBS改性沥青针入度指数，而CB的加入则降低了SBS复合改性沥青对环境温度的敏感度，提高了沥青混合料的耐久性及使用寿命。

软化点试验结果显示：OMMT稳定剂掺量为4%时，改性沥青软化点提高了6 ℃，掺量为6%时，软化点温度上升14 ℃，说明OMMT对SBS改性沥青高温性能提升显著；而S和CB稳定剂对SBS改性沥青高温性能改性效果不明显。延度试验数据显示，不同掺量的普通SBS改性沥青延度均大于1 000 mm，SBS改性沥青表现出极佳的低温抗裂能力，而3种稳定剂的加入对SBS改性沥青低温抗裂能力均有不同程度的消极影响，其中SBS/OMMT改性沥青低温抗裂能力最差。

4 不同稳定剂的SBS改性沥青混合料配合比设计

沥青混合料的配合比设计采用马歇尔试验设计方法，即通过试配法确定混合料的矿料配合比，并通过马歇尔试验判断矿料级配的合理性，确定混合料的最佳油石比[10-12]。沥青材料选择：OMMT掺量6%的SBS/OMMT改性沥青、CB掺量5%的SBS/CB改性沥青、S掺量2%的SBS/S改性沥青。级配设计选择多碎石级配SAC-16。采用马歇尔试验设计方法确定混合料的最佳级配，结果见表2。通过马歇尔系列试验得到混合料体积参数、马歇尔稳定度、流值，如表3所示。

表2 SAC-16级配设计

表3 马歇尔试验结果

表3数据显示：3种SBS改性沥青混合料的空隙率与沥青掺量呈负相关，沥青掺量达到6.0%时，3种混合料的空隙率均降至5%左右。由马歇尔稳定度和流值数据可知，在同一油石比条件下，3种稳定剂的加入均能不同程度地增加SBS沥青混合料的稳定度。其中，当油石比为5.2%～6%时，SBS/CB和SBS/OMMT复合改性沥青混合料的变形量，较油石比为4.5%、5%时分别减少了24.4%、3.82%，而4种油石比SBS/S改性沥青混合料的塑性变形量一直低于普通SBS沥青混合料。按照中国现行OAC方法确定沥青最佳用量：SBS沥青最佳用量为5.675%；SBS/OMMT改性沥青最佳用量为5.792%；SBS/CB改性沥青最佳用量为5.93%；SBS/S改性沥青最佳用量为5.83%。根据普通SBS改性沥青和3种复合改性沥青最佳掺量与SAC-16级配，制备马歇尔标准试件和车辙板试件。

5 不同SBS复合改性沥青混合料的室内试验

5.1 浸水马歇尔试验

分别对SBS、SBS/OMMT、SBS/S、SBS/CB沥青混合料进行浸水马歇尔试验，试验结果如表4所示。混合料浸水试验显示：普通SBS改性沥青混合料浸水残留稳定度达到93%以上，加入OMMT后SBS/OMMT混合料浸水残留稳定度达到97%以上，表现出极佳的抗水损能力； SBS/S改性沥青混合料浸水残留稳定度的平均值为92%，与普通SBS改性沥青浸水残留稳定度相接近，说明S添加剂对混合料的抗水损能力几乎没有作用；而SBS/CB改性沥青混合料的抗水损能力降低了11%，表明CB添加剂降低了SBS改性沥青的抗水损害能力。从马歇尔稳定度试验结果看，S、OMMT都能有效提高普通SBS改性沥青混合料的承载力。

表4 浸水马歇尔试验结果

5.2 动稳定度分析

同一条件下安排平行试验2次，若存在大于20%的误差则进行第3次试验，共完成4组车辙试验(共计8根小梁)，试验结果如表5所示。

表5 车辙试验结果

车辙试验结果显示，OMMT/SBS改性沥青混合料的动稳定度为SBS改性沥青混合料的2.1倍，究其原因是，OMMT/SBS复合材料形成了剥离型的结构，其片层本身会对沥青分子链的运动产生一定的阻碍作用，所以其高温抗车辙能力最为突出[15-16]，适用于对温度要求较高的炎热地区沥青道路建设。SBS/CB沥青混合料与SBS/S沥青混合料的高温抗车辙能力也达到普通SBS沥青混合料的1.5倍左右。车辙试验结果说明，3种添加剂都能有效提高SBS改性沥青混合料的抗车辙性能。

5.3 疲劳试验

基于材料和试验量的限制，疲劳性能检测仅选取应变1 000 με平行试验2次，共完成4组疲劳试验(实际试验12根)，试验数据如表6所示。

表6 疲劳试验结果

经过对比发现，3种稳定剂的加入对SBS改性沥青的疲劳性能均有不同程度的提升。从疲劳性能观察，4种沥青混合料的疲劳性能从大到小依次为SBS/OMMT、SBS/CB、SBS/S、SBS。经过深入对比还发现有如下现象：SBS/OMMT沥青混合料的疲劳寿命为2.0×105～2.7×105次，相较单纯的4%掺量下的SBS改性沥青(即未掺加稳定剂时)混合料的疲劳寿命(0.9×105～1.2×105次)，有近1倍的提升；而SBS/CB复合改性的动稳定度较SBS而言有0.5倍的提升；SBS/S的疲劳性能与SBS相接近。

5.4 混合料弯曲试验

弯曲梁试验是在-10 ℃低温环境下完成的，在同一条件下完成平行试验2次。混合料小梁试验结果见表7。由表7可以看出：普通SBS改性沥青混合料的平均劲度模量为1 618.09 MPa；而SBS/OMMT复合改性沥青混合料的劲度模量为1 267.01 MPa，较普通SBS改性沥青混合料下降了21.7%；SBS/CB复合改性沥青混合料的劲度模量为937.72 MPa，较普通SBS改性沥青混合料下降了42.1%；SBS/S复合改性沥青混合料劲度模量为1 855.47 MPa，比普通SBS改性沥青混合料上升了16.52%。此外，SBS/S的承载力也是混合料中最高的。OMMT虽然使SBS改性沥青的抗车辙性能和水稳定性能显著提升，但低温环境下其劲度模量仅仅是普通SBS改性沥青的79.9%；而SBS/CB混合料的低温承载力是3种复合改性SBS混合料中最小的，其劲度模量只达到SBS/S混合料的一半。小梁弯曲试验表明，稳定剂S能改善普通SBS改性沥青的低温性能，而OMMT和CB降低了SBS改性沥青的低温抗开裂能力。

表7 低温(-10 ℃)弯曲试验验结果

6 结 语

(1)存储稳定性能方面。通过沥青离析试验可得：SBS/S复合改性沥青S添加剂最佳掺量为2%，；SBS/OMMT复合改性沥青OMMT添加剂最佳掺量为6%；SBS/CB复合改性沥青CB添加剂最佳掺量为5%。

(2)高温性能方面。OMMT的加入对SBS的软化点有积极影响的试验结果，与OMMT能使 SBS改性沥青混合料高温抗车辙性能提高2.4倍的试验结果一致，而CB与S稳定剂对SBS改性沥青混合料高温性能的影响并不显著。

(3)低温性能方面。S使SBS改性沥青混合料低温劲度模量提高8%；CB降低了SBS改性沥青混合料40%的低温抗开裂能力；SBS/OMMT的低温劲度模量仅为SBS改性沥青混合料的79.9%。

(4)抗水损害性能方面。SBS/OMMT改性沥青混合料浸水残留度达到97%，水稳定性能极佳；S添加剂对混合料抗水损害性能几乎无影响；CB添加剂降低了SBS改性沥青混合料18%的抗水损害能力。

(5)疲劳性能方面。SBS/OMMT沥青混合料的疲劳寿命为2.0×105～7.7×105次，相较单纯的4%掺量下的SBS改性沥青混合料的疲劳寿命，有近1倍的提升，SBS/CB复合改性沥青混合料的动稳定度较SBS改性沥青混合料有0.5倍的提升，而SBS/S复合改性混合料的疲劳性能与SBS改性沥青混合料接近。