布敦岩沥青与SBS复合改性沥青老化前后高低温性能研究

摘要：文章为掌握布敦岩沥青与SBS复合改性沥青老化前后高低温性能，制备不同布敦岩沥青掺量复合改性沥青，采用动态剪切流变（DSR）和弯曲梁流变（BBR）试验分别对原样、RTFOT短期老化和PAV长期老化后沥青的高低温性能进行研究。结果表明：随着布敦岩沥青掺量的增加及老化程度的加深，其与SBS复合改性沥青的高温性能逐渐增强，低温性能逐渐减弱;增加布敦岩沥青掺量能改善其与SBS复合改性沥青的高低温性能抗老化能力，但掺量越高改善效率越低。

关键词：布敦岩沥青;SBS;复合改性;抗老化能力

0 引言

随着交通量的日益增加和气候环境的恶化，对沥青路面使用性能的要求也逐渐提高。为提高沥青路面使用性能，我国常采用改性沥青铺筑沥青路面。目前常用的改性沥青有SBS改性沥青和橡胶改性沥青等，尽管上述改性沥青有较好的高温和低温性能[1-6]，但由于SBS及橡胶等为聚合物，其分子极性、化学组成和物理组成等均与基质沥青有较大差别，因而其与沥青的相容性往往较差[7-9]，限制了其在沥青改性中的应用。因而寻求其他沥青改性剂一直是学者们关注的热点。

采用天然岩沥青对基质沥青进行改性近年来引起较多的关注，如产于印度尼西亚的布敦岩沥青，其主要由矿物和岩沥青组成，不含蜡，与基质沥青相容性极好，使用其对基质沥青进行改性时能明显提高沥青高温性能及沥青与集料的粘附性，但会降低沥青低温性能[10-14]。为此，我国学者杜少文等提出采用布敦岩沥青与SBS对沥青进行复合改性，其研究发现复合改性后沥青混合料的各项路用性能指标均满足冻寒区路面性能要求[15]。但现有关于布敦岩沥青与SBS复合改性沥青的研究尚未涉及其老化性能，故对此进行研究有重要意义。

本文对原样、短期老化和长期老化后的布敦岩沥青与SBS复合改性沥青分别进行DSR和BBR试验，分析布敦岩沥青掺量对其老化前后高低温性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）基质沥青

（2）布敦岩沥青

选择布敦岩沥青为改性剂，主要技术指标如表2所示。

（3）SBS

选择线型SBS，其主要技术指标如表3所示。

1.2 试验

（1）复合改性沥青制备

将基质沥青加热至170 ℃～175 ℃，以SBS掺量为2%（基质沥青质量分数），布敦岩沥青掺量为0、10%、20%、30%和40%分别取样掺入基质沥青后使用玻璃棒搅拌10 min，然后采用高速剪切机以5 000 r/min速率剪切40 min即可制得布敦岩沥青与SBS复合改性沥青。

（2）DSR试验

分別对原样、短期老化（163 ℃旋转薄膜烘箱保温85 min）和长期老化（短期老化后其放入2.1 MPa压力老化箱中100 ℃保温20 h）的布敦岩沥青与SBS复合改性沥青进行DSR试验，测定其对应的复数模量和相位角，以评价老化对其高温性能的影响。DSR试验中复数模量表征沥青总体抗变形能力，其值越大沥青高温抗变形能力越好。相位角表征沥青中的粘弹比例，其值越小沥青中弹性成分的比例越高，[JP]高温变形恢复能力越好。试验采用应力控制模式，沥青试样为25 mm、厚1 mm的圆片，试验温度为70 ℃、频率为1.592 Hz。

（3）BBR试验

分别对原样、短期老化和长期老化的布敦岩沥青与SBS复合改性沥青进行BBR试验，测定其对应的蠕变劲度模量和蠕变速率，以评价老化对其低温性能的影响。BBR试验中蠕变劲度模量表征沥青低温抗变形能力，其值越大沥青变形能力越差，脆性特征越明显。蠕变速率则表征沥青低温应力松弛能力，其值越大沥青应力松弛能力越好，低温下越不容易开裂。试验采用试样为125 mm×6.35 mm×12.7 mm的沥青小梁，试验温度为-18 ℃，以加载时间为60 s时对应的蠕变劲度模量和蠕变速率作为试验结果。

2 老化前后布敦岩沥青与SBS复合改性沥青高温性能

原样、短期老化和长期老化后不同布敦岩沥青掺量下布敦岩沥青与SBS复合改性沥青的复数模量和相位角试验结果分别如图1和图2所示。

由图1和图2可以看出：

（1）随着布敦岩沥青掺量的增加，老化前后的布敦岩沥青与SBS复合改性沥青的复数模量逐渐增加，相位角逐渐减小，此时沥青高温性能增强，但布敦岩沥青掺量增加时复数模量的增加幅度相对较大，相位角的减小幅度相对较小。其中，掺量由0增加至40%时，原样、短期老化和长期老化沥青的复数模量分别增大35.7%、18.0%和7.7%，而相位角分别降低4.6%、2.1%和2.2%，表明布敦岩沥青主要改善沥青高温抗变形能力，而对其变形恢复能力的改善作用相对较弱。分析原因：一方面在于布敦岩沥青的沥青成分中沥青质含量明显高于普通基质沥青，约为其5～10倍，故增加其掺量时沥青中重质组分比例增加;另一方面布敦岩沥青中含有大量方解石矿物成分，掺入基质沥青后类似矿粉能与其组成沥青胶浆，故高温抗变形能力提高。

（2）短期和长期老化后布敦岩沥青与SBS复合改性沥青复数模量增加，相位角降低，表明老化使其高温性能增强。其中，短期和长期老化后五个布敦岩沥青掺量下复合改性沥青的复数模量平均值分别较原样沥青增加9.9%和28.8%，表明长期老化对沥青高温性能的增强效果更明显。

（3）随着布敦岩沥青掺量的增加，老化造成的复数模量和相位角变化率逐渐降低，表明增加布敦岩沥青掺量能改善其与SBS复合改性沥青的高温性能抗老化能力，但掺量越高改善效率越低。其中，掺量为0时，短期和长期老化造成的复数模量变化率分别为20.4%和48.8%，相位角变化率分别为4.6%和14.5%;而掺量增加到40%时，两个老化过程造成的复数模量变化率分别为4.7%和18.1%，相位角变化率分别为1.5%和9.8%。各个布敦岩沥青掺量下短期和长期老化造成的复数模量和相位角变化率分别如图3和图4所示。

3 老化前后布敦岩沥青与SBS复合改性沥青低温性能

原样、短期老化和长期老化后不同布敦岩沥青掺量下布敦岩沥青与SBS复合改性沥青的蠕变劲度模量和蠕变速率分别如图5和图6所示。

由图5和图6可以看出：

（1）随着布敦岩沥青掺量的增加，老化前后的布敦岩沥青与SBS复合改性沥青的蠕变劲度模量逐渐增加，蠕变速率逐渐减小，表明掺入布敦岩沥青会造成沥青低温性能变差，且掺量越高表现越明显。同时，布敦岩沥青掺量增加时蠕变劲度模量的增加幅度相对较大，蠕变速率的减小幅度相对较小，其中掺量由0增加至40%时，原样、短期老化和长期老化沥青的蠕变劲度模量分别增大38.3%、11.0%和6.6%，而蠕变速率分别降低5.6%、3.2%和3.2%，表明布敦岩沥青主要造成沥青低温硬脆性增强，而对其应力松弛能力的影响程度相对较弱。此外，从上述数据也可发现，随着布敦岩沥青与SBS复合改性沥青老化程度加深，布敦岩沥青掺量对其低温性能的影响逐渐减小。

（2）短期和长期老化后布敦岩沥青与SBS复合改性沥青蠕变劲度模量增加，蠕变速率降低，表明老化使其低温性能变差。同时，短期和长期老化后五个布敦岩沥青掺量下复合改性沥青的蠕变劲度模量平均值分别较原样沥青增加37.4%和84.9%，而蠕变速率平均值分别较原样沥青下降3.1%和24.5%，表明短期和长期老化对复合改性沥青低温抗变形能力造成的增强幅度相差较小，而对于其低温应力松弛能力而言则是长期老化造成的下降幅度明显高于短期老化。

（3）随着布敦岩沥青掺量的增加，老化造成的蠕变劲度模量和蠕变速率变化率整体上呈逐渐降低的趋势，表明增加布敦岩沥青掺量能改善其与SBS复合改性沥青的低温性能抗老化能力，但掺量越高改善幅度越低。其中摻量为0时，短期和长期老化造成的蠕变劲度模量变化率分别为56.0%和117.0%，蠕变速率变化率分别为4.6%和20.8%，而掺量增加到40%时，两个老化过程造成的劲变模量变化率分别为25.1%和67.2%，蠕变速率变化率分别为2.2%和18.9%。各个布敦岩沥青掺量下短期和长期老化造成的蠕变劲度模量和蠕变速率变化率分别如图7和图8所示。

4 结语

（1）随着布敦岩沥青掺量的增加，其与SBS复合改性沥青的高温性能逐渐增强，低温性能逐渐减弱，且对于高温性能主要改善其高温抗变形能力，对其变形恢复能力改善作用相对较低;对低温性能则是主要使其低温硬脆性增强，其应力松弛能力降低幅度相对较低。

（2）短期和长期老化均会使布敦岩沥青与SBS复合改性沥青的高温性能增强，低温性能减弱，且整体上长期老化对上述性能变化的影响更大。

（3）增加布敦岩沥青掺量能改善其与SBS复合改性沥青的高低温性能抗老化能力，但掺量越高改善效率越低。

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作者简介：马泽理（1973—），工程师，主要从事高速公路建设管理工作。