反应型RET-SBS复合改性沥青及其混合料动态性能研究

张泽丰

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004)

近10 a来，我国的道路运输发展迅速，大部分道路已采用沥青路面的结构形式，但是随着交通量不断增长，超载超限现象频繁发生，致使一些路面出现裂缝、车辙甚至过早破坏[1]。由于我国的路面设计遵循“强基薄面”的思路，沥青面层厚度有限，且透水性等新型功能性需求的提出，迫切需要开发出新的改性沥青材料，以实现具有较高动态强度和耐久性的路面结构[2]。同时，一般的沥青改性技术，诸如SBS、SBR等聚合物复配方案，多采用机械方法将沥青与改性剂简单混合共融，无法与沥青组分形成交联结构，不仅成本较高且不利于储存，拌合料相容性差易发生离析，影响成品材料的运输和施工[3-4]。

为此，一些研究者尝试通过化学改性的方式，利用相应的有机活性物质与沥青或其他改性剂发生化学反应，从而在沥青材料内部形成相互交联的网状结构，提高改性沥青的稳定性和力学强度[5-6]。赵富强[7]等利用多种SBS改性与硫磺反应共混，并进一步探究了复配改性后沥青的高温性能和相容性。常睿[8-9]等分析了反应型三元共聚物(RET)对沥青的改性机理，并通过室内试验对其流变性能和混合料高低温性能进行评价，结果表明，采用反应型改性技术与物理改性相比性能均稳步提升。卢勇[10]等认为将反应型添加剂与SBS混溶，能够显著提高胶结料的动力粘度和抗车辙能力，且随着掺量的增加，改善效果越好。陈娟[11]等通过多种室内试验结果，开展了级配设计并确定了RET改性的沥青混合料的最佳施工温度。董夏鑫[12]等表征了反应型橡胶对胶结料的微观反应和组分变化，并评价其改性的材料性能特点。徐鸥明[13]等提出对改性互混的反应时间和温度进行优化，完善橡胶沥青的加工工艺。

通过上述研究和结论的分析，为本研究的改性沥青制备和室内试验的开展提供了有益的方案参考。本文主要探究了RET改性剂的掺量和制备方法，并通过动态剪切流变试验(DSR)和基本性能试验系统(SPT)对沥青及其混合料的动态力学性能开展试验研究，并将优化结果在实际工程得到应用。本文的结论和方法，对于反应型RET-SBS复合改性方案的推广和工程应用具有一定的参考价值。

1 沥青材料制备

1.1 原材料

基质沥青来自于中海油生产的泰州70#重交沥青，试验测定其基本性能和主要化学组成如表1所示。为了达到改性的目的，首先选用茂名石化生产的SBS聚合物，嵌段比为30/70，性能指标如表2所示；按照前文所述，引入美国杜邦公司的产品RET三元共聚物作为本研究的反应型改性剂，具体参数见表3，相关应用表明，这种材料能够提高胶结料的粘附性和抗疲劳能力，分散性好并能与沥青相应的组分发生化学(磷酸酯化、环接和接枝等)交联，进一步与SBS颗粒形成网状结构，减少SBS改性剂的用量，并改善SBS与沥青的相容性。

表1 基质沥青的基本性能与化学组成Table 1 The basic properties and chemical composition of matrix asphalt基本物理性能组成百分比/%软化点/℃针入度(25 ℃)/ 0.1 mm延度(5 cm/min, 15 ℃)/cm粘度(60 ℃)/(Pa·s)芳香分胶质沥青质饱和分47.669.5>15026754.321.712.111.9

表2 SBS聚合物技术参数Table 2 Technical parameters of SBS polymer结构拉伸强度/MPa伸长率/%密度/ g·cm-3 灰分量/%线型21.66200.93<0.5

表3 RET反应型改性剂技术参数Table 3 Technical parameters of RET reactive modifier外观熔融指数/ g·(10 min)-1 密度/ g·cm-3 熔点/℃熔融温度/℃黄褐色、颗粒状40.9472<280

试验用沥青混合料重构成骨架的集料来自于株洲产的优质石灰岩碎石，各项性能指标满足规范要求，见表4。

表4 集料的物理性质Table 4 The physical properties of aggregates类型表观密度/(g·cm-3)压碎值/%洛杉矶磨耗值/%针片状含量/%含泥量/%砂当量/%粗集料2.7416.819.36.5——细集料2.67———1.076规范—≤26≤28≤12≤3.0≥60

1.2 改性方案与制备流程

一般认为，当SBS的掺量较低(小于3%)时，采用化学反应型复配方案能达到实际效用与经济性的最优，同时结合前期应用经验，RET材料的掺入也一般不超过2.0%。基于此，加入复配的SBS材料的质量比为2.5%，而RET材料的含量选用1.0%、1.5%和2.0%这3组试验值。试验对照组则采用掺入量为4.5%的SBS改性沥青。

反应型SBS复合改性沥青的制备流程为：待70#基质沥青加热至155 ℃～165 ℃后，首先加入RET改性剂，低速搅拌(温度不变)保证材料分散均匀，溶胀约30 min；随后，将称好的SBS材料缓慢倒入，继续搅拌30 min左右待混合材料溶胀均匀；然后，将混合稳定后改性沥青的温度提升至170 ℃～180 ℃，切换至高速剪切(4 000 r/min)模式且搅拌时间不小于50 min，期间温度不宜过高；最后，设置恒温烘箱温度为155 ℃～165 ℃，将搅拌好的改性沥青放置烘箱并发育约2 h备用。

2 试验方法概述

对于改性沥青的常规物理性能，已有较多的文献开展并描述了掺入改性剂后对沥青软化点、针和延度等性能的提升作用，并降低了沥青标号，且其性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，因此在本文不予赘述。

本研究主要就沥青及其混合料的动力特性展开试验分析，选取了动态剪切流变试验(DSR)测定不同温度条件下改性沥青的粘弹性，以及通过动态模量试验计算得到不同温度和频率下的沥青混合料动力性能的变化规律。试验所采用的混合料级配为SMA-13级配，见表5，最佳油石比为6.0%，拌合温度为165 ℃～170 ℃。

表5 SMA-13级配通过百分比Table 5 Grading passing percentage of SMA-13不同粒径(mm)的通过百分比/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100976325211816141211

3 试验结果与分析

3.1 动态剪切流变试验

对上述4种改性沥青以及基质沥青开展DSR试验，受篇幅限制，本文仅列出原样沥青试验结果，按照PG分级要求，分别采用58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃共5种测试温度，如图1所示，为不同温度下的抗车辙因子G*/sinδ和相位角δ变化规律。

本文所指的新生代农民主要是指出生于20世纪80年代与90年代，年龄在16岁以上，在异地以非农就业为主的农业户籍人口。

(a) 抗车辙因子

从图1中的结果可以看出，随着温度升高，不论是基质沥青还是改性沥青，两种测试指标均呈单调变化，其中，G*/sinδ因子逐渐减小，相位角δ不断增加，这是由于高温条件下，材料逐渐由弹性转换为粘性状态；比较RET复合改性和SBS改性试样，在相同温度条件下，抗车辙因子大小排列顺序为2.0%RET掺量+2.5%SBS掺量、1.5%RET掺量+2.5%SBS掺量、4.5%SBS掺量、1.0%RET掺量+2.5%SBS掺量，说明复合改性改性能够明显的改善沥青的高温性能，当RET的掺量大于1.5%时较单一SBS改性的效果要好；由于改性沥青形成了网状交联结构，粘性成分减小，从而改性沥青的相位角小于基质沥青；此外图中改性沥青的G*/sinδ因子均大于1.0 kPa，而当温度大于64 ℃时基质沥青已不满足要求，因此，说明改性后的沥青高温性能较基质沥青更佳。

为了进一步说明温度T对材料性能的影响规律，采用式(1)和式(2)分别对两个试验掺量进行线性回归分析，拟合参数与相关性结果见表6。从下面公式可以看出，参数a与c为拟合曲线的斜率，其绝对值大小在一定程度上反映了材料对温度的敏感程度。从表6中可以看出，随着RET的掺入增加，两者拟合曲线的斜率均减小，说明RET复配能够进一步改善SBS改性沥青的温敏性，当RET的质量比大于1.5%时，材料的改良效果已经超过了4.5%SBS掺量改性沥青；同时，从a和c的变化幅度可知，沥青材料的相位角对温度比较敏感，可以作为改性剂对沥青温敏性的指标，易于区别和评价其变化规律。

ln(G*/sinδ)=alnT+b

(1)

δ=clnT+d

(2)

表6 温度与DSR试验结果的相关性分析Table 6 Correlation analysis of temperature and DSR test results试验材料抗车辙因子拟合结果相位角拟合结果abR2cdR2基质沥青-7.16630.2360.99616.12613.7870.9861.0%RET掺量+2.5%SBS掺量-5.85925.9040.99121.334-21.0950.9891.5%RET掺量+2.5%SBS掺量-5.42024.7130.99716.601-9.4330.9762.0%RET掺量+2.5%SBS掺量-5.22423.9860.99813.961-3.1030.9644.5%SBS掺量-5.51324.9980.99618.590-19.3330.977

3.2 动态模量试验

动态模量E*是沥青路面设计的重要设计参数之一，通过SPT试验系统测定4种温度(5 ℃、20℃、35 ℃、50 ℃)和5种频率(0.1、0.5、1、5、10 Hz)条件下SMA-13试件的动态模量，试件尺寸为100 mm×150 mm，本研究的5种沥青混合料试验结果如图2所示。

从图2的测试结果可以得出如下结论：① 从整体上看，随着试验温度越低、荷载频率越大，混合料的动态模量E*逐渐增大，说明测试试样在上述试验条件下，始终保持明显的粘弹性特征，并能通过时-温等效置换原理进行解释其变化规律；② 在低温(5 ℃)环境下，经过RET改性沥青的E*值介于基质沥青和4.5%SBS掺量单一改性沥青的结果之间，随着RET加入量的增加，其模量值逐渐接近SBS单一改性沥青，这表明RET反应形成交联网络空间可以抵抗部分低温应力对材料的损害，改善其低温的脆硬性，进一步提升其低温稳定性；③ 在常温(20 ℃)环境下，不同频率下的RET复合改性沥青的E*值均大于SBS单一改性沥青，其中2.0%RET掺量+2.5%SBS掺量的结果较4.5%SBS掺量沥青混合料的平均模量增加了37.8%；④ 在中高温(35 ℃、50 ℃)环境下，改性沥青的性能明显大于基质沥青，其模量值按从大到小排序有2.0%RET掺量+2.5%SBS掺量、1.5%RET掺量+2.5%SBS掺量、4.5%SBS掺量、1.0%RET掺量+2.5%SBS掺量，因此，可以确定当RET的质量比大于1.5%时，混合料的高温性能将超过单一的SBS改性沥青，其模量同频率相比，增加了3.3%～30.5%，这一结论与DSR的高温性能评价结果是一致的。

图2 动态回弹模量测试结果

从上述试验结果可知，对于沥青混合料而言，其粘弹性特征十分显著，为了便于量化评价各改性方案所得的混合料动态力学性能，本文采用动态模量的主曲线拟合公式及其参数进行比较分析。首先，由Sigmodial模型可以对主曲线结果进行描述，如式(3)所示；结合时-温等效原理，缩减频率fr可以由加载频率f和温度位移因子α(T)确定，如式(4)所示。联立式(3)、式(4)，并根据已有的动态模量试验结果，采用线性规划求解，得到预估参数见表7。从拟合公式的形式可知，参数a的大小可反映了混合料的力学强度，从表7可看出，2.0%RET掺量+2.5%SBS掺量和1.5%RET掺量+2.5%SBS掺量两种改性方案要明显高于单一SBS和基质沥青，而4.5%SBS掺量仅与1.0%RET掺量+2.5%SBS掺量的改进方案接近，因此，拟合结果也进一步说明了在低剂量SBS改性沥青中复配质量比为1.5%以上的RET能获得较佳的沥青混合料动力性能。

(3)

log(fr)=log[fα(T)]=log(f)+

(4)

其中，Max表示动态模量E*极大值所对应的对数；fr表示缩减频率；a、b、c表示曲线的拟合参数；T表示测试温度；Tr为参考温度；ΔEa表示激活能量；R表示通用气体常数。

表7 动态模量主曲线的拟合结果Table 7 The fitting results of the main curve of dynamic modulus试验材料abcR2基质沥青4.040 2-0.867 3-0.628 10.8891.0%RET掺量+2.5%SBS掺量4.128 9-0.927 3-0.612 40.8571.5%RET掺量+2.5%SBS掺量4.402 3-0.832 1-0.629 10.8652.0%RET掺量+2.5%SBS掺量4.501 4-0.734 2-0.612 20.8434.5%SBS掺量4.155 3-0.703 2-0.573 10.846

4 工程应用

以某一新建高速公路项目为依托，双向四车道设计，试验段上面层采用本研究的SMA-13级配，掺入1.5%RET掺量+2.5%SBS掺量复合改性剂。混合料的拌合过程遵循相关技术标准，并严格控制现场的施工工艺。现场抽样，并制作试件进行高低温性能检测，所得结果见表8。从表中结果可以看出，材料的各项性能均满足规范要求[14-16]，并表现出优异的高温性能。混合料运输过程无明显离析

表8 抽样试件性能测试结果Table 8 Performance testing results of sample specimens项目动稳定度/(次·mm-1)马歇尔稳定度/kN残留稳定度/%冻融劈裂强度比/%测试结果9 0317.2790.694.3技术要求>3 000 >5.5>80>80

现象。

试验段铺筑的抽检结果显示，混合料的平均压实度为98.7%，构造深度、抗滑摩擦系数等技术指标均满足规范要求。对通车后1 a运营期内的试验段使用情况进行调查观测，气温变化在-3℃～42 ℃之间，交通量较大，货运汽车较多，超载较为严重，但路面使用状况良好，全路段无明显裂缝。通过工程应用表明，采用反应型RET-SBS复合改性混合料后试验路段质量优异、应用效果较佳。

5 结语

本研究配置了不同剂量的反应型RET-SBS复合改性沥青，通过对开展DSR试验和动态模量试验，研究各改性方案沥青的抗车辙因子G*/sinδ和相位角δ随温度的变化规律，以及SMA-13沥青混合料的高低温动态力学性能随加载频率的变化关系，主要得到以下结论：

a.改性后的沥青高温性能较基质沥青更佳，当RET的掺量大于1.5%时，复合改性沥青的高温稳定性较单一SBS改性的效果要好，并与其温度敏感性的规律一致。

b.随着RET加入量的增加，复合改性沥青混合料的低温性能得到改善，其低温条件下的动态模量值逐渐接近SBS单一改性沥青，RET反应形成交联网络空间可以抵抗部分低温应力对材料的损害，改善其低温的脆硬性。

c.复合改性沥青的中高温试验结果表明，当RET的掺量大于1.5%时，混合料的高温性能将超过单一的SBS改性沥青，同频率相比增加了3.3%～30.5%。

d.通过对动态模量的主曲线的拟合结果也发现，在低剂量SBS改性沥青中复配质量比为1.5%以上的RET能获得较佳的沥青混合料动力性能。

e.工程应用与试验优化所得结论保持一致，采用1.5%RET掺量+2.5%SBS掺量复合改性沥青混合料铺筑道路，实际路用性能优良，可以进一步推广使用。