SEBS改性沥青混合料路用性能研究

马 峰， 金彦鑫， 傅 珍， 邢海鹏

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.长安大学 材料学院，陕西 西安 710064)

0 引言

近年来随着公路交通的高速发展，车辙、开裂、松散等路面病害愈发严重[1]。目前，SBS外掺剂因其对沥青的高低温性能改善效果优异而普遍应用于工程实践领域，然而在外界光热作用下，SBS外掺剂易因不饱和双键降解致使其结构和性能大幅度降低甚至恶化[2]。

SEBS是基于SBS选择性加氢得到的以聚苯乙烯为末端硬嵌段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线型三嵌段共聚物[3]。郑传峰等[4]、朱明广等[5]、胡明君等[6]、马峰等[7]研究表明，SEBS加入后可显著改善沥青的基本物理性能及混合料的高低温性能，抗水损害及抗紫外老化能力，故未来研究前景十分广阔。Zhang等[8]、Vargas等[9]、Zapién-castillo等[10]、Ouyang等[11]分别采用蒙脱石、高岭土及顺丁烯二酸酐对SEBS进行复合改性，发现改性后沥青具有较高的储存稳定性。解建光等[12-13]借助星点设计-效应面法，得出SEBS改性沥青最佳工艺参数，同时指出以石灰石作为填料可明显提高SEBS改性沥青与酸性花岗岩集料的水稳定性。Si Bachar等[14]研究发现基质沥青经SEBS改性后，沥青材料的黏弹性和抗车辙能力明显提升，且5%SEBS改性沥青在老化后具有较高的抗疲劳开裂性能。Zheng等[15]通过研究发现SEBS改性沥青混合料的拉伸应力比、抗张强度、拉伸应变、疲劳寿命、路用性能较SBS改性沥青混合料均有所提升。然而目前主要针对SEBS改性沥青的基本物理、流变性能及储存稳定性进行研究，对 SEBS改性沥青混合料的疲劳性能、自愈合性能未有全面的研究成果。

鉴于此，本文采用沥青高速剪切机制备不同掺量的SEBS改性沥青并进一步得到改性沥青混合料，通过高温稳定性试验、低温抗裂性试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验以及四点弯曲疲劳试验对混合料的高温、低温、水稳、抗疲劳及自愈合性能进行评价，并研究不同掺量对沥青混合料路用性能的影响规律。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

研究选用中石化巴陵石化YH-503 SEBS材料，其技术参数见表1，外观形貌见图1。基质沥青选用SK-90#A级，主要技术指标见表2。混合料所选用的集料和矿粉均为玄武岩。

表1 SEBS(YH-503)基本性能指标Table 1 Technical parameters of SEBS(YH-503)

图1 SEBS(YH-503)Figure 1 SEBS(YH-503)

表2 SK-90#道路石油沥青技术指标Table 2 Properties of CNOOC SK-90# road asphalt

1.2 混合料制备及试验方案

改性沥青制备：采用高速剪切机将一定质量的SEBS剪切入基质沥青中，剪切机转速、剪切温度、剪切时间分别为5 000 r/min、170 ℃、45 min。剪切后在170 ℃烘箱内溶胀发育60 min，得到SEBS改性沥青。制备过程中，分别将质量分数为2%、4%、6%、8% 掺量(如无特别说明，本文掺量均为质量分数)的SEBS掺加到基质沥青中，得到不同掺量的4组改性沥青，基本性能指标见表3。

表3 SEBS改性沥青性能指标Table 3 Properties of SEBS modified asphalt

混合料制备：首先对集料合理筛分并按照规范进行级配设计，采用初始设计孔隙率为4%的AC-13型级配，并根据马歇尔试验对各掺量SEBS改性沥青的最佳油石比(质量分数，下同)进行设计，试验后最佳油石比如表4所示；其次，将确定级配集料、SEBS改性沥青和称量好的矿粉经沥青拌合锅加热拌合，得到各掺量的改性沥青混合料；最后将不同掺量沥青混合料置于相应的试验试模中，并使试件成型。

表4 SEBS改性沥青混合料最佳油石比Table 4 Optimum bitumen-aggregate ratio of SEBS modified asphalt mixture %

试验方案：根据JTG E20—2011《公路工程沥青混合料试验规程》[16]规定的高温车辙、低温弯曲、浸水马歇尔、冻融劈裂、疲劳试验方法，对不同改性剂掺量下混合料试件进行路用性能试验。根据试验结果分析改性沥青混合料的高、低温特性，水稳定性以及抗疲劳特性，以此为基础研究不同掺量SEBS改性剂对沥青混合料路用性能的影响规律。

2 结果分析与讨论

2.1 高温稳定性

在最佳油石比下制备试件，采用车辙试验测定不同SEBS掺量改性沥青混合料动稳定度，试验结果如图2所示。

图2 最佳油石比改性沥青混合料车辙试验Figure 2 Rutting test of modified asphalt mixture with optimum bitumen-aggregate ratio

由图2可知，改性沥青混合料动稳定度随SEBS掺量增加而明显提升。SEBS掺量由0变化至4%时，动稳定度由3 068 次/mm提升至7 337 次/mm，增幅为139.1%，这是因为SEBS改性剂吸附沥青中的轻质组分发生溶胀现象，进而形成网状结构，故低掺量改性沥青混合料高温稳定性增长速率较大[17]；SEBS掺量由4%变化至8%时，动稳定度提升至8 974次/mm，增幅为22.3%，增幅较小，这是由于受到轻质组分含量限制，溶胀有一定的界限，故高掺量改性沥青混合料高温稳定性增长速率逐渐衰减。因此，仅从增幅角度来看，4%掺量的SEBS沥青混合料更具经济效益。

为排除混合料油石比对高温稳定性的影响，测定油石比分别为4.5%、4.7%、4.9%、5.1%、5.3%的改性沥青混合料的动稳定度，试验结果见表5。

表5 不同油石比改性沥青混合料的动稳定度Table 5 Dynamic stability of modified asphalt mixturewith different bitumen-aggregate ratio

由表5可见，SEBS掺量小于4%时，动稳定度峰值出现在最佳油石比左右，表现出优异的高温稳定性；SEBS掺量大于4%时，SEBS改性沥青混合料的动稳定度随油石比的增加而降低，说明高掺量SEBS改性沥青混合料在相对较少的沥青用量下有助于提高其高温稳定性。

SEBS改性沥青混合料的高温稳定性不仅受沥青中轻质组分的影响，同时也与混合料油石比有关。尽管油石比的变化会改变同一掺量混合料中动稳定度峰值的分布，但各油石比下，SEBS改性沥青混合料的动稳定度依旧随SEBS掺量增加而提高。这也验证了最佳油石比下车辙试验中动稳定度增幅发生变化的原因：低掺量混合料动稳定度增长较快是由于掺量和油石比都起到了促进作用；而高掺量条件下高温性能增幅减缓，是由掺量的促进作用和油石比的削减作用共同导致。

2.2 低温抗裂性

采用低温小梁弯曲试验所得的最大弯拉应变和劲度模量指标来表征最佳油石比下改性沥青混合料的低温性能，试验结果见图3。

图3 最佳油石比改性沥青混合料低温小梁弯曲试验Figure 3 Low-temperature trabecular bending test of modified asphalt mixture with optimum bitumen-aggregate ratio

由图3可以看出，随SEBS掺量的增加，混合料最大弯拉应变增加，劲度模量降低。表明SEBS改性剂的掺入，显著提高了混合料的低温柔韧性和集中荷载状况下的松弛性能，从而改善了沥青混合料的低温抗裂性。原因在于：SEBS掺量较少时，SEBS改性剂未在沥青中形成稳定的网状结构相体，混合料脆性较高且柔韧性较差；随着SEBS掺量的增加，改性剂与沥青彼此交联，溶胀发育成完整网状结构，改善了沥青混合料的温度敏感性，进而提升了混合料的低温抗裂性。

为避免油石比对试验结果产生影响，以4.9%油石比制备试件，分别测定5种不同掺量下改性沥青混合料的最大弯拉应变，试验结果如图4所示。

图4 4.9%油石比改性沥青混合料低温小梁弯曲试验Figure 4 Low-temperature trabecular bending test of modified asphalt mixture with 4.9% bitumen-aggregate ratio

由图4可见，SEBS掺量小于4%时，改性沥青混合料的破坏弯拉应变随掺量的增加缓慢提升。这主要是因为低掺量改性沥青混合料中SEBS游离分布于沥青胶结料中，以沥青为连续相富集态，混合料的弯拉强度主要由沥青提供，SEBS仅改善了沥青的柔韧性和黏附性，对沥青混合料的最大弯拉应变提升效果并不明显。SEBS掺量大于4%时，改性沥青混合料的破坏弯拉应变随掺量的增加迅速提升。这是由于随着SEBS掺量的增加，改性剂彼此交织形成网状结构相体，因微观结构的改变使改性沥青的弯拉强度、柔韧性、松弛性能显著提升，进而提高了沥青混合料的低温抗裂性。最佳油石比和定油石比下最大弯拉应变均与SEBS掺量存在关联，即SEBS的加入可显著降低改性沥青的温度敏感性，进而提高混合料的抗弯拉强度；定油石比混合料以4%掺量为界限，弯拉应变增长速率明显不同，说明不同油石比下，SEBS改性沥青混合料的最佳掺量不同，因此仅考虑SEBS掺量来评价改性沥青混合料的低温性能存在一定的局限性。

2.3 水稳定性能

研究最佳油石比下SEBS改性沥青混合料的冻融劈裂比(TSR)和残留稳定度，分析不同掺量SEBS改性剂对沥青混合料水稳定性的影响，试验结果见图5。

图5 冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度Figure 5 Freeze-thaw splitting tensile strength ratio and residual stability

由图5可见，冻融劈裂抗拉强度和残留稳定度均与SEBS掺量呈正相关，但增幅不同SEBS掺量由0变化至8%时，TSR由77.82%增长至89.14%，提升了14.55%；而SEBS改性沥青混合料经48 h、60 ℃水浴后的残留稳定度与基质沥青混合料基本相同，增幅比TSR增幅小。结果表明，SEBS可提高沥青混合料的水稳定性，尤以冻融循环后的改善效果最为显著。

根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[18]对改性沥青路面要求，2%掺量的SEBS改性沥青TSR和残留稳定度已满足规范要求，且高掺量的SEBS表现出更好的水稳性能。

2.4 抗疲劳性能

采用四点弯曲疲劳试验(4PB)，以200×10-6、250×10-6、300×10-63个应变等级分析老化前后基质及各掺量SEBS改性沥青混合料的劲度模量和疲劳寿命。15 ℃条件下恒应变半正弦疲劳试验结果见图6。

图6 应变-疲劳寿命变化曲线Figure 6 Strain-fatigue life trend chart

由图6可见，不同应变水平下SEBS改性沥青混合料的疲劳寿命均低于基质沥青，且随控制应变的增加疲劳寿命逐渐降低。当应变水平为200×10-6、250×10-6时，疲劳寿命随SEBS掺量增加而提升；应变水平增加至300×10-6时，4%掺量SEBS沥青路面疲劳寿命降为7 368次，8%掺量SEBS沥青路面疲劳寿命降为2 976次，低掺量SEBS沥青路面疲劳寿命反高于高掺量SEBS沥青路面疲劳寿命，表明高应变水平下沥青混合料的疲劳寿命与SEBS掺量并非直接负相关，即高掺量SEBS反而会削减改性沥青混合料的疲劳寿命。

2.5 自愈合性能

为研究SEBS改性沥青混合料自愈合性能，在15 ℃首次加载结束后，将试件置于50 ℃下保温愈合6 h，再转至15 ℃保温2～4 h，最后进行二次加载试验，具体试验参数见表6。以初始第50次循环测得的劲度模量值作为初始模量，并以降低至初始劲度模量值的50%作为试验终止条件，试验结果见图7。

由图7(a)可见，SEBS的掺入可明显提高沥青混合料的初始劲度模量，且以8%掺量时趋势较为明显，这可能是因为高掺量SEBS致使沥青混合料发生相的转变，形成稳定的三维网状结构，导致混合料的劲度模量明显提高。此外，4%SEBS改性沥青混合料与基质沥青混合料的劲度模量随循环次数增加拟合效果较好。但相同加载次数下，4%掺量混合料劲度模量下降速率较快，这可能是因为低掺量混合料依旧以沥青为连续相富集态，由不完整的三维网状结构导致。

表6 自愈合试验参数Table 6 The parameters of self-healing test

图7 加载次数-劲度模量关系曲线Figure 7 Loading times-stiffness modulus curve

从图7(b)可以看出，基质沥青混合料自愈合后初始劲度模量降低，模量曲线近似为初始加载曲线整体向下平移，整体趋势未有明显变化。疲劳加载初期，混合料试件劲度模量变化曲线斜率较大，在疲劳稳定阶段，疲劳损伤曲线趋于平缓，说明老化后基质沥青混合料疲劳寿命略有降低。

对比图7(c)、7(d)可见，4%和8%SEBS改性沥青混合料的劲度模量初始加载与愈合后首次加载相近，且后期降低速率略缓于初次加载，疲劳寿命较首次加载均有所提升。说明在疲劳老化条件下，SEBS改性沥青混合料的抗疲劳性能优于基质沥青，这可能是由于在保温愈合条件下，SEBS改性沥青胶结料由固态逐渐转变成固-液二相胶体材料并填充于疲劳裂缝间，使其与集料的黏结强度明显提升，因此SEBS改性沥青-集料界面体系难以破坏。故老化前SEBS的掺加会降低混合料的疲劳寿命，然而通过一定条件保温愈合后，改性沥青混合料的后期劲度模量显著优于基质沥青，且随掺量的增加而逐步提升，表现出优异的自愈合性能。

3 结论

(1)最佳油石比下，沥青混合料动稳定度随SEBS掺量的增加而提高，SEBS掺量由0变化至4%时，动稳定度提升139.1%，增幅较大；由4%变化至8%时，增幅为22.3%，故4%掺量SEBS改性沥青混合料更具经济效益。在不同油石比下，小于4%掺量混合料在最佳油石比处呈现动稳定度的峰值，而大于4%掺量SEBS改性沥青混合料则在相对较少的沥青用量下表现出优异的高温稳定性。

(2)SEBS的加入可显著降低改性沥青的温度敏感性进而提高混合料的抗弯拉强度，且掺量越高效果越明显；定油石比混合料以4%掺量为界限，弯拉应变增长速率明显不同，即低掺量SEBS改性沥青混合料低温抗裂性能未有高掺量改性剂提升效果显著。

(3)在改善沥青路面抗水损害能力方面，改性沥青混合料冻融劈裂比与残留稳定度均优于基质沥青，且随SEBS掺量的增加，水稳定性越好。

(4)SEBS的掺入使沥青混合料的疲劳寿命降低，但初始劲度模量要明显高于基质沥青，且掺量越高，混合料的劲度模量越大；SEBS改性沥青混合料二次疲劳加载自愈合后，改性沥青混合料试件的后期模量和疲劳寿命要显著优于基质沥青，且随掺量的增加逐步提升，表现出优异的自愈合性能。