LKW-Ⅱ温拌剂对橡胶/SBS复合改性沥青流变性能的影响

石振武 王彬骅 张海涛

摘 要：为研究LKW-Ⅱ温拌对橡胶粉/SBS改性沥青流变性能的影响，通过傅里叶红外光谱（FTIR）实验、动态剪切流变（DSR）试验、多应力重复蠕变恢复（MSCR）实验以及低温弯曲梁流变（BBR）实验，分析LKW-Ⅱ温拌剂对其流变性能的影响。实验结果表明： LKW-Ⅱ温拌剂能够有效控制高温条件下流变性能，当掺量为0.1%时，改善效果最好，实验中其余掺量改善性能较为接近;掺加温拌剂后改性沥青的弹性恢复能力更好，在12.8 kPa应力下，0.1%LKW-Ⅱ掺量不会出现结构损伤，且对应力敏感性最小;LKW-Ⅱ温拌剂能够改善低温条件下流变性能，相同温度下0.3%LKW-Ⅱ掺量内部产生应力最小，应力松弛能力最好。LKW-Ⅱ溫拌剂掺量少，能够有效控制高温流变和改善低温流变性能。

关键词：橡胶沥青;红外光谱实验;温拌剂;高温性能;低温性能;Burgers模型;流变性能

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）06-0090-09

Abstract：To study the effect of LKW-Ⅱwarm mix additive on the rheological performance of rubber powder/SBS modified asphalt， Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR） test， Dynamic Shear Rheology （DSR） test， Multi-stress Repeated Creep Recovery （MSCR） test and low-temperature Bending Beam Rheology （BBR） test were conducted to analyze the influence of LKW-Ⅱwarm mix additive on the rheological performance. The experimental results showed that： LKW-Ⅱ warm mix additive can effectively control the rheological performance under high temperature conditions. When the mixing amount was 0.1%， the improvement effect was the best， and the other mixing amount was relatively close in experiment. Warm mix rubber powder/SBS modified asphalt had better elastic recovery ability， 0.1% LKW-Ⅱ mixing amount under 12.8 kPa stress would not cause structural damage， and was the least sensitive to stress. LKW-Ⅱ warm mix additive could improve low-temperature performance. At the same temperature， 0.3% LKW-Ⅱ mixing amount produced the least internal stress and had the best stress relaxation ability. When using a little mixing amount of LKW-Ⅱ warm mix additive， it could effectively control the high temperature rheology and improve the low temperature rheology.

Keywords：Rubber modified asphalt; infrared spectrum experiment; warm mix additive; high temperature performance; low temperature performance; Burgers model; rheological performance

0 引言

随着汽车保有量的增加，带来了繁重的交通量，在温度与荷载的作用下沥青路面发生微观流变，抗变形能力下降。橡胶粉制成的改性沥青，以其降噪、抗开裂和抗车辙的优势被广泛使用[1]。然而，橡胶改性沥青在施工生产时需要达到180 ℃以上，释放出的沥青烟气中包含SOx、NOx以及致癌物[2]。因此，保证其路用性能、降低橡胶沥青的施工温度是值得研究的。

Yan等[3]将橡胶粉和废塑料（EVA）掺入沥青中制备橡胶复合改性沥青，通过动态剪切流变实验及微观试验对沥青进行测试，结果表明，橡胶粉和废塑料对沥青的高温性能改善效果明显，微观结构上2种添加剂能够与沥青很好地溶胀。常睿等[4]通过对比RET（三元共聚物）复配胶粉沥青和SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青的流变性能，结果表明，RET复配橡胶沥青的抗变形能力增强，相比于SBS改性沥青热稳定性更好。王岚等[5]通过研究表面活性剂SDYK和降黏型EM温拌剂对橡胶沥青的高温流变性能影响，结果表明，掺加2种温拌剂能够改善橡胶沥青的高温性能，0.6%掺量的SDYK和1%掺量的EM改善效果显著。Yu等[6]采用不同类型温拌剂制备温拌橡胶沥青，通过混合料试验发现，Sasobit沥青改性剂会导致橡胶沥青的抗车辙能力下降。Pouranian等[2]制备的无发泡温拌橡胶沥青采用气相测试对释放出的沥青烟气监测，结果表明，温拌过程中二甲苯等有害物质排放减少约60%，但温拌剂对抗疲劳和抗裂性能有轻微负面影响。Leng等[7]研究蜡基温拌橡胶沥青的路用性能，结果表明，直接将橡胶粉和蜡基温拌剂一同加入沥青搅拌，由于橡胶粉与蜡基温拌剂液相溶胀冲突，可能会导致路用性能下降。Wang等[8]通过多应力重复蠕变回复试验（MSCR）和线性振幅扫描试验（LAS）对温拌橡胶沥青的性能进行研究，结果表明，不可恢复蠕变的应力敏感性指标不适用于评价橡胶沥青，采用增量指标能更准确判断应力敏感性。目前，国内对橡胶粉与SBS橡胶混合的改性沥青研究较少，将温拌技术和橡胶复合改性沥青的研究更是少见。因此，有必要对温拌橡胶粉与SBS混合改性沥青的流变行为进行研究。

本文采用LKW-Ⅱ型温拌剂对橡胶粉/SBS复合改性沥青进行温拌处理，研究温拌剂对橡胶复合改性沥青流变性能的影响。通过高温动态剪切流变（DSR）试验、多应力重复蠕变恢复（MSCR）试验、傅里叶红外光谱（FTIR）和低温弯曲梁流变（BBR）试验进行测试，分析LKW-Ⅱ温拌剂对温拌橡胶粉/SBS改性沥青的黏弹性、应力敏感性、抗变形能力及降黏降阻机理的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料性能

本文选用中国石油天然气股份有限公司辽河石化分公司生产的橡胶粉/SBS改性沥青，以90#沥青为基质沥青，内掺17%废旧橡胶粉（40目）和3%SBS橡胶。选用温拌剂为远达LKW-Ⅱ型新型温拌剂，LKW-Ⅱ型温拌剂属于表面活性剂类添加剂（棕褐色固液混合物）。本文掺量为0%、0.1%、0.3%、0.5%，实验样品记为CS、0.1LCS、0.3LCS、0.5LCS，软化点、针入度、5 ℃延度、黏度指标结果见表1。

1.2 傅里叶红外光谱（FTIR）试验

傅里叶红外光谱能够测试沥青的化学组分，通过橡胶改性沥青添加温拌剂前后的化学键变化，对吸收峰的位置及峰值进行辨认分析[9]。橡胶改性沥青的黏度较大，不宜制成薄膜或透光性溶液，因此本文红外光谱试验采用全反射（ATR）方式测定，光谱范围为650～4 000 cm-1，扫描次数16次。

1.3 动态剪切流变（DSR）实验

动态剪切流变试验温度扫描模式下，能反映出沥青随温度变化时流变性能的变化[10]。本文按照《AASHTO T315-12》标准，温度扫描设置应变为12%，频率为10 rad/s，考虑到由于橡胶改性沥青黏度大，可能会对仪器造成不可逆的误差，测试温度为40～82 ℃。

1.4 多应力重复蠕变恢复（MSCR）试验

多应力重复蠕变恢复试验能进一步评价沥青在高温环境下的变形恢复能力和应力敏感程度[11]。本文根据《AASHTO TP70-12》标准，试验温度为64 ℃，标准应力为0.1 kPa和3.2 kPa，加载1 s，卸载9 s，每个应力水平进行10次循环。橡胶改性沥青的回弹性能好，针对高性能沥青可以增加更大应力[12]，本文增加了两级更大的应力6.4 kPa和12.8 kPa，能够更全面地表征应力敏感性。

1.5 低温弯曲梁流变（BBR）试验

BBR试验通过恒定的荷载作用，模拟沥青在低温条件下的变形行为和力学特性[13]。本文根据《AASHTO T313-09》标准，测试温度为-18、-24、-30 ℃，对沥青的低温流变行为进行初步评价。低温下，沥青的变形过程较为复杂，Burgers模型本构方程简化后见公式（1），对加载240 s内测试得到的蠕变柔量进行拟合，通过拟合参数的实际物理意义分析温拌橡胶粉/SBS改性沥青在低温下的流变行为[14]。

式中：E1为瞬时弹性模量;E2为延迟弹性模量;η1为瞬时黏性系数;η2为延迟黏性系数。

2 实验结果与分析

2.1 沥青组分与降黏润滑分析

温拌橡胶粉/SBS改性沥青的红外光谱实验结果如图1所示。

由图1可以看出，掺加温拌剂后红外光谱图大致形状没有变化，没有新的吸收峰出现，说明掺加温拌剂的过程中没有发生化学变化。主要的吸收峰为650～900、960、1 034、1 370、1 460、1 599、2 851、2 920 cm-1处。650～900 cm-1复杂的吸收峰和1 599 cm-1为苯环取代识别区，变化情况不大，表明温拌剂对橡胶改性沥青中的芳香族化合物不会产生影响。其余4个较长吸收峰来自碳氢键的振动，区别为振动方式不同，1 370 cm-1和1 460 cm-1來自CH的弯曲振动，2 851 cm-1和2 920 cm-1来自CH的伸缩振动。综上所述，主要吸收峰表明温拌橡胶改性沥青中含有脂肪烃、芳香族化合物以及含硫氧化合物。

掺加温拌剂后，960、1 034、1 700 cm-1处吸收峰明显变小，分别来自SBS成分中丁二烯的反式CC的伸缩振动和CO、SO键振动。LKW-Ⅱ型温拌剂属于表面活性剂，能够将含氧、硫等化合物形成的胶团分散成小分子胶束，通过搅拌均匀分散在沥青中，破坏了原化学键的稳定性。表面活性剂的亲水基团的氢原子能够与溶胀降解后橡胶分子、温拌剂乳液水分子形成氢键，短暂形成结构水膜，增加了分子之间的润滑性，达到了降低黏度和阻力的目的。拌和与碾压过程等机械作用后，胶束周围的表面活性剂逐渐向橡胶颗粒与沥青界面转移，增强橡胶颗粒与沥青的黏结力，使得橡胶改性沥青的性能进一步增强。

2.2 高温流变性能分析

温拌橡胶粉/SBS改性沥青的复合剪切模量（G*）、相位角（δ）随温度变化如图2—图4所示。

由图2中可以看出，G*随温度升高而降低，下降速率的变化趋势为逐渐平缓。这是由于温度升高，沥青变软，材料的黏性逐渐增大[5]。在测试温度内，0.1 LCS的G*始终最大，高温条件下流变减小，其次是0.3、0.5 LCS，但两者与CS较为接近。图3中δ的变化是先降低然后逐渐上升，这与掺加了SBS成分有关，是沥青内部的弹性成分与黏性成分比例变化不同导致的[15]。

由图4中可以看出，温度上升，沥青内部在SBS成分和橡胶粉的作用下，损失模量G″下降速率大于G′下降速率，材料流变性受黏性控制减弱;随温度继续上升，流变性逐渐受黏性控制，δ也随之变大。在测试温度内，0.1 LCS的δ最小，受黏性成分而导致的应力响应延迟最小。

车辙因子（G*/sin δ）实验结果如图5所示，温拌橡胶粉/SBS改性沥青的G*/sin δ随温度升高而降低，由于沥青逐渐向黏流态转变，抵抗变形的能力逐渐变弱。δ与G*变化趋势不同， δ曲线的拐点未对车辙因子产生影响[15]，所以车辙因子没有出现反增的变化。从图5中能够看出，0.1 LCS的G*/sinδ最大，在70 ℃后下降趋于平缓，仍然大于其余沥青，其余掺量提升不明显。综上所述，添加温拌剂能够控制橡胶粉/SBS改性沥青的高温流变性能，掺量为0.1%时效果最佳。

2.3 高温应力敏感性分析

通过每0.1 s记录一次应变值，绘制MSCR试验应变曲线如图6所示。从应变累积角度看，0.1 LCS的累积应变最小，不同的应力水平下应变增加幅度最小，0.3 LCS和0.5 LCS与CS的总应变较为接近，在12.8 kPa应力水平下，0.3 LCS增长速度较快于0.5 LCS。

0.1kPa和12.8 kPa应力水平下的应变曲线如图7所示。

在0.1 kPa应力水平下，温拌橡胶沥青的蠕变恢复能力完好，应力响应迅速、回弹速度快，回弹效率均在80%以上。沥青在12.8 kPa第9周期内应变曲线如图8所示，0.1 LCS蠕变恢复曲线顺滑，其余沥青的应变曲线发生波动，这说明沥青内部已经产生损伤，恢复过程出现阻碍。CS蠕变恢复后的应变超过加载阶段的应变，说明此时沥青内部损伤积累，导致沥青的结构发生破坏，完全失去弹性恢复的能力。

温拌橡胶粉/SBS改性沥青不可恢复蠕变Jnr及应力敏感性指标（Jnr-diff）如图9和图10所示。

各样品Jnr和Jnr-diff随应力增加而增大，0.1 LCS的2项指标始终处于较低水平，0.3 LCS和0.5 LCS差距不大，CS的不可恢复蠕变柔量Jnr处于最高，0.5 LCS的应力敏感性指标Jnr-diff最大，较大应力下对应力敏感。掺加温拌剂能够提高橡胶沥青的弹性恢复能力，并且能够降低应力敏感性，当掺量为0.1%时改善效果最佳。在《AASHTO MP19-10》中规定，路面等级标准中Jnr-diff最大不超过75%，图10中数据在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下已经超出标准，但橡胶粉/SBS改性沥青更低的Jnr表明蠕变恢复性能佳，针对这一情况，Wang等[8]引进Jnr-slope来评价橡胶改性沥青的应力敏感性，计算表达式为：

Jnr-slope的意义在于能够直观看出Jnr的变化速率，Jnr-slope越小表明增加幅度小，应力敏感性较低，弹性恢复能力受影响低。从图11中可以看出3.2 kPa和6.4 kPa应力下，Jnr-slope变化不明显，在这两级应力下橡胶粉/SBS改性沥青能够保证自身弹性恢复能力。当应力增大到12.8 kPa时，Jnr-slope明显增加，应力增大会影响沥青的抗变形能力。0.1 LCS对应力的敏感性最小，其次是0.3 LCS和0.5 LCS，CS对应力的敏感性最大，随温拌剂的掺量增加变得更敏感。

温拌橡胶粉/SBS改性沥青蠕变恢复率（R）及应力敏感性指标（Rdiff）如图12和图13所示。

沥青的R变化趋势一致，随应力增大逐渐减小，在12.8 kPa达到最低值，除0.1 LCRSA外，其余沥青R均小于20%。应力增加后，橡胶改性沥青的弹性恢复能力逐渐减弱，在12.8 kPa下内部累计的损伤导致结构破坏，不能有效回弹。在0.1 kPa应力水平下，温拌剂掺量对橡胶改性沥青的影响不明显，所有样品均能达到80%以上。随应力水平增加，0.1 LCS的蠕变恢复率始终最大，其次是0.3 LCS和0.5 LCS，CS的蠕变恢复率最差。由图13中可知，0.1 LCS的Rdiff最小，增加幅度小，这表明应力增加对0.1 LCS的弹性恢复性能影响较小;CS的Rdiff最大，应力增大的过程中，失去弹性恢复性能的速率最快。

综上所述，随应力增加，温拌橡胶粉/SBS改性沥青累积的应变呈不断增长趋势，3.2 kPa和6.4 kPa对沥青不会造成损伤，不会导致弹性恢复能力受到影响。当温拌剂掺量为0.1%时，弹性恢复性能最好，其余掺量有所改善，效果相近但不如0.1%掺量明显。

2.4 低温流变性能分析

低温弯曲梁蠕变试验结果如图14所示。温拌橡胶粉/SBS改性沥青的蠕变劲度模量S（60）随温度下降逐渐增大，蠕变速率m（60）随温度下降逐渐变小，沥青随温度下降过程中逐渐由黏弹性体向弹性体转化，但不能完全成为弹性体，温度越低质地越硬、弹性成分作用越强。从实验结果可以看出，掺加温拌剂能够有效降低S（60），温度降低时内部产生应力更小;但是从m（60）来看，掺加温拌剂后m（60）降低，说明沥青的应力松弛能力降低。单从S（60）和m（60）来评价沥青的低温性能出现矛盾的情况，这是因为橡胶颗粒和SBS的作用下，沥青对应力的响应和松弛能力都不一样，本文采用Burgers模型进一步探讨橡胶沥青的低温流变性能。

使用Origin 2018软件对BBR试验所得蠕变柔量进行非线性拟合处理，如图15所示，Burgers模型拟合参数如图16所示。所有曲线拟合度R2均在0.995以上，说明使用Burgers模型来描述温拌橡胶粉/SBS改性瀝青低温流变行为是合适的。Burgers模型分别描述了沥青在荷载作用下的流变行为和延迟行为。变形主要分3个阶段：首先是由Maxwell模型弹性模量E1引起的瞬时弹性变形;其次是由Kelvin模型弹性模量E2引起的延迟弹性变形;最后由黏滞系数η1和η2共同作用下引起的黏流变形。最终材料的变形和内部应力趋于稳定[14]。当弹性模量数E1和E2较大时，沥青的初始变形小，路面可能产生断裂;黏性系数η1和η2越小，黏性变形越大，应力松弛能力越好。

当温度下降时，弹性模量E1和E2变大，说明温度越低内部产生的应力越大。相同测试温度下，0.3 LCS的E1和E2相比其他沥青小，说明0.3%掺量在同温度下内部产生的应力更小，低温流变性能可以更好地抵抗应力引起的开裂。由图16可知，沥青η1和η2随温度降低而增大，表明沥青在温度降低时，沥青应力松弛的能力逐渐降低。在同一测试温度下，0.3 LCS的η1最小，应力松弛能力最好;在-30 ℃时，0.1 LCS的η1值最大，松弛能力最差。在应力作用消失后，η2在Kelvin模型弹性模量E2作用下最终会消散。