不同SBS 掺量对沥青混合料路用性能的影响

■林瑞慧

（福建省公路水路建设投资有限公司，福州 350001）

半刚性基层沥青混凝土路面作为我国主要的路面形式，存在的问题日益显现，如达不到预期设计寿命和早期疲劳破坏等[1]。 深入分析沥青混合料性能是了解路面病害成因和进行路面结构设计的基础[2]。 要构建和完善更符合实际施工需求的路面设计理论，必须全面评估沥青混合料的路用性能[3]。现有研究指出，SBS 改性沥青的质量对沥青混合料的路用性能有着显著影响，并且SBS 的掺量直接关系到改性沥青的性能水平。 因此，探究不同SBS 掺量下混合料的路用性能对于路面工程领域来说具有重要的研究价值[4]。

在我国，高等级公路的沥青路面上面层通常采用较为成熟的AC 型（沥青混凝土）和SMA 型（沥青玛蹄脂碎石混合料）沥青混合料[5]。 在施工过程中，为了确保路面的耐用性和性能，面层沥青混合料需要满足比底基层和中面层更为严格的质量标准[6]。因此，本项目设计了AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的配合比，并对这些混合料进行了高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能、抗剪性能、抗压性能、抗磨光耐久性的试验，旨在研究SBS 改性剂掺量对沥青混合料性能的影响，以期优化沥青混合料的设计，提高路面的整体性能，延长道路使用寿命，提升行车安全性和舒适性。

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1 沥青材料

选用的基质沥青为70# 道路石油沥青，用于制备含有不同SBS 掺量的聚合物改性沥青。其基本物理性能包括：针入度6.8 mm、软化点47.5℃、延度41 cm、黏度198.8 Pa·s。

1.1.2 SBS 改性剂

在制备SBS 改性沥青时，选用了燕山石化生产的星型SBS4303 和线型SBS1301，研究了不同种类和掺量的SBS 对改性沥青性能的影响规律。相关的SBS 性能指标已详细记录在表1 中。

表1 SBS 聚合物改性剂的技术指标

1.1.3 其他材料

选用木质素纤维作为SMA 型沥青混合料的加筋纤维。 所选用的骨料为漳平浩元玄武岩，其具备高密度、高强度和优异耐久性特点，同时有较多的天然节理。 作为填料使用的矿粉来自经过精细研磨而成的石灰岩，保证矿粉纯净无杂质。

1.1.4 试件制备

采用φ101.6 mm×63.5 mm 圆柱体试件成型，制备前将模具在烘箱中预热1 h，将改性沥青加热至熔融状态。 矿料烘干至恒重，将其放入拌合机中充分搅拌，拌和温度依据沥青的黏度设置。 拌和完成的沥青混合料用小铲再次拌匀，随后填充到预热的模具和套筒中。 在SBS 改性沥青的制备工艺中，高速剪切搅拌的转速设定为5 000 r/min，搅拌时间为40 min，温度控制在180℃，在低温搅拌发育阶段，时间设定为2.75 h。 在SBS 聚合物改性剂的掺量方面，分别进行2%、3%、4%、5%和6%的掺量实验。通过马歇尔试验，参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，结合不同油石比下沥青混合料的各类性能指标，实验得出，AC-13 型沥青混合料的最佳油石比为4.96%，SMA-13 型混合料的最佳油石比为6.0%。

1.2 试验方案

1.2.1 高温稳定性测试

通过马歇尔试验测得稳定度与流值进行初步反映，再使用车辙试验模拟现场环境，测试沥青混合料高温抵抗车辙能力。

1.2.2 水稳定性测试

通过浸水马歇尔试验测试其浸水残留稳定度来表征沥青混合料抗水损害、 抵抗剥落的能力；通过在饱水状态下冻融劈裂试验测试其冻融劈裂强度比（TSR），评价沥青混合料水稳定性。

1.2.3 低温抗裂性测试

试验分别比较不同SBS 掺量改性沥青混合料的老化前与老化后的两组低温性能变化。

1.2.4 抗疲劳性能测试

采用四点弯曲疲劳寿命试验，在疲劳试验机上对待测混合料进行重复应变，测试其疲劳寿命。 试验选用常应变加载模式，设定加载频率为（10±0.1）Hz，温度为（15±0.5）℃，恒定应变水平600 με，保持连续偏正弦波的加载波形，直到样品的弯曲劲度模量降至初始值的一半结束试验。

1.2.5 抗剪性能测试

采用单轴贯入试验测试不同SBS 含量的AC-13 型沥青混合料的贯入强度，分析评价沥青混合料的抗剪性能。

1.2.6 抗压性能测试

在沥青混合料高温条件下，采用单轴压缩试验确定具有不同SBS 含量的AC-13 型沥青混合料的单轴抗压强度，探究沥青混合料的抗压性能。

1.2.7 抗磨光耐久性测试

开发一套路表功能加速磨光机， 模拟轮胎-路面磨耗作用下的不同SBS 掺量AC-13 型沥青路面抗滑性能，如图1 所示。 利用2 个真实充气轮胎在待测试件表面施加荷载，根据试件表面构造纹理的不同，通过调整载荷大小、更换轮胎类型及尺寸，以及改变测试环境温度，来模拟不同接地压力条件下的效果。 同时，在磨耗测试过程中，采用洒水和喷砂技术来增强磨耗作用，模拟不利工况。

图1 路表功能加速磨光机

（1）试验方法。 ①按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0703 方法制备尺寸为300 mm×300 mm×50 mm 的板块试件。 ②将试件放置于磨光试验试模中，将试件连同试模置于试验机的移动工作台上固定。 调节工作台位置，使试件位于磨光双轮组正下方并固定工作台。 向试件加载2.0 kN，磨光轮胎组位于试件中央部位，启动磨光轮胎组速度控制，使双轮组以45±2 r/min 的速度对试件进行旋转磨光，工作台往复移动方向与试件碾压方向相同。 开启移动工作台系统，使工作台以4.5 次/min 的速度前后往返移动。 ③加速加载磨耗试验一个磨光时段时间约30 min，磨光试验为5 个时段，即5 个时段试件被轮胎磨光12 000 次。每个磨光时段结束后，用水清洗试件表面，待试件表面干燥后进行抗滑性能检测。

（2）BPN 数据处理。 ①计算每个测点5 个摆值的平均值，作为该测点的摆值BPNT，取整数。 ②摆值温度修正：当温度为T（℃）时摆值BPNT应按式（1）换算成标准温度20℃。

式中：BPN20为换算成标准温度20℃时的摆值；BPNT为温度T 时测得的摆值；BPN0为温度修正值，见表2。

表2 温度修正值

2 试验结果及分析

2.1 SBS 掺量对沥青高温稳定性能的影响

2.1.1 SBS 掺量对马歇尔稳定度的影响

如图2 所示， 随着SBS 含量的增加，AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的马歇尔稳定性显著提高， 这归因于SBS 改性剂增强了沥青的黏结作用，从而提升了混合料在高温条件下的稳定性。 然而，当SBS 含量达到4%时，AC-13 型沥青混合料马歇尔稳定性的增长开始放缓，表现为曲线上升的斜率减小； 而SMA-13 型沥青混合料在SBS 含量达到4%后，其稳定性增速虽然减缓，但随着SBS 掺量的进一步增加，稳定性的提升速度再次加快，导致曲线呈现先缓后急的走势。

图2 SBS 掺量对沥青混合料马歇尔稳定度的影响

2.1.2 SBS 掺量对动稳定度的影响

如图3 所示，SBS 的加入显著提升了AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的动稳定性能。当SBS 含量达到2%时，AC-13 型沥青混合料的动稳定度为2 600 次/mm，SMA-13 型沥青混合料为3 900次/mm。随着SBS 含量增至5%， 这2 种混合料的动稳定度分别提高到了6 600 次/mm 和7 300 次/mm。SBS 掺量从2%增至3%时，混合料的动稳定度增幅较小；从3%增至5%时，增幅显著；而从5%增至6%时，增幅减缓。 从试验数据分析，4%的SBS 掺量既能保证沥青混合料良好的高温性能， 又兼顾了经济因素，是较为理想的选择。

图3 SBS 掺量对沥青混合料动稳定度的影响

2.2 SBS 掺量对沥青水稳定性能的影响

2.2.1 SBS 掺量对浸水马歇尔稳定度的影响如图4 所示，随着SBS 掺量的增加，沥青混合料浸水马歇尔稳定度和浸水残留稳定度也相应的不断提高，但增幅略有不同。 针对AC-13 型沥青混合料，SBS 掺量为2%时浸水马歇尔稳定度约为8.5 kN，SBS 掺量达到4%时浸水马歇尔稳定度约为11.5 kN，此时增幅出现拐点，开始下降；当SBS 掺量处于2%～5%时，浸水残留稳定度从86.5%增加至95.5%，且增幅趋于稳定，而当SBS 掺量大于5%，浸水残留稳定度受SBS 掺量的影响不大。 针对SMA-13 型沥青混合料，当SBS 掺量为2%时，浸水马歇尔稳定度约为8.2 kN，浸水残留稳定度约为89.6%；当SBS 掺量达到5%时，浸水马歇尔稳定度约为11.5 kN，浸水残留稳定度约为93.0%；当SBS 掺量在2%～3%时，沥青混合料的浸水残留稳定度伴随SBS掺量的增加而增大，但增幅较小；SBS 掺量从3%开始，残留稳定度增幅较大且趋于稳定，SBS 含量在2%～6%的范围内，浸水马歇尔稳定度呈现出近似线性的增长趋势。

2.2.2 SBS 掺量对混合料冻融前后的劈裂抗拉强度影响

如图5 所示，沥青混合料的劈裂抗拉强度随着SBS 含量的增加而不断提高。 SBS 掺量为2%时，AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的劈裂抗拉强度分别达到1.14 MPa 和0.92 MPa；SBS 掺量增至5%时，这一数值分别上升至1.16 MPa 和1.14 MPa。SBS 掺量在2%～3%之间，沥青混合料的劈裂抗拉强度虽然随SBS 含量增加而提升，但增幅相对较小；随着SBS 掺量的进一步增加，增幅扩大；在SBS 掺量达到4%和5%时，AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的劈裂抗拉强度均出现拐点，之后AC-13 型沥青混合料的劈裂抗拉强度增长率放缓，而SMA-13 型沥青混合料则表现出先升后降的趋势。当SBS 掺量达到6%时，SMA-13 型沥青混合料的劈裂抗拉强度大致稳定在1.15 MPa 左右。

图5 SBS 掺量对沥青混合料劈裂抗拉强度的影响

如图6 所示，随着SBS 掺量的增加，沥青混合料冻融后劈裂抗拉强度和冻融劈裂抗拉强度比也不断提高，但AC-13 型沥青混合料增幅趋势基本相同，SMA-13 型沥青混合料增幅趋势略有不同。从冻融后劈裂抗拉强度分析，SBS 掺量为2%时，AC-13型和SMA-13 型沥青混合料冻融后劈裂抗拉强度分别为0.91 MPa 和0.78 MPa，随着SBS 掺量增加，强度增幅逐渐升高；当SBS 掺量增至5%时，二者冻融后劈裂抗拉强度分别为0.985 MPa 和1.00 MPa，增幅开始下降。从冻融劈裂抗拉强度比值来看，SBS掺量从2%提升至5%期间，AC-13 型沥青混合料的比值从80%增至85%，SMA-13 型沥青混合料的比值从84.3%微增至85%。当SBS 掺量达到6%时，这一比值进一步提高至86.5%和90.2%。

图6 SBS 掺量对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度的影响

2.3 SBS 掺量对沥青高温稳定性能低温抗裂性能的影响

如图7 所示，随着SBS 掺量的增加，沥青混合料的低温最大弯拉应变先增大后减少。在SBS 掺量分别为5%和4.5%时，AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的最大弯拉应变达到峰值。 对于AC-13 型沥青混合料，SBS 掺量由2%增至3%时， 其抗弯拉强度由10.10 MPa 降至9.97 MPa；当掺量增至4%，抗弯拉强度回升至10.30 MPa； 随着SBS 掺量继续增加，抗弯拉强度呈现波动，但总体上随着SBS 掺量增加而上升， 波动范围在9.95～10.35 MPa 之间，变化幅度不超过5%。 相比之下，SMA-13 型沥青混合料的抗弯拉强度随着SBS 掺量的增加先是上升，在4.5%掺量时达到最大值约11.50 MPa，随后强度下降。 抗弯拉强度的提升通常伴随着最大弯拉应变的增加，从而改善了沥青的低温抗裂性能。 因此，在4.5%的SBS 掺量下，SMA-13 型沥青混合料展现出最佳的低温抗裂性。

图7 SBS 掺量对沥青混合料低温抗弯拉强度和应变的影响

如图8 所示，在低温环境中，SBS 掺量增加对沥青混合料弯曲劲度模量产生了显著影响。当SBS 掺量从2%增至3%，弯曲劲度模量下降最快。 随着SBS掺量继续提高，试验曲线开始趋于平缓。到达5%的SBS 掺量时，AC-13 型和SMA-13 型沥青混合料的弯曲劲度模量降到了最低点，分别为2 550 MPa 和2 660 MPa。 沥青弯曲劲度模量越小，抵抗变形的能力越好，沥青的低温抗裂性就越好，此时的低温抗裂性达到最佳。然而，当SBS 掺量继续增加，弯曲劲度模量逐渐变大，低温抗裂性逐渐降低。

图8 SBS 掺量对沥青混合料低温弯曲劲度模量的影响

2.4 SBS 掺量对沥青抗疲劳性能的影响

如图9 所示，AC-13 型沥青混合料的疲劳寿命随着SBS 掺量增加逐渐增加，初始阶段增加较为缓慢，随后加速，最终趋于稳定。 当SBS 掺量达到6%时，疲劳寿命达到峰值，约为23 500 次。 但根据整体曲线的放缓趋势可以判断出，疲劳性能仍存在可增长的些许空间，且AC-13 型沥青混合料的疲劳性能应存在一个临界点。 对于SMA-13 型沥青混合料，SBS 掺量的增加对其疲劳寿命有一定影响，表现为一条平滑的增减曲线。 随着SBS 掺量的增加，疲劳寿命先上升后下降， 并在5%的掺量达到最高值，为24 500 次。 疲劳寿命次数越高，沥青的抗疲劳性越好，此时SMA-13 型沥青混合料的抗疲劳性达到最佳。

图9 SBS 掺量对沥青混合料疲劳寿命的影响

如图10 所示，沥青混合料的UTM 初始劲度模量随着SBS 掺量的增加呈现出中间快两头慢的下降趋势。 劲度模量越大，抗变形能力越差，抗疲劳性能越差。AC-13 型沥青混合料的初始劲度模在SBS 掺量为6%达到最小值，约为5 200 MPa，且整体下降趋势表明劲度模量仍有进一步降低的空间，这将有利于提高材料的抗疲劳性能。 SMA-13 型沥青混合料的UTM 初始劲度模量随着SBS 掺量的增加逐渐降低直至放缓。当SBS 掺量从2%增加到3%时，UTM 初始劲度模量由6 500 MPa 下降至6 300 MPa；当SBS掺量增至4%时，劲度模量大幅下降至5 400 MPa；但随着SBS 掺量由4%增加至6%时，劲度模量在一个相对稳定的范围内（5 250～5 400 MPa）波动，此时沥青的抗疲劳性能达到最优状态。

图10 SBS 掺量对沥青混合料初始劲度模量的影响

2.5 SBS 掺量对沥青单轴贯入强度的影响

进行5 组不同SBS 改性剂掺量（分别为2%、3%、4%、5%、6%） 的AC-13 沥青混合料试件在20℃、40℃和60℃3 个温度条件下的单轴贯入强度试验。将试验得出的贯入强度作图拟合，如图11 所示。

图11 贯入强度随掺量变化的关系

随着温度从20℃升高至60℃， 相同SBS 掺量的AC-13 沥青混合料贯入强度逐渐降低。 在相同温度条件下，随着SBS 掺量的增加，混合料的贯入强度普遍上升，例如在20℃时强度从10.5 MPa 增至12.7 MPa，40℃时强度从3.9 MPa 增至6.0 MPa，以及60℃时强度从1.1 MPa 增至2.1 MPa。 但当SBS 掺量从4%增至5%时，混合料贯入强度的增幅变小或甚至不再增长， 这是因为SBS 用量较少时，增加SBS 用量能增强SBS 改性沥青的黏结性能及集料间的黏聚力，但当SBS 用量过多，则吸收过多的沥青油分，减少沥青的轻质组分，进而降低与集料的黏结能力。按照密级配原则构成的结构，沥青混合料的强度主要依赖于沥青黏结料的黏聚力，辅以集料间的嵌挤力和内摩擦阻力。混合料中的沥青胶结接材料将集料进行黏结，形成有机整体。 黏结性较高的沥青能够赋予沥青混合料较大的黏滞阻力和黏聚力，从而增强沥青混合料的整体强度。

2.6 SBS 掺量对沥青单轴抗压强度的影响

5 种不同的SBS 改性剂掺量下AC-13 型沥青混合料试件的单轴抗压强度试验结果见表3、图12～13。

图12 不同温度、掺量的最大荷载

图13 不同温度、掺量的抗压强度

表3 掺量AC-13 沥青混合料单轴压缩试验数据

相同温度条件下，SBS 掺量对混合料抗压强度影响较为显著，随着SBS 掺量的增加，抗压强度逐渐增大。 如在40℃下，当SBS 掺量从2%增加至6%，抗压强度从1.42 MPa 提升至1.93 MPa，增幅达到35%；在50℃下，抗压强度从0.96 MPa 增至1.39 MPa，增幅为45%；而在60℃时，抗压强度则从0.75 MPa 显著提高到1.32 MPa，增幅高达76%。 产生这一现象的原因是，在单轴压缩试验中，未施加侧限压力（无侧限）的沥青混合料在初始阶段会发生集料的迁移与压密，随着压实过程的完成，继续加载时混合料会向外膨胀并最终出现开裂破坏。而SBS 改性剂结合了橡胶的弹性特性和树脂的热塑性能，随着SBS掺量的增加， 沥青的回弹性能和黏结性能大大提高，从而使得混合料在向外挤胀的过程中具有更强的性能。 温度由40℃升高至50℃时，相同SBS 掺量沥青混合料的抗压强度衰减幅度最大是在掺量2%时，抗压强度衰减了32%；衰减幅度最小是在掺量5%时，抗压强度衰减了25%。温度由50℃升高至60℃时，抗压强度衰减幅度达到最大是在掺量2%时，抗压强度衰减了22%；衰减幅度最小是在掺量6%时，抗压强度衰减了5%。 因此，可以得出结论，试验过程中温度从40℃升至60℃时，随着温度的升高以及SBS掺量的增加，SBS 掺量对抗压强度的影响愈加显著。

2.7 SBS 掺量对沥青抗磨光耐久性的影响

不同SBS 掺量AC-13C 车辙板试件150 min磨光周期BPN 变化曲线如图14 所示。 随着SBS 掺量的增加，AC-13 型沥青混合料的BPN 值越大，这是由于随着SBS 掺量的增加，SBS 改性剂的模量远比集料的小，沥青混合料整体刚度降低，从而增大了摆式仪橡胶片与车辙板的接触面积，接触面积越大，摆值越大。进行了150 min 磨光周期试验后，2%SBS 掺量的车辙试验BPN 值下降最多，这由于SBS的掺量较低对沥青性能提高较少， 试验过程中，水对沥青膜有乳化作用，使沥青膜变薄，沥青黏聚力降低，同时混合料受到轮胎压力、摩擦力和离心力作用，沥青膜在集料表面分布不均匀，尖角处沥青膜较薄，在应力作用下容易破裂，使沥青膜从集料表面剥落，黏结力下降，造成集料容易从混合料中掉落，抗磨光耐久性降低。 当SBS 掺量大于2%后，BPN 值下降的趋势较为一致，这是因为当掺量大于2%，SBS 改性剂充分吸收了沥青中的轻油组分，使非极性的轻油组分转变为极性较大的胶质和沥青质，沥青的极性分量增加，由极性分量产生的黏附功也更大，因此，使沥青与集料的黏附性能更好，抗磨光耐久性更强。

图14 不同SBS 掺量AC-13C 车辙板试件150 min磨光周期BPN 变化曲线

3 结论

在沥青路面工程中，稳定性和耐久性是关键的性能指标，它们受到多种因素的影响，包括原材料特性、混合料设计以及改性剂的使用。 本文聚焦于SBS 改性剂对沥青混合料性能的影响，并得出以下结论：（1）SBS 改性剂含量的提升能够增强沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温稳定性，但这种增强效果在SBS 掺量超过5%后增长放缓。 特别是当SBS 掺量超过5%，沥青混合料的低温性能反而会下降，因此推荐的SBS 最佳掺量应在4%至5%之间。此外，随着SBS 掺量的增加，沥青混合料的初始劲度模量降低，但疲劳寿命延长，表明耐久性能得到了提高。 （2）温度对沥青混合料的抗压和抗剪强度有显著影响。 在相同的SBS 掺量下，随着温度升高， 沥青混合料的抗压和抗剪强度会逐渐下降。（3）在相同的温度条件下，增加SBS 掺量会导致沥青混合料的抗压和抗剪强度上升。 （4）通过旋转磨光试验， 在加载2.0 kN 和45±2 转/min 的条件下，SBS 掺量越高，沥青混合料的抗磨光耐久性越好。