彭建湘,张冬梅,刘 斌

(1. 湖南省交通运输厅规划与项目办公室，湖南 长沙 410116；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114;3.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

1 概述

将废旧轮胎抽出钢丝，研磨成胶粉后添加至沥青中，经溶胀发育成橡胶沥青，铺筑成橡胶沥青路面，一方面可以消纳日益增多废旧轮胎，避免轮胎焚烧造成环境污染，另一方面还可以提升沥青路面路用性能，改善行车舒适性，因此橡胶沥青作为环保路用材料在我国各地广泛应用[1]。其中针对橡胶沥青稳定性差、黏度高等主要技术问题[2]，研究人员提出了在橡胶沥青中掺入少量SBS改性剂的复合改性技术，以解决橡胶沥青稳定性和黏度高的问题。研究表明橡胶粉与SBS复合改性沥青能有效改善单纯橡胶改性沥青的物理力学指标，提高复合沥青体系的稳定性和耐久性[2-8]。但多数研究均是基于常规性能指标，针对橡胶粉SBS复合改性沥青的黏弹性能研究较少[9]。由于橡胶粉SBS复合改性沥青是复杂的混合物，其中包含有橡胶颗粒，采用沥青流变试验较静态力学试验能更为真实地模拟其受力状况。因此，本文重点研究橡胶粉SBS复合改性沥青的老化性能、高低温流变性能，同时与相同试验条件下的掺量20%橡胶改性沥青、3.5%SBS改性沥青的技术性能对比，分析各种改性沥青的性能优劣情况和原因。

2 常规性能分析

将70#普通石油沥青、橡胶粉、SBS改性剂、溶胀剂、稳定剂等助剂充分调合均匀后，按照溶胀60 min、高速剪切60 min、最后发育120 min的加工工艺进行橡胶粉SBS复合改性沥青加工，通过正交试验得出橡胶粉SBS复核改性沥青的的最佳掺配(外掺)比例为：2.6%SBS+12%胶粉+6%溶胀剂+0.16%稳定剂，并与采用相同加工工艺生产的掺量为20%橡胶粉改性沥青和3.5%SBS改性沥青进行性能对比分析，其常规技术指标的试验结果见表1。

表1 主要技术指标对照表Table 1 Comparison table of main technical indicators类别25 ℃针入度/(0.1 mm)针入度指数PI5 ℃延度/cm软化点/℃135 ℃运动黏度/(Pa·s)25 ℃弹性恢复/%48 h,163 ℃储存稳定性/℃SBS改性沥青54.60.0228.982.22.253901.5橡胶沥青47.30.218.667.55.168795.7SBS/胶粉复合改性沥青52.80.1325.476.32.871842.5JTG F40-2004对聚合物改性沥青的技术要求40-60≥0≥20≥60≤3.0≥75≤2.5

根据试验结果，废旧橡胶粉与SBS复合改性沥青在常规技术指标方面较普通橡胶改性沥青有全面提升，仍不及SBS改性沥青，复合改性后的针入度指数较SBS改性沥青有所增大，说明温度敏感性降低；复合改性沥青的软化点提升到超过75 ℃；延度达到了聚合物改性沥青的要求，大于20 cm；135 ℃布氏黏度小于3(Pa·s)，施工性能良好；弹性恢复性能良好；储存稳定性差有所提高，有利于复合改性沥青的储存和运输。总之，在橡胶沥青中掺入少量SBS改性剂，并通过轻质组分高的溶胀剂和含硫化剂的稳定材料等助剂进行调合，对橡胶沥青的高温稳定性能、抗裂性能、施工性能、储存稳定性等均有明显改善。这主要是因为SBS溶胀发育后的网状结构，有利于胶粉颗粒的分散和稳定，同时胶粉和SBS复合改性较单纯的SBS改性沥青有较小的温度敏感性。

3 老化性能分析

沥青老化是衡量沥青材料性能耐久性的关键指标，老化试验有2种，一种是短期老化试验，模拟沥青在施工过程中的老化行为；另一种是长期老化试验，模拟沥青在路面长期服役阶段的老化过程。2种老化试验代表了沥青在不同阶段性能的衰变情况，本文对其分别进行了研究。

3.1 短期老化试验

利用薄膜烘箱，分析复合改性沥青、SBS改性沥青和橡胶沥青在163 ℃下、5 h加热老化后的性能变化情况，结果如表2所示。

表2 3种沥青在短期老化后的性能指标Table 2 Performance indexes of three asphalts after short-term aging项目25 ℃针入度/(0.1 mm)5 ℃延度/cm软化点/℃135 ℃运动黏度/(Pa·s)25 ℃弹性恢复/%SBS改性沥青47.319.485.62.31785橡胶沥青41.26.968.86.02578SBS/胶粉复合改性沥青45.718.678.92.93484

根据表2的结果，与其老化前的指标相比，3种不同的改性沥青的常规技术指标均发生不同程度的降低，其中橡胶沥青降低幅度最小。说明SBS改性沥青在老化过程中其轻质组分最不稳定，容易随着温度升高而挥发，从而导致沥青中重组分比例增加，软化点升高、黏度增加等现象。3种改性沥青横向比较来看，短期老化过程中，橡胶沥青的性能最为稳定，复合改性沥青次之，SBS改性沥青最易老化衰减，说明由于胶粉的掺入，胶粉中的抗老化添加剂在溶胀过程中渗透到了沥青介质中，从而增强了沥青的抗老化性能。复合改性沥青在胶粉中抗老化剂和SBS改性剂的复合作用，得到的沥青各项技术性能更为均衡。

3.2 长期老化试验

为了模拟改性沥青的长期老化后性能衰变过程，通过压力加速老化与长期老化等效原理，将经过短期薄膜老化后的沥青样品，置于温度100 ℃，压力为2.1 MPa的压力老化容器中，20 h后检测其指标衰变结果。以SBS改性沥青和复合改性沥青为例，图1是2种改性沥青老化后的不同形态的图片。

(a)SBS原样沥青

根据图1可以看出，2种改性沥青经过短期老化后，表面形态未发生较大变化。而经过长期老化作用后，较大的压力将热空气压入沥青内部，加速了沥青的老化。沥青试样表面出现凹凸不平，并出现一些已破的气孔或未破的凸起气泡。对以上3种不同的改性沥青分别进行PAV老化试验，其试验结果如表3所示。

表3 3种沥青在长期老化后的性能指标Table 3 Performance indexes of three asphalts after long-term aging类别25 ℃针入度(0.1 mm)5 ℃延度/cm软化点/℃135 ℃运动黏度/(Pa·s)25 ℃弹性恢复/%SBS改性沥青26.52.389.82.61280SBS/胶粉复合改性沥青30.712.581.13.35981橡胶沥青29.24.472.34.93770

大量研究表明，经过20 h的室内加速老化试验，近似可以反映出沥青在路面长期使用后的性能变化情况。由表3的试验结果可知，3种沥青的针入度较短期老化拥有更大的衰减，说明长期老化过程对于沥青性能削减的程度更大。SBS改性沥青在长期老化后，延度减小最为严重，仅为2.3 cm。说明传统SBS改性沥青的长期耐久性欠佳。而复合改性沥青由于掺入了具有抗老化作用的胶粉，其延度虽有降低，但降幅小于SBS改性沥青。因此可以说复合改性沥青具有更好的抗老化性和耐久性，且初期性能优于橡胶沥青。

4 高温流变性能分析

流变试验主要是研究黏弹性材料在周期荷载作用下的应力应变响应的力学参数变化情况，各种聚合物改性沥青类材料均属于典型的黏弹性材料，并且沥青材料在实际路面中的受力状况和流变试验研究中力学加载模式相匹配，其较静态力学加载的常规技术指标更能全面地反应黏弹性材料的力学性能。美国战SHRP计划提出以复数剪切模量(G*)和相位角(δ)为技术指标的动态剪切流变试验，评价中高温度区间的沥青动态力学参数。本试验从以下几个方面评价复合改性沥青、SBS改性沥青和橡胶沥青的流变性能。

a.相位角。

在中高温区域，相位角(δ)值表明该材料弹性成分所占比例，数值越小弹性比例越大，高温抗变形能力越强。3种改性沥青短期老化前后的相位角随温度变化规律如图2所示。

图2 3种沥青老化前后的相位角

图2显示3种不同的改性沥青老化前后的相位角随温度变化规律一致，均随温度升高而增大，主要原因是沥青的黏弹塑特性在低温下以弹性为主，在中高温时其塑性开始增多，随着温度继续升高，不断趋向于牛顿流体状态。因此，温度的升高使得沥青中弹性成分比例减小，导致相位角变大，抗高温变形的能力随之降低。由于橡胶粉属于弹性材料，具有较强的变形恢复能力，导致复合沥青中的弹性成分比例增加，橡胶改性沥青和复合改性沥青的相位角均减小，随着温度升高，胶粉不断的溶胀、降解作用，导致掺胶粉的沥青相位角增长较快，而SBS改性沥青相对稳定，说明高温状况下胶粉溶胀、降解作用会导致橡胶改性沥青高温稳定性能衰减。

b.复变模量。

复变模量是表征沥青材料抵抗剪切变形的总能力，动态剪切流变仪通过对沥青样品施加动态正弦剪切荷载，将试验得到的最大剪应力和最大剪应变的比值作为复变模量值。本文通过动态剪切试验，得出3种不同改性沥青的复数剪切模量随温度的变化情况，如图3所示。

图3 3种沥青老化前后的复变模量

由图3可知，随着温度升高，各种改性沥青的复变模量均随之降低，并不断趋向于无穷小，各种改性沥青中的弹性成分比例不断减小，由中低温区域的黏弹性向中高温区域的黏塑性转变。随着其复变模量变小，高温抗变形能力也同等下降。3种沥青互相比较可知，橡胶沥青老化前后的复变模量均高于复合改性沥青和SBS改性沥青，说明橡胶的掺入在较低温度范围内可以提高沥青抵抗变形的能力，而高温状况下，改善效果不明显。3种沥青老化前后对比可知，老化会使得沥青复变模量增加。

c.车辙因子。

SHRP在评价黏弹性材料力学性能时，要求对原样沥青和经老化后的残留沥青进行高温抗永久变形能力评价，利用复变模量和相位角试验结果，计算车辙因子G*/sinδ。它是表征不同温度条件下沥青材料中弹性成分比例，该值越大，说明沥青的抗永久变形能力越强。本文3种不同改性沥青的车辙因子随温度的变化规律如图4所示。

图4 3种沥青老化前后的车辙因子

由图4可以看出不同改性沥青的车辙因子均随温度升高而降低，并不断趋于无穷小，抵抗变形能力的变化趋势与其一致。3种沥青老化后的车辙因子较老化前有所提升。3种沥青相互比较可知，橡胶改性沥青的车辙因子最大，不含橡胶颗粒状的SBS改性沥青车辙因子最小。

SHRP规定原样沥青的车辙因子不得小于1.0 kPa，SBS原样沥青的车辙因子在大约80 ℃时降至1.0 kPa，而原样橡胶沥青的车辙因子在试验温度达到85 ℃后依然为2.4 kPa。复合改性沥青在试验温度达到85 ℃后为1.5 kPa，均大于1.0 kPa。对于短期老化的沥青，规定车辙因子不得小于2.2 kPa，SBS改性沥青在短期老化后，在72 ℃时对应的车辙因子达到2.2 kPa。橡胶沥青在经历163 ℃的短期老化后，在81 ℃时车辙因子仍约为4.9 kPa。复合改性沥青短期老化后，在81 ℃时车辙因子约为3.2 kPa，均大于2.2 kPa。因此可知，由于胶粉的掺入，虽然静态荷载作用下的软化点比SBS改性沥青小，但是高温动态剪切荷载作用下的流变性能更优。

5 低温流变性能分析

沥青类材料是一种温度敏感性材料，随着温度降低沥青材料黏性降低，并趋于弹性状态，即变硬。因此低温状况下沥青胶结料的流变性能是衡量其抗裂性的关键指标。

弯曲梁流变仪法(简称BBR)是将沥青梁式试样置于设计温度环境下，并施加恒定荷载作用，测试沥青材料在低温状况固定荷载作用下的蠕变劲度模量和蠕变劲度变化速率，并以此作为低温流变性能的评价指标。分别对橡胶沥青、复合改性沥青和SBS改性沥青在-18 ℃、-24 ℃、-30 ℃条件下进行了3组平行试验，并计算各项指标均值。试验结果如表4所示。图5和图6为3种改性沥青蠕变劲度模量和蠕变速率对比结果图。

图5 3种沥青不同温度下的蠕变劲度模量

图6 3种沥青不同温度下的蠕变速率

根据BBR的试验结果，在不同设计低温状况

表4 低温流变BBR试验结果Table 4 Low temperature rheological BBR test results 试验温度/℃沥青类型蠕变荷载/mN梁中竖向变形/mm蠕变劲度模量/MPam值SBS改性沥青9880.35220.20.414-18橡胶沥青9920.72112.50.396复合改性沥青9861.4452.50.378SBS改性沥青9950.18478.60.283-24橡胶沥青9900.35241.40.301复合改性沥青9880.59142.70.311SBS改性沥青9860.10850.30.188-30橡胶沥青9870.12632.10.204复合改性沥青9840.19445.90.228

下，复合改性沥青的蠕变劲度模量均小于其他2种改性沥青，表明低温状况复合改性沥青的柔韧性更佳，抗变性能力更强，能够承受的荷载更大，当环境温度达到-24 ℃掺入胶粉的改性沥青蠕变劲度模量仍小于300 MPa，满足SHRP规定的最低设计温度状况下蠕变劲度模量小于300 MPa的要求。而相应设计温度条件下的SBS改性沥青蠕变劲度模量高达478.6 MPa。从图6蠕变速率图可以看出，温度越降低，复合改性沥青比SBS和橡胶沥青的蠕变速率m高出幅度越大，在-24 ℃条件下复合改性沥青的蠕变速率仍大于0.3，橡胶沥青的蠕变速率约为0.3，主要是因为胶粉是弹性材料，其在低温状况不会变脆。复合作用下胶粉均匀稳定分布在沥青介质中，使得低温受力应力集中概率降低，因此，复合改性性能最优。按照SHRP规范可以认为复合改性沥青具有更优良的应力松弛能力，低温抗裂性能和抗疲劳性能。

6 结论

a.在橡胶沥青中掺入少量SBS改性剂，并通过轻质组分高的溶胀剂和含硫化剂的稳定材料等助剂进行调合，对橡胶沥青的高温稳定性能、抗裂性能、施工黏度、储存稳定性等各项常规指标均有明显改善，可以满足规范对聚合物改性沥青的技术要求，但各项常规指标均略差于SBS改性沥青。

b.老化试验表明，掺入胶粉后沥青的老化性能有所提升，尤其是长期老化作用下，废旧橡胶粉改性后的沥青老化后指标衰减幅度明显小于SBS改性沥青。

c.高温流变性能方面，在较低温度区间内，橡胶粉的掺入使得沥青的相位角变小、复变模量和车辙因子增大，随着温度升高，高温流变性能均趋于黏性状态，橡胶沥青和复合改性沥青的软化点虽然比SBS改性沥青低，但高温流变性能均优于SBS改性沥青。

d.低温流变性能方面，橡胶粉和SBS复合改性沥青在最低设计温度状况下的劲度模量较其他2种改性沥青低，蠕变速率相对较高，说明复合改性后的沥青在极端低温状况下，柔韧性更强，并具有更大的应力松弛能力，低温抗裂性能和抗疲劳开裂性能更优。