杨三强，刘 璐，苏胜昔，孙 爽

(1.河北省土木工程监测与评估技术创新中心 河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710000；3.河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050011)

0 引言

近年来，随着雄安新区的建设和环绕京津两地卫星城国家顶层规划方案的出台与实施，雄安新区海绵城市建设速度加快。新区周边的公园、广场、行车道等硬化面积急剧增长，造成水体循环变差，绿化面积减少，间接或直接影响整个区域的生态环境。在此背景下，海绵透水沥青路面材料的研究与应用已刻不容缓。谭忆秋[1]等通过动态加载试验，从5个角度分析了常用改性剂对沥青的改性效果，证明了从能量角度评价沥青的黏弹特性的可行性；董泽蛟[2]等通过改变改性顺序和改性剂掺量，研究其对复合改性沥青的影响；魏学成[3]、杨三强[4]等研究了不同胶粉掺量下改性沥青的变化；陈瑶[5]等的研究表明，影响透水沥青路面路用性能的关键指标是沥青的布氏黏度，随着布氏黏度的增大，混合料的强度和水稳定性将显著增加。鉴于此，本文依托河北省自然科学基金“高动水压孔隙水下透水沥青混合料海绵效应机理及微观特征研究”项目，借助沥青传统指标试验、布氏黏度试验和旋转剪切试验制备测试沥青试样，通过SEM电镜扫描，研究各添加剂对改性沥青的性能影响，以及对两种不同基质沥青的改性效果。

1 试验方案设计

高黏改性沥青是海绵城市透水路面沥青混合料改性剂的核心原材料。大量研究表明，影响高黏改性沥青的主要因素有沥青品质、改性组分材料与掺量[6-10]。以改性沥青的布氏黏度为主要指标，同时测定材料物理指标的变化规律，通过数理统计与数值分析，得到聚合物改性沥青的最优配伍成分。

1.1 原材料试验方案

基质沥青采用中石化70#沥青和中石化90#沥青，加入80目橡胶粉、SBS、TPS等外掺组分，以针入度、软化点、15 ℃延度、5 ℃延度和布氏黏度为指标，开展聚合物高黏改性沥青的配伍性试验与性能指标测试。外掺组分种类如表1所示。

以废旧橡胶粉为主，配以黏结性树脂和相容剂与其他成分组成的改性产品，将基质沥青加热到(175±5)℃，加入各种添加剂，利用高速剪切乳化机以2 000 r/min的转速，低速恒温剪切10 min，再以5 000 r/min的转速高速剪切45 min。

表1 外掺组分种类Table 1 Class of admixtures外掺组分化学成分废旧橡胶粉聚合物改性剂SBSTPSEVA萜烯树脂添加剂稳定剂相容剂(芳香油40#)

1.2 改性沥青配伍试验方案

基于国内外相关研究成果[11-14]，为研究基质沥青类型对改性沥青性能的影响，本试验采用的基质沥青为中石化70#沥青和中石化90#沥青，改性沥青配伍试验方案如表2所示。

表2 改性沥青配伍试验方案Table 2 Modified asphalt compatibility test plan方案类型基质沥青胶粉(80目)/%SBS/%TPS/%EVA/%萜烯树脂/%稳定剂/%相容剂(芳香油40#)/%A70#1580040.25B70#078000.26C70#1278000.28D70#1278300.24

2 试验数据分析

2.1 不同基质沥青指标分析

基质沥青指标检验结果见表3，4组分组成如表4所示。

表3 基质沥青指标检验结果Table 3 Matrix asphalt index test results指标类型针入度/(0.1 mm)软化点/℃15 ℃延度/mm5 ℃延度/mm60 ℃动力黏度/(Pa·s)70#基质沥青79.550.51 70034118090#基质沥青8844.61 200272160

表4 基质沥青4组分质量分数Table 4 Mass fraction of four components in matrix asphalt4组分70#90#S7.528.04At28.415.03Ar40.136.15R22.115.41

由表3对比分析可知，70#基质沥青与90#基质沥青相比，针入度较低，软化点、延度和60 ℃黏度较高。因此，70#沥青具有更好的黏度和塑性，对温度较不敏感，在高温下，更能保持原有的路用性能。90#基质沥青针入度较高，具有更好的流动性。不同沥青具有不同沥青组分，不同的组分使沥青具有不同的性能和指标检验结果。

2.2 改性沥青指标分析

本试验设计中选择4种改性剂方案，对70#基质沥青进行高黏改性，进行5种指标检验，见表5。

表5 改性沥青指标检验结果Table 5 Modified asphalt index inspection results编号方案类型基质沥青针入度/mm软化点/℃5 ℃延度/mm15 ℃延度/mm布氏黏度/(Pa·s)1A67.472.724.9263.752B70#基质沥青70.867.944.7654.134.643C62.0775.8541.3756.31.914D60.438033.638.93.03 检测方法T0604T0606T0605T0605T0602 技术要求≥40≥80≥30≥80≥3.03

根据表5，对比分析改性沥青1和改性沥青2可知，在基质沥青均为70#基质沥青时，用TPS作为改性剂的延度和布氏黏度要比用胶粉作为改性剂时较高，且其布氏黏度可以满足技术要求，但其软化点略低。TPS是一种热塑性弹性体，当受热融于热沥青中，当达到一定掺量要求时，形成空间网状结构，因而可以增大基质沥青沥青的延度和黏度。

对比分析改性沥青1、2和3可知，同时采用废旧胶粉和TPS作为改性剂，相比于只用胶粉和只用TPS改性剂，其软化点和延度均有所提高，但其改性后的布氏黏度与技术要求的差距更大。

对比分析改性沥青3和改性沥青4，在胶粉和TPS作为改性剂的基础上加入3%含量的EVA，其布氏黏度得到提高，软化点也相应提高，但其延性指标降低，塑性变差，EVA与沥青相溶性较好，体系不易与沥青分离。改性剂之间存在配伍特性，改性剂组合类型不同，会显著影响改性沥青的改性效果。

2.3 优化改性沥青性能分析

一般认为透水沥青路面水损坏机理，主要依据的是黏附性理论，其他指标相同的情况下，一定黏度范围内，沥青黏度越高，沥青与混合料的黏结越强，从而可以减少沥青路面的水损坏，因此沥青路面对高黏改性沥青的黏度要求比较高。不同情况下不同型号改性沥青黏度见图1、图2。

图1 70#改性沥青布氏黏度

图2 70#、90#沥青60 ℃动力黏度

根据图1可知，在基质沥青相同的情况下，方案B可有效提高70#基质沥青的布氏黏度，且达到技术要求，故在方案B基础上进行聚合物高黏改性沥青组分优化设计。为了研究相同改性组分对不同改性沥青的改性效果，同时，根据图2可知， 90#基质沥青本身具有较低的60 ℃动力黏度，黏度具有更大的提升空间，所以聚合物高黏在方案B的基础上，保持TPS含量不变，依次减少SBS的含量，因为相容剂的作用是促使添加剂与沥青更好地相溶，根据对添加剂SBS含量的调整对相容剂含量进行相应调整，优化调整后改性沥青配伍试验方案与指标检验结果见表6。

表6 优化沥青配伍方案与指标检验结果Table 6 Optimization of asphalt compatibility scheme and index test resul编号基质沥青方案类型相容剂/%SBS/%稳定剂/%TPS/%针入度/mm软化点/℃5 ℃延度/mm15 ℃延度/mm布氏黏度/(Pa·s)5B670.2847.293.146.977.92.04690#基质沥青E550.2852.794.236.491.99.557F4.34.30.2863.5102.832.979.32.048G3.740.2874.6105.431.271.91.02注: 检验方法和技术要求同表5。

由表6可知，TPS组分和SBS组分具有良好的配伍特性，二者结合可以达到更优的改性效果，同时，SBS掺量的不同影响整体改性效果，当TPS掺量为8%，SBS掺量为5%，相容剂掺量为5%，稳定剂掺量为0.2%时，制备出的改性沥青各项技术指标均可以达到技术要求。

由图3、图4可知，本次试验所选择的4种SBS掺量设计，其改性沥青15 ℃延度和布氏黏度指标均有提高，其中5.5%SBS掺量的改性沥青，其15 ℃延度和布氏黏度均能够满足技术要求。相同沥青品质，SBS助剂掺量在TPS各项相同的基础上，进一步提高沥青的延度和布氏黏度。在改性组分中掺入SBS助剂，SBS可吸收沥青中的轻质组分充分溶胀并形成交联结构，完善改性效果，使改性沥青满足技术要求，其掺量宜控制在5.5%左右，同时，相容剂、稳定剂掺量宜与SBS掺量相适应。

图3 90# 改性沥青15 ℃延度

图4 90# 改性沥青布氏黏度

对比分析表4和表6可知，当各组分含量相同时，对各组分进行不同组合，会产生明显不同的改性效果。由于各组分成分不同，相溶性也不同， 组合改性时，往往会因改性剂之间的不同程度的相溶性和组分差异性而影响改性的整体效果。同时，相同种类的改性剂，含量的不同也会影响改性效果，如试验中SBS掺量在5%时，改性效果最好。因此，在选择改性剂组分时，应选择配伍特性较好的组分种类，选择改性效果最优的掺量。

对比70#、90#基质沥青的4组分组成，二者的胶质与轻组分含量相当，而70#基质沥青中沥青质的质量约是70#基质沥青的2倍。可见基质沥青的沥青质含量越高，越有助于提高改性剂与基质沥青的配伍效果，改性沥青的布氏黏度将越大。故在制备高黏改性沥青时，应对基质沥青进行优选，以达到改性剂用量较小，改性沥青性能较优的目的。

2.4 胶粉改性沥青微观结构分析

用废旧胶粉作为主要高黏改性沥青的改性组分受到业内的高度关注，由表5分析可知，胶粉改沥青的针入度、软化点、延度均未达到技术要求，尤其是延度指标与技术要求相差较大，不易达到要求。为研究胶粉改性沥青原理，对胶粉改性沥青进行微观观察，分析其原因，对胶粉改性沥青进行电镜扫描试验、热重分析。

通过SEM电镜观察胶粉改性沥青，可观察到，有效胶粉仍以橡胶相的形式存在于，使其具有橡胶的一部分性质，仍以胶粉形式存在的部分称为有效胶粉。胶粉在SEM电镜下的微观形态见图5。

(a) 15%胶粉的胶改沥青的胶粉提取物

通过热重分析，可得到不同胶粉掺量的改性沥青中有效胶粉含量与胶粉掺量的关系，见表7。

表7 有效胶粉含量与胶粉掺量的关系Table 7 The relationship between the content of effective rubber powder and the content of rubber powder%胶粉掺量有效胶粉含量有效胶粉占掺入胶粉的比例1513.0187.02017.882.22518.581.5

由表7可知，改性沥青中掺入的胶粉，大部分胶粉未与沥青发生化学反应，仍以胶粉形式存在，因而胶粉改性沥青的改性效果受到限制。

3 结论

本研究依据布氏黏度试验和旋转剪切试验，利用SEM电镜扫描对高黏改性沥青的配伍与性能进行了研究， 得出以下试验结论:

a.通过试验分析，要满足高黏改性沥青技术标准的要求，改性剂需要达到一定的掺量。推荐掺配比例为:TPS掺量为8%，SBS掺量为5%，相容剂掺量为5%，稳定剂掺量为0.2%，可达国标要求。

b.在相同改性剂掺量下，基质沥青的沥青质含量越大，改性沥青黏度越大，二者的配伍性较好。

c.相同沥青品质与TPS掺量下，加入一定掺量SBS助剂掺量能提高沥青的延度和布氏黏度。SBS助剂掺量宜控制在5.5%左右，同时，相容剂、稳定剂掺量宜与SBS掺量相适应。

d.通过SEM电镜扫描和热重分析，可知改性沥青中掺入的胶粉，大部分胶粉未与沥青发生化学反应，仍以胶粉形式存在，使胶粉改性沥青的改性效果受到限制。