直投式SBS-胶粉复合改性沥青黏弹性能研究

Study on Viscoelastic Properties of Direct-to-plant SBS-rubber Powder Composite Modified Asphalt

摘要

为缓解废旧轮胎堆积和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）-胶粉复合改性沥青面临的存储稳定性不足问题，采用直投式SBS改性剂代替湿法改性工艺制备不同直投式SBS改性剂掺量的直投式SBS-胶粉复合改性沥青。通过针入度试验、延度试验、软化点试验、布氏黏度试验、温度扫描试验、频率扫描试验、多重应力蠕变恢复试验（MSCR）、线性振幅扫描试验（LAS）和弯曲梁流变试验（BBR），分析直投式SBS-胶粉复合改性沥青的常规性能，高温、中温及低温黏弹特性；构建复合改性沥青复数剪切模量（G*）与相位角（δ）主曲线；基于黏弹性损伤模型评价复合改性沥青的疲劳损伤特性。结果表明：直投式SBS改性剂的加入能够提高胶粉改性沥青的黏度、高温抗车辙性能，降低高温条件下的应力敏感性；当直投式SBS改性剂的质量分数为3.0%时，复合改性沥青的抗疲劳性能最高；直投式SBS改性剂的加入降低了胶粉改性沥青的柔韧性，造成复合改性沥青低温性能的降低。

Abstract

In order to address the issues of waste tire accumulation and lack of storage stability faced by styrene-butadiene-styrene block copolymer (SBS)-rubber powder modified asphalt, direct-to-plant SBS modifier was used instead of wet modification process, direct-to-plant SBS modifier was employed, and different dosages of direct-to-plant SBS modifier were prepared. The conventional performance of direct-to-plant SBS-rubber powder composite modified asphalt was analyzed utilizing the penetration test, ductility test, softening point test, Brockfield Viscosity test, temperature scanning test, frequency scanning test, multiple stress creep recovery test (MSCR), linear amplitude scanning test (LAS), and bending beam rheological test (BBR). The high-temperature, medium-temperature, and low-temperature viscoelastic properties were constructed. The master curves of complex shear modulus (G*) and phase angle (δ) were created. The viscoelastic damage model was utilized to assess the fatigue damage properties of the composite modified asphalt. The results show that adding direct-to-plant SBS modifier can increase the rubber powder modified asphalt's viscosity, reduce stress sensitivity at high temperatures, and resist rutting at high temperatures. The composite modified asphalt exhibits the highest anti-fatigue performance when the mass fraction of direct-to-plant SBS modifier is 3.0%. However, adding direct-to-plant SBS modifier also lessens the rubber powder modified asphalt's flexibility, which lowers the composite modified asphalt's performance at low temperatures.

Graphical abstract

关键词

复合改性沥青 / 直投式SBS改性剂 / 胶粉改性沥青 / 流变性能 / 黏弹性损伤

Key words

Composite modified asphalt / Direct-to-plant SBS modifier / Rubber powder modified asphalt / Rheological properties / Viscoelastic damage

以废弃轮胎胶粉作为改性剂，将其加入道路用石油沥青中，经剪切、溶胀、发育后，可制得改性沥青。该技术在消耗大量废旧轮胎、减少轮胎堆积的同时显著提升了沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳寿命。然而，随着道路服役环境的变化以及重载交通比重增加，对高性能沥青胶结料的需求日益增长^[1]。为此，研究人员利用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂对胶粉改性沥青结合料进行复合改性。根据制备工艺不同，SBS-胶粉复合改性沥青的改性方式主要分为3种：胶粉改性SBS沥青；SBS改性胶粉沥青；向石油沥青中加入SBS、胶粉改性剂对其进行改性^[2]。后者又可细分为先加SBS搅拌后加入胶粉剪切、先加入胶粉搅拌后加入SBS剪切和同时加入SBS与胶粉进行剪切搅拌3种投料顺序^[2]。

在常规性能方面，韦大川等^[3]、王志刚等^[4]、LIU等^[5]、ZHANG等^[6]、冯飞鹏等^[7]对采用废胶粉和SBS改性剂对70号、90号、110号道路石油沥青分别进行复合改性，结果表明：复合改性后的沥青针入度明显下降，延度、弹性恢复及软化点升高，高温性能提高，但存储稳定性有一定程度的下降。WANG等^[8]、GONG等^[9]、姚爱玲等^[10]研究发现，适量的SBS掺入能够进一步改善橡胶沥青的高低温性能和温度敏感性。刘勇等^[11]研究发现，复合改性沥青的抗高温变形能力优于单一的SBS改性沥青，但对低温性能改善效果并不明显。黄卫东等^[12-13]、ZHAO等^[14]、王永宁等^[15]、WANG等^[16]、ZHANG等^[17]研究Terminal Blend胶粉-SBS、活化胶粉-SBS复合改性沥青的高低温流变性能和存储稳定性。结果表明：复合改性沥青的高低温流变性能均优于SBS改性沥青，但存储稳定性有所下降。ZHU等^[18]研究胶粉-SBS复合改性剂与沥青基体间的黏结特性。HE等^[19]指出胶粉和SBS复合改性沥青在长期老化后仍然具有优良的柔韧性，其低温应力松弛能力和温度敏感性均能得到较好的改善。杨永强等^[20]研究SBS复合改性对活化胶粉改性沥青短期老化性能的影响。结果表明：SBS的加入提高了活化胶粉改性沥青的耐老化性能。在黏弹性能方面，叶向前等^[21]研究SBS和MCR改性剂掺量对复合改性沥青黏弹性的影响，推荐两种改性剂的最佳掺量。WU等^[22]发现，经SBS-胶粉复合改性后沥青的频率敏感性低，柔韧性以及低温松弛能力有所提高。LIANG等^[23]对胶粉-SBS复合改性沥青的线弹性和黏性进行分析，发现胶粉和SBS改性剂的加入可以显著改善沥青的黏弹特性和黏度，复合改性后沥青的储能模量与损耗模量均有不同程度提升。刘勇^[24]研究发现，经复合改性的沥青黏弹性力学性能得到提升。

综上所述，SBS改性剂和胶粉对沥青进行复合改性后，沥青的性能得到明显提升，但仍存在沥青的存储稳定性不足问题。采用直投式SBS改性剂代替湿法SBS改性方法制备复合改性沥青混合料，能够有效解决复合改性沥青储存稳定性不足问题，但已有研究对直投式SBS-胶粉复合改性沥青黏弹特性的相关研究较少，无法准确表征其对沥青混合料的影响。因此有必要开展直投式SBS-胶粉复合改性沥青黏弹特性研究，以完善干法生产复合改性沥青及其沥青混合料的性能体系，为后期该技术的推广提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

沥青，70号A级道路石油沥青，山东京博石油化工有限公司；SBS改性剂，直投式，试验室自制；胶粉改性剂，40目，山东潍坊某工厂。表1为沥青技术指标，表2为SBS改性剂技术指标，表3为胶粉改性剂技术指标。

1.2 仪器与设备

动态剪切流变仪，DHR-20，美国TA公司；弯曲梁流变仪，TE-BBR-SD，美国Canon公司；加热烘箱等仪器设备，X101-4，上海树立仪器仪表有限公司。

1.3 样品制备

制备SBS质量分数分别为1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和胶粉质量分数为20.0%的复合改性沥青，将其依次命名为SBS-1.0、SBS-2.0、SBS-3.0和SBS-4.0。

1.3.1 胶粉改性沥青的制备

先将道路石油沥青置于150 ℃烘箱中加热至完全流动状态，将盛有沥青的加热罐置于加热套中，并开启搅拌机，搅拌速率为500 r/min。之后，将称量好的糠醛油加入沥青中，搅拌超过10 min；糠醛油与沥青混合均匀后将沥青升温至180 ℃，将搅拌机调整至剪切模式，转速为3 000 r/min，分3次缓慢加入称量好的胶粉；待沥青与胶粉混合均匀，匀速剪切2 h，然后将剪切模式调整为搅拌，搅拌速率为500 r/min，共计搅拌4 h，使胶粉改性剂充分发育，发育完成后备用。

1.3.2 复合改性沥青的制备

首先根据JTG F40—2004中相关规定进行AC-20沥青混合料级配设计，后按照设计级配计算所需集料，并筛除4.75 mm以下部分，使用流动清水将4.75 mm以上部分清洗至表面无浮尘，并进行烘干；将烘干后的集料加热至190~200 ℃，加热完成后将全部集料置于180 ℃的拌合锅中，加入所需直投式SBS改性剂，拌合90 s；后加入称量好的胶粉改性沥青，搅拌90 s；将搅拌均匀的沥青碎石置于钢丝网上，放于185 ℃的烘箱中保温，钢丝网下放置烧杯，用于收集滴落的沥青，最终对收集滴落的沥青进行性能测试。

1.4 性能测试与表征

流变性能测试：高、中温流变性能采用动态剪切流变仪进行测试。

温度扫描测试：测试温度为58~88 ℃，频率为10 rad/s，应变为12%，温度间隔为3 ℃。

频率扫描测试：扫描频率为0.1~10.0 Hz，剪切应变为1%，试验温度为30、40、50、60、70 ℃，试验过程中采集复数剪切模量和相位角指标，后采用修正Sigmoid函数进行拟合。该函数表达式为：

\mathrm{l}\mathrm{g}G\mathrm{*}=\sigma +\frac{{\alpha }_{\mathrm{1}}}{\{\mathrm{1}+{\lambda }_{\mathrm{1}}{\mathrm{e}}^{[{\beta }_{\mathrm{1}}+{\gamma }_{\mathrm{1}}(\mathrm{l}\mathrm{g}{f}_{\mathrm{r}})]}{\}}^{(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{\lambda }_{\mathrm{1}}})}}(1)

\delta =-\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}{\alpha }_{\mathrm{2}}{\gamma }_{\mathrm{2}}\frac{{\mathrm{e}}^{{\beta }_{\mathrm{2}}+{\gamma }_{\mathrm{2}}\mathrm{l}\mathrm{g}{f}_{\mathrm{r}}}}{(\mathrm{1}+{\lambda }_{\mathrm{2}}{\mathrm{e}}^{{\beta }_{\mathrm{2}}+{\gamma }_{\mathrm{2}}\mathrm{l}\mathrm{g}{f}_{\mathrm{r}}})\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{\lambda }_{\mathrm{2}}}}(2)

式(1)~式(2)中：G^*为复数剪切模量，kPa；σ为复数模量最小值的对数；α₁、β₁、γ₁、λ₁为主曲线形状参数；f_r为缩减频率，Hz；e为自然常数；δ为相位角，(°)；α₂、β₂、γ₂、λ₂为主曲线形状参数。

MSCR测试：温度为64 ℃，通过计算得到变形恢复率(R)和不可恢复蠕变柔量(J_nr)。

LAS测试：温度为25 ℃，试样直径为8 mm，厚度为2 mm，试验参照AASHTO TP101—12进行，试验结束后获取损伤密度(D)和疲劳寿命(N_f)。

BBR测试：采用BBR试验研究复合改性沥青的低温流变性能，试验温度为-12、-18、-24 ℃，测试试样在荷载作用下的位移，得到蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)。每种复合改性沥青在不同温度条件下进行3组平行试验，最终取3个试验结果的平均值作为最终试验结果。

2 结果与讨论

2.1 常规试验结果

图1为常规试验结果。从图1可以看出，随着SBS改性剂质量分数的增加，复合改性沥青的针入度呈下降趋势，软化点、延度和黏度呈上升趋势。这说明SBS改性剂的加入可以提高沥青的刚度和稠度，同时提高其高温性能和低温性能。复合改性沥青延度指标提升的主要原因是干法生产复合改性沥青混合料生产过程中生产温度较高，获取复合改性沥青过程中胶粉改性沥青能够继续溶胀发育，使胶粉的分解程度更高，复合改性沥青内部的胶粒数量变小，颗粒粒径减小，最终使复合改性沥青内部橡胶颗粒的比表面积增加，沥青与橡胶粒黏附性提高。在外力作用下，应力集中点消失，进而提高了沥青在低温下的延展性；由于直投式SBS改性剂在溶胀发育过程中需要吸收沥青中的轻组分，沥青的黏度增加。

2.2 温度扫描试验结果

选取G^*、δ和车辙因子(G^*/sin δ)作为表征复合改性沥青高温流变特性的参数。G^*表示复合改性沥青的抗变形性能。δ的正切值表示损耗模量与存储模量的比值，因此δ较小表示抗变形弹性性能较好。G^*/sin δ是评估复合改性沥青抗车辙性的关键参数。

图2为温度扫描试验结果。从图2a可以看出，沥青的复数剪切模量随试验温度的升高而逐渐降低。这是由于沥青在高温条件下会产生黏性流动，改性剂的加入并不会改变沥青的本质。此外，复合改性沥青的复数剪切模量随着直投式SBS改性剂质量分数的增加而逐渐增大，说明直投式SBS改性剂质量分数的增加提高了复合改性沥青的整体抗剪切能力。

从图2b可以看出，随着试验温度的提高，5种沥青的相位角增大，且增长速率降低。这是由于沥青为典型的黏弹性材料，在高温状态下更接近黏性体。因此，试验温度越高，沥青的相位角越接近于90°。

从图2c可以看出，车辙因子曲线变化趋势与复数剪切模量变化趋势相似，即直投式SBS改性剂的质量分数越高，复合改性沥青的抗车辙变形的能力越高。

2.3 复数剪切模量主曲线的构建

图3为复数剪切模量与相位角的主曲线。从图3可以看出，在高温低频时，复合改性沥青混合料的复数模量差别较小，当直投式SBS的质量分数达到3.0%时，主曲线之间开始出现明显差异性，差异性随着加载频率的升高而逐渐明显，且直投式SBS改性剂的质量分数越高，复合改性沥青的剪切模量越大。在低温高频时，加入直投式SBS改性剂后，主曲线逐渐分离，且添加量越大，复数模量越明显。从相位角主曲线可以看出，在高温低频时复合改性沥青的更接近于黏性体，加入直投式SBS改性剂后，沥青的黏性降低，弹性增大；在低温高频时，变化幅度有所降低，主曲线间的差距不再明显。

2.4 MSCR试验结果

以R和J_nr表征沥青在剪切载荷下的变形恢复能力。R为一个蠕变和恢复循环后，样品产生的可恢复变形在总变形量中所占的比例，体现沥青在载荷作用下的恢复能力，而J_nr则表征沥青样品抵抗永久变形的能力。R越大、J_nr越小，表明沥青的变形恢复能力和抵抗永久变形的能力越高^[25]。

图4为MSCR试验结果。从图4a可以看出，R随SBS改性剂质量分数的增加而增加，与胶粉改性沥青相比，在0.1 kPa剪切载荷作用下，SBS-4.0的R增加183.3%。这说明SBS改性剂可以提高复合改性沥青的蠕变恢复率，其原因为直投式SBS改性剂的加入提高了沥青中的弹性成分。在3.2 kPa剪切载荷作用下，沥青的R均低于0.1 kPa下的R。这主要是因为剪切荷载的增加导致复合改性沥青的不可恢复变形增加，最终表现为弹性恢复能力的降低。从图4b可以看出，各试样的不可恢复蠕变柔量关系与蠕变恢复率呈负相关，即J_nr随SBS改性剂质量分数的增加而逐渐降低。在0.1 kPa和3.2 kPa剪切应力作用下，各直投式SBS改性剂掺量的复合改性沥青的不可恢复蠕变柔量均小于胶粉改性沥青，这表明64 ℃、重复剪切荷载作用下，直投式SBS改性剂的加入能够抑制沥青不可恢复变形的产生，表现出更为优异的抗车辙能力。这主要是因为直投式SBS改性剂的加入使原胶粉改性沥青的分子间相互作用增加，降低了沥青分子的流动性和黏性，随着改性剂质量分数的增加，沥青的黏度逐渐增加，流动性和变形能力降低，最终表现为复合改性沥青高温性能的提升。

2.5 LAS试验结果

基于伪应变能(PSE)的VECD理论可以量化损伤密度(D)与材料完整性(C)之间的关系。采用对数函数对D与C进行线性拟合，表4为损伤密度-材料完整性拟合结果。

从表4可以看出，拟合曲线R²均大于0.8，说明对数函数可以较好地反映损伤密度与材料完整性的关系。

图5为LAS试验结果。在D恒定的情况下，C越高的黏结剂在载荷循环下材料的完整性越好，表明抗疲劳性能较好。从图5a可以看出，在D较低时，不同直投式SBS质量分数下，C没有显著差异。随着D的增加，直投式SBS改性剂的加入使复合改性沥青在承受相同损伤水平的情况下，C不同，其中直投式SBS改性剂质量分数为3.0%时，表现出最佳的疲劳性能。对比不同配方的复合改性沥青可以发现，同一损伤密度下材料的完整性随改性剂质量分数的增加呈现先增大后减小的趋势，即存在最优掺量。值得注意的是，当D较低时，SBS改性剂质量分数为2.0%时表现出较高的耐久性，但在高损伤密度时，耐久性低于SBS改性剂质量分数为3.0%的复合改性沥青。

从图5b可以看出，在2.5%应变条件下，随着直投式SBS改性剂质量分数的增大，复合改性沥青的疲劳寿命(N_f)先增大后减小，相较胶粉改性沥青，复合改性沥青的疲劳寿命分别提高12.0%、34.1%、66.6%和58.0%。当SBS改性剂质量分数为3.0%时，复合改性沥青的疲劳寿命最大，达到394 759。在5%应变条件下，各复合改性沥青试样的疲劳寿命均大幅度下降，但疲劳寿随应变的变化趋势与2.5%时相似。总体而言，直投式SBS改性的加入有利于提高胶粉改性沥青的抗疲劳性能。

2.6 BBR试验结果

BBR评价指标为蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)。S越小且m越大，表明沥青在低温下的柔性和应力松弛能力越强，其低温性能越好^[25]。图6为BBR试验结果。从图6可以看出，复合改性沥青的S随着SBS改性质量分数的增加而增大，这表明掺入SBS改性剂会导致沥青的柔韧性降低，对其低温性能有负面影响。复合改性沥青的m随着SBS改性剂质量分数的增加而整体呈现降低趋势，且温度越低，m越小。这表明SBS改性剂质量分数越高，复合改性沥青的应力松弛能力变差。

3 结论

直投式SBS改性剂的加入提高了复合改性沥青的布氏黏度、复数剪切模量和车辙因子，改善了复合改性沥青的高、中温抗车辙变形能力以及抗剪切变形能力。直投式SBS改性剂的加入沥青在高应力水平重复荷载作用下的蠕变变形能力有明显改善，应力敏感性降低。构建直投式SBS-胶粉复合改性沥青G^*与δ主曲线，在高温低频时，复合改性沥青混合料的复数模量差别较小，低温高频时，主曲线间存在明显差异。在D较低时，不同直投式SBS掺量下C没有显著差异。随着损伤密度的增加，C不同，直投式SBS改性剂质量分数为3.0%时表现出的疲劳性能最好。直投式SBS-胶粉复合改性沥青的柔韧性低于胶粉改性沥青，且直投式SBS的掺量越高，其柔韧性下降越明显，说明直投式SBS改性剂的加入能够降低胶粉改性沥青的低温性能。

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基金资助

山东省重点研发计划(2020CXGC011405)

山东省交通运输科技项目(2024B89)