SBR-岩沥青复合改性沥青黏弹性能研究

Study on Viscoelastic Properties of SBR-Rock Asphalt Composite Modified Asphalt

摘要

为解决岩沥青改性沥青低温性能不足的问题，采用苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）对岩沥青进行复合改性，制备不同SBR改性剂掺量的SBR-岩沥青复合改性沥青。通过针入度和软化点试验、温度扫描试验、频率扫描试验、多重应力蠕变恢复（MSCR）试验、线性振幅扫描（LAS）试验和弯曲梁流变（BBR）试验分析SBR-岩沥青复合改性沥青的常规性能以及高温、中温及低温黏弹特性，构建了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了复合改性沥青的疲劳损伤特性。结果表明，SBR改性剂的加入能够提高复合改性沥青高温抗车辙性能、低温性能和抗疲劳性能，降低高温条件下的应力敏感性；当SBR改性剂质量分数低于3%时，复合改性的疲劳性能和低温性能改善不明显。

Abstract

To solve the problem of insufficient low-temperature performance of rock asphalt modified asphalt, styrene-butadiene rubber (SBR) was used for composite modification of rock asphalt, and SBR-rock asphalt composite modified asphalt with different SBR modifier dosages was prepared. By conducting penetration and softening point tests, temperature scanning tests, frequency scanning tests, multiple stress creep recovery (MSCR) test, linear amplitude scanning (LAS) test and bending beam rheological (BBR) test, the conventional properties and high temperature, medium temperature and low temperature viscoelastic characteristics of SBR-rock asphalt composite modified asphalt were analyzed. The main curve of complex shear modulus (G*) and phase angle (δ) of composite modified asphalt were constructed. Based on the viscoelastic damage model, the fatigue damage characteristics of composite modified asphalt were evaluated. The results indicate that the addition of SBR modifier can improve the high-temperature rutting resistance, low-temperature resistance and fatigue resistance of composite modified asphalt, while reducing stress sensitivity under high-temperature conditions. When the mass fraction of SBR modifier is less than 3%, the improvement of fatigue performance and low-temperature performance of composite modification is not significant.

Graphical abstract

关键词

复合改性沥青 / SBR改性剂 / 流变性能 / 黏弹性损伤

Key words

Composite modified asphalt / SBR modifier / Rheological properties / Viscoelastic damage

沥青路面在极端气候作用下如何保持稳定成为亟待解决的问题。通常情况下，采用改性沥青能够提高沥青路面的耐久性和抗老化性能^[1-3]。天然岩沥青与道路石油沥青成分相似，相容性高，生产较为简便，对环境的影响较小。研究人员对天然岩沥青改性沥青展开大量研究。樊亮等^[4]研究发现，天然岩沥青能够显著提高沥青的高温性能，还可改善沥青的抗老化性能和稳定性。陆兆峰等^[5]采用青川岩沥青制备岩沥青改性沥青混合料，测试沥青混合料的路用性能，并推荐了最优掺量。曲恒辉^[6]、LI等^[7]、WEN等^[8]及WANG等^[9]研究人员对岩沥青、岩沥青改性沥青的改性机理进行了测试，发现岩沥青的加入会造成沥青及其混合料低温性能的降低。有研究将岩沥青与SBS复合改性，测试复合改性沥青混合料的路用性能^[10-12]。有研究将岩沥青与废胶粉复合改性，测试复合改性沥青及沥青混合料的性能^[13-16]。王修山等^[17]、王铭杰^[18]将岩沥青与环氧树脂复合改性。结果表明，环氧树脂的加入能够改善岩沥青改性沥青的低温性能。金鑫等^[19]、LONG等^[20]将岩沥青与聚氨酯复合改性。结果表明，加入聚氨酯后，岩沥青改性沥青的低温性能明显改善。

综上所述，岩沥青改性石油沥青虽然能够提高基质沥青的高温性能，但会降低其低温性能和抗疲劳性能。SBS与岩沥青复合改性对低温性能和抗疲劳性能的改善效果较差^[21-25]。聚氨酯和环氧树脂与岩沥青进行复合改性虽然能够提高低温性能，但树脂类材料价格高昂。因此，需要选择一种价格较为合理且应用方便的材料与岩沥青复合。鉴于SBR改性沥青低温性能优异，考虑将SBR与岩沥青复合改性，提高基质沥青的高温、低温和疲劳性能，以延长极端气候环境下沥青路面的服役寿命。

1 实验部分

1.1 主要原料

沥青，70号A级道路石油沥青，中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司；SBR改性剂，1502，中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司。青川岩沥青，邢台海阔沥青销售有限公司。表1为沥青技术指标。表2为岩沥青技术指标。

1.2 仪器与设备

针入度仪，SYD-2801F，上海昌吉地质仪器有限公司；软化点仪，SYD-2806H，上海昌吉地质仪器有限公司；沥青动态剪切流变仪，HR20，美国TA公司；弯曲梁流变仪，TE-BBR-SD，美国Cannon公司。

1.3 样品制备

本研究制备SBR质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%、5%，岩沥青质量分数为15%的复合改性沥青。图1为复合改性沥青制备工艺。首先，将70号沥青加热至180 ℃，加入SBR后，以3 500 r/min转速剪切90 min。然后加入岩沥青，以同样转速剪切90 min，剪切完成后加入稳定剂，继续剪切15 min。最后，将复合物放入165 ℃烘箱中，保温108 min，得到SBR/岩沥青复合改性沥青。

1.4 性能测试与表征

常规性能测试：采用针入度、软化点试验评价复合改性沥青的常规性能。

温度扫描试验：样品直径为25 mm，厚度为2 mm，试验温度范围为40~88 ℃。

频率扫描试验：扫描频率为0.1~10.0 Hz，剪切应变为1%，试验温度分别为30、40、50、60、70 ℃，试验过程中采集复数剪切模量和相位角数据，并采用修正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}_r})\mathrm{1}+\frac{\mathrm{1}}{{\lambda }_{\mathrm{2}}}}(2)

式(1)~式(2)中：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。

多重应力蠕变恢复(MSCR)试验：温度为64 ℃，试验过程中记录初始应变和应变增量，通过计算得到变形恢复率(R)和不可恢复蠕变柔量(J_nr)。计算公式为：

R_{\mathrm{0.1}}=\frac{{\sum }_{N=\mathrm{1}}^{\mathrm{20}}{\epsilon }_{\mathrm{r}}(\mathrm{0.1},N)}{\mathrm{10}}(3)

R_{\mathrm{3.2}}=\frac{{\sum }_{N=\mathrm{1}}^{\mathrm{10}}{\epsilon }_{\mathrm{r}}(\mathrm{3.2},N)}{\mathrm{10}}(4)

J_{\mathrm{n}\mathrm{r}}(\mathrm{0.1},N)=\frac{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}({\epsilon }_{\mathrm{1}},{\epsilon }_{\mathrm{10}})}{\mathrm{0.1}}(5)

J_{\mathrm{n}\mathrm{r}}(\mathrm{3.2},N)=\frac{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}({\epsilon }_{\mathrm{1}},{\epsilon }_{\mathrm{10}})}{\mathrm{3.2}}(6)

式(3)~式(6)中：R_0.1为0.1 kPa蠕变应力水平下的平均恢复率，%；ε_r(0.1，N)为0.1 kPa蠕变应力下第N个循环的恢复率，%；R_3.2为3.2 kPa蠕变应力水平下的平均恢复率，%；ε_r(3.2，N)为3.2 kPa蠕变应力下第N个循环的恢复率，%；J_nr(0.1，N)为0.1 kPa蠕变应力第N个循环的不可恢复蠕变柔量，kPa^-1；N为1、2、3……10次循环；J_nr(3.2，N)为3.2 kPa蠕变应力第N个循环的不可恢复蠕变柔量，kPa^-1。

线性振幅扫描(LAS)试验：温度为25 ℃，试样直径为8 mm，厚度2 mm，试验参照AASHTO TP101-12进行。

弯曲梁流变(BBR)试验：试验温度为-12、-18、-24 ℃，试样尺寸为127 mm×12.7 mm×6.35 mm，试验过程参照AASHTO T 313—09进行。每种复合改性沥青在不同温度条件下进行3组平行试验，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合改性沥青的常规性能

图2为复合改性沥青的常规性能。

从图2可以看出，复合改性沥青的针入度与SBR改性剂质量分数呈负相关，而软化点呈正相关。SBR改性剂对针入度的影响较小，对软化点影响较大。当加入质量分数为5%的SBR改性剂后，软化点提升近40 ℃。主要原因是SBR经剪切后形成微小颗粒，这些颗粒被沥青渗透并包围，形成了空间网状结构，进而提高了软化点。

2.2 复合改性沥青的温度扫描试验结果

图3为复合改性沥青的温度扫描试验结果。从图3a可以看出，6种复合改性沥青的复数剪切模量(G*)均随温度的升高而逐渐降低。其原因是沥青在高温下会产生黏性流动，沥青的黏性本质未发生改变。6种复合改性沥青的G*与SBR改性剂掺量呈正相关，表明SBR改性剂掺量的增加可提高复合改性沥青的抗剪切能力。从图3b可以看出，随着温度的提高，6种沥青的δ均增大，但随着SBR改性剂掺量的增加，δ的增长速率逐渐降低。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δ越接近90 ℃。从图3c可以看出，G*/sin δ曲线变化趋势与G*变化趋势相似，即SBR改性剂的掺量越高，复合改性沥青的抗车辙变形的能力越高。

2.3 复合改性沥青G*和δ主曲线的构建

图4为复合改性沥青的G*与δ主曲线。从图4可以看出，在低频条件下，复合改性沥青的G*差别较小。当SBR质量分数超过2%时，主曲线间的差异逐渐增加，且随着加载频率的升高差异性愈发明显。同时，SBR改性剂掺量越高，复合改性沥青的G*越大。在高频条件下，加入SBR改性剂后，G*主曲线逐渐分离。从δ主曲线可以看出，在低频时复合改性沥青的更接近黏性体。加入SBR改性剂后，沥青的黏性降低，弹性增大。在高频时，δ的变化幅度减小，主曲线间的差距也不再明显。

2.4 复合改性沥青的MSCR试验结果

图5为复合改性沥青的MSCR试验结果。

从图5a可以看出，R随SBR改性剂掺量的增加而增加，与岩沥青改性沥青相比，在0.1 kPa下SBR-5.0的R增加了29.4%。这说明SBR改性剂可以提高复合改性沥青的蠕变恢复率，其原因是SBR改性剂提高了沥青中的弹性成分。在3.2 kPa剪切载荷作用下的R均低0.1 kPa下的R，主要原因是剪切荷载的增加导致复合改性沥青的不可恢复变形增加。从图5b可以看出，各试样的J_nr与R呈负相关。在0.1 kPa和3.2 kPa剪切应力作用下，各SBR改性剂掺量的复合改性沥青的J_nr均小于岩沥青改性沥青，这表明在既定试验温度下，SBR改性剂能够抑制沥青在重复剪切荷载作用下的不可恢复变形，表现出良好的往复荷载作用的能力。其主要原因是SBR改性剂增强了岩沥青改性沥青分子间的相互作用，降低了沥青分子的流动性和黏性，随着改性剂掺量的增加，沥青的黏度增加，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 复合改性沥青的LAS试验结果

LAS试验结果可以结合伪应变能(PSE)的黏弹性损伤(VECD)理论，达到量化损伤密度与材料完整性关系的目的^[26]。图6为复合改性沥青的LAS试验结果。

从图6a可以看出，损伤密度较低时，不同SBR掺量下，材料完整性无显著差异。随着损伤密度的增加，SBR改性剂的加入使复合改性沥青在相同损伤水平下表现出不同的材料完整性。其中，当SBR改性剂质量分数为1%时，其损伤密度-材料完整性曲线与岩沥青改性沥青几乎重合；当SBR改性剂质量分数达到并超过3%时，其损伤密度-材料完整性曲线逐渐与低剂量复合改性的曲线分离。且随着SBR掺量的增加，在损伤密度相同时，材料完整性越高，复合改性沥青的抗疲劳性能越好。从图6b可以看出，疲劳寿命均与SBR改性剂掺量呈正相关。在2.5%应变水平下，相比岩沥青改性沥青，复合改性沥青的疲劳寿命分别增长了10、33、63、130、201倍。在5.0%应变条件下，复合改性沥青的疲劳寿命均大幅下降，但疲劳寿命随应变变化的趋势与2.5%时相似。

2.6 复合改性沥青的BBR试验结果

BBR试验评价指标为蠕变劲度模量(S)和蠕变速率(m)。其中，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^[27]。图7为复合改性沥青的BBR试验结果。从图7可以看出，SBR-岩沥青复合改性沥青的S随SBR掺量的增大而降低，m随着SBR掺量的增大而增大，说明SBR改性剂可提高沥青柔韧性和应力松弛能力，提高岩沥青改性沥青的低温性能。只有SBR改性剂质量分数达到5%时，复合改性沥青才满足PG-18的技术要求。

3 结论

SBR改性剂的加入提高了复合改性沥青的软化点、G*、G*/sin δ等关键指标，增强了复合改性沥青的高、中温条件下的抗车辙变形能力，提高其抗剪切变形性能。SBR改性剂可改善了沥青在高应力水平重复荷载作用下的蠕变变形能力，降低其应力敏感性。在低频条件下，不同SBR掺量的复合改性沥青混合料的G*差异较小；而在高频条件下，主曲线间的差异较为明显。SBR改性剂能够提高岩沥青的低温性能和抗疲劳性能，但SBR用量低于3%时，改善效果不明显。

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基金资助

山东省交通运输科技项目(2024B89)