劉瀅，金云東，周超，侯德華，彌平

(1.南京工業(yè)大學浦江學院 土木與建筑工程學院，江蘇 南京 211134；2.四川工程職業(yè)技術學院 建筑工程系，四川 德陽 618000；3.河南省高等級公路檢測與養(yǎng)護技術重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453003)

針對瀝青力學性能的不足，研究人員開始重視利用聚合物改善瀝青的性能[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，將再生聚丙烯(PP)應于改性瀝青，不僅可以改善瀝青混合料的溫度敏感性，還能降低工程造價，形成環(huán)保綠色路面，但會使瀝青的蠕變性降低[4-5]。而丁苯橡膠(SBR)可提高瀝青的延展性，但SBR改性瀝青的高溫性能較弱[6-7]。因此，可采用不同的聚合物復配使用，以發(fā)揮不同類型聚合物對瀝青流變性能的改善[8-9]。

本文采用開煉機將SBR粉末與PP顆粒混煉成SBR/PP熱塑性彈體，并研究不同配比設計的SBR/PP改性瀝青流變性及其混合料的高溫抗車轍性、低溫抗開裂性和水穩(wěn)性，以便為SBR/PP改性瀝青的推廣應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丁苯橡膠粉末為SBR 1502，廣東省東莞市樟木頭塑膠化工生產(chǎn)；聚丙烯為再生灰色PP顆粒，湖南映宏新材料股份有限公司生產(chǎn)；相容劑為自制醋酸乙烯酯接枝；2，6-二叔丁基對甲基苯酚、十八(烷)酸鋅鹽均為化學品；SK 70號瀝青，主要性能指標見表1，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

表1 SK 70號瀝青技術指標

SYD-4508G延度儀；SYD-2801F針入度儀；SYD-2806F軟化點儀；QCZ-2型多功能車轍儀；SmartPave102動態(tài)剪切流變儀；UTM-25萬能試驗機。

1.2 SBR/PP復合改性瀝青的制備

1.2.1 SBR/PP熱塑性彈體制備 將SBR粉末和PP顆粒分別按配比設計稱取，在高速混合機中混合1 min，之后添加適量的相容劑、抗氧劑和助劑共混 1 min；最后將共混物加入到雙螺桿擠出機中擠出，擠出機加料口溫度設定為180 ℃、機頭溫度設定為190 ℃，中間各段加熱溫度分別為190，200，210，200 ℃，螺桿的轉速為200 r/min，制得SBR/PP熱塑性彈體。為改善SBR/PP熱塑性彈體在瀝青中的分散及溶脹，通過橡膠粉碎機對其進行磨碎處理，效果見圖1，通過熒光顯微鏡可以觀測到SBR/PP熱塑性彈體顆粒表面粗糙，形狀不規(guī)則，且SBR與PP混合均勻。

圖1 SBR/PP熱塑性彈體的宏觀與微觀圖像

1.2.2 復合改性瀝青的制備 將SK 70號基質瀝青加熱至135 ℃，使其成為熱熔狀態(tài)，然后將不同摻量的SBR/PP熱塑性彈體緩慢加入到瀝青中，之后將改性瀝青升溫至170～180 ℃，機械攪拌30 min，以便SBR/PP熱塑性彈體在瀝青中充分溶脹；隨后采用高速剪切機以5 000 r/min的轉速對改性瀝青進行剪切，剪切時間為40 min，最后得到SBR/PP復合改性瀝青，不同改性瀝青的配比設計見表2。

表2 不同改性瀝青的配比組合設計

2 結果與討論

2.1 SBR/PP復合改性瀝青的性能

2.1.1 SBR/PP復合改性瀝青的技術指標 試驗選用國內改性瀝青的主要評價指標針入度、軟化點、延度和軟化點差對不同改性瀝青進行評價分析，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行，結果見表3。

表3 SBR/PP復合改性瀝青的技術指標

由表3可知，當MSBR∶MPP為3∶7時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度和延度逐漸降低，軟化點和軟化點差值逐漸升高，改性瀝青的總體性能偏“硬”，表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性，儲存穩(wěn)定性均滿足JTG F40—2004中Ⅰ類改性瀝青>2.5 ℃的要求；當摻量達到5%時，延度降低48%，改性瀝青的低溫性能較差，容易產(chǎn)生脆斷。當MSBR∶MPP為5∶5時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點和軟化點差值逐漸升高，延度則先增加后降低，最大延度為88 cm，體現(xiàn)出較強的黏塑特性。當MSBR∶MPP為 7∶3時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點、延度和軟化點差值逐漸提高，使得改性瀝青具有良好的延展特性，更能體現(xiàn)出丁苯橡膠的力學性能；當摻量為5%時，軟化點差值為2.7 ℃，已不滿足規(guī)范中Ⅰ類改性瀝青<2.5 ℃的要求。

SBR/PP熱塑性彈體在相同摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青的總體性能表現(xiàn)為針入度、延度和軟化點差值逐漸升高，軟化點逐漸降低。說明當SBR/PP熱塑性彈體中以高柔韌性的SBR軟相為主時，改性瀝青體現(xiàn)出較好的低溫性能，但此時由于丁苯橡膠的黏聚性較大，在高溫儲存過程中易產(chǎn)生離析，致使高溫儲存穩(wěn)定性較差。因此，當橡塑比MSBR∶MPP>7∶3時，SBR/PP熱塑性彈體的摻量不宜超過4%。

2.1.2 SBR/PP復合改性瀝青的流變性能PG分級 美國在SHRP(Strategic Highway Research Program)計劃中提出基于瀝青流變性能的評價方法，并依據(jù)瀝青適用的路面最高溫度和最低溫度對瀝青材料進行PG(Performance Grade)分級。根據(jù)AASHTO M 320(AASHTO 2017)，對制備的改性瀝青進行PG分級，結果見表4。

表4 SBR/PP復合改性瀝青流變性能PG分級參數(shù)

表4總結了12種改性瀝青的PG分級，為保證黏結材料具有良好的高溫抗變形能力，要求未老化瀝青的車轍因子(G*/sinδ)不應小于1 kPa，RTFOT老化后瀝青的車轍因子(G*/sinδ)不應小于 2.2 kPa，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，提取并確保每種改性瀝青的高溫PG均滿足Superpave規(guī)定要求。從試驗結果可以看出，在橡塑比MSBR∶MPP相同的情況下，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青整體發(fā)展趨勢是具有更高的PG分級，最高可以提高三級，抗車轍性得到改善；而隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青的高溫抗變形能力降低，高溫PG分級降低，說明聚丙烯塑料的高溫力學性能要優(yōu)于丁苯橡膠。

經(jīng)過短期老化以后，RTFO殘留物的G*/sinδ顯著增加，表明改性瀝青的抗車轍性得到改善。在3%摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后車轍因子的增加幅度分別為81%，83%，108%和114%；在4%摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后車轍因子的增加幅度分別為50%，92%，100%和173%；在5%摻量下，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后車轍因子的增加幅度分別為70%，89%，92%和115%；由此可見，隨著SBR含量的增加，老化前后車轍因子的增加幅度逐漸提高，說明SBR的抗老化能力相對較差，這主要是因為SBR長分子鏈在老化過程中容易被氧化、降解[10]，橡膠之間不能形成穩(wěn)定的連續(xù)相，使其性能發(fā)生大幅度變化。而聚丙烯的抗老化能力較好[11]，在瀝青中形成的交聯(lián)體系在老化過程中比較穩(wěn)定，從而增強對瀝青的約束力，改善瀝青的熱穩(wěn)定性。

為保證黏結材料不產(chǎn)生疲勞開裂，一般以PG分級中最高和最低設計溫度的平均值加4 ℃為黏結材料的中溫測試條件，并要求中溫條件下的G*·sinδ不應超過5 MPa，否則認為黏結材料易發(fā)生疲勞開裂破壞，而較低的G*·sinδ值具有更好的抵抗疲勞開裂的能力。對于表4中列出的PG分級可知，在中溫條件下，所有改性瀝青的疲勞因子都滿足規(guī)定要求。但是隨著聚丙烯的增加，改性瀝青的疲勞開裂風險提高。

根據(jù)BBR試驗，低溫勁度模量越大，瀝青表現(xiàn)得越硬脆，易產(chǎn)生低溫開裂；而勁度模量變化曲線斜率(m)表征了低溫下瀝青的蠕變變化率，m值越大，瀝青的感溫性越好，隨著環(huán)境溫度的驟降不易產(chǎn)生開裂。因此，Superpave規(guī)定低溫勁度模量不能超過300 MPa，m值不能小于0.3。從試驗結果可知，當MSBR∶MPP為 3∶7時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青在低溫條件下的PG分級逐漸提高，說明高摻量的SBR/PP熱塑性彈體不益于改性瀝青在低溫區(qū)域的應用；當MSBR∶MPP為5∶5和7∶3時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青的低溫PG分級保持不變，說明當SBR/PP熱塑性彈體中丁苯橡膠配比占主導地位時，有利于改善SBR/PP復合改性瀝青的低溫抗開裂能力。

綜上所述，可以通過SBR/PP熱塑性彈體來改善瀝青的PG分級，以增強瀝青在高低溫環(huán)境下的適應性。當橡塑比MSBR∶MPP為5∶5時，SBR/PP熱塑性彈體明顯改善瀝青對車轍的抵抗力，且不同摻量的改性瀝青低溫性能沒有產(chǎn)生顯著負面影響，能夠改善累積的低溫應力，綜合性能相對最佳。

2.2 SBR/PP復合改性瀝青混合料的路用性能

熱拌瀝青混合料級配選用JTG F41—2004規(guī)范中AC-13范圍中值，并選用石灰?guī)r作為骨料，石灰石粉作為礦物填料，其主要技術指標符合JTG F40—2004要求，見表5。根據(jù)馬歇爾混合料設計方法對改性瀝青混合料進行設計，以確定混合料的最佳瀝青含量OAC。改性瀝青混合料的拌合與擊實溫度分別為170 ℃和155 ℃。為保證不同摻量及配比條件下瀝青混合料之間能夠有效合理的比對，需要建立共同的比較基準，所以在保證馬歇爾試件空隙率不小于4%且性能指標滿足規(guī)范要求的前提下，本次試驗的改性瀝青混合料均選擇OAC為 5.25%(按混合料的質量計)制備所需改性瀝青混合料試件。

表5 石灰?guī)r骨料的技術指標

2.2.1 SBR/PP復合改性瀝青混合料的中高溫抗變形能力 對不同改性瀝青混合料的試件分別進行60 ℃車轍試驗，以評價SBR/PP熱塑性彈體對改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響。

簡單性能試驗SPT(Simple Performance Test)是按照美國NCHRP的設想，提出一種能反映瀝青混合料抗變形能力的試驗。SPT動態(tài)模量試驗制備的試件遵循EN 12697—26規(guī)程要求，試驗測試溫度選用30 ℃評價改性瀝青混合料的中溫抗變形能力，加載頻率分別為1，5，10，20，25 Hz，以模擬我國不同等級公路30～120 km/h的車速。試驗采用應變控制水平，為保證混合料在小應變條件下進行測試，實驗設置應變變化范圍85～115 με，采用連續(xù)正弦加載方式，將測試頻率以循環(huán)方式施加到無約束試件上進行測試并記錄試驗數(shù)據(jù)，結果見表6。

表6 SBR/PP復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度及動態(tài)模量實驗結果

由表6可知，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸增大，且都滿足JTG F40—2004中改性瀝青混合料動穩(wěn)定度不小于2 400次/mm的要求。當SBR/PP熱塑性彈體摻加量相同時，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸減小，高溫穩(wěn)定性相對變差。此外，相對于丁苯橡膠，由于聚丙烯交聯(lián)結構的力學性能強，對改性瀝青混合料的高溫抗變形能力的影響較為顯著，對于夏季炎熱區(qū)可以優(yōu)選橡塑比MSBR∶MPP為3∶7的SBR/PP熱塑性彈體對瀝青進行改性。

SPT試驗的評價指標動態(tài)模量不僅可以表征改性瀝青混合料的黏彈特性，還能反映混合料在中溫條件下的累積永久變形。從不同頻率下的動態(tài)模量可以看出，隨著負載頻率的降低，產(chǎn)生的動態(tài)模量逐漸減小，這種現(xiàn)象可以解釋在陡坡、交叉路口或公交車站等路段，由于車輛行駛速度較低及頻繁制動，致使輪胎與路面之間處于長時間接觸狀態(tài)，路面易發(fā)生永久變形。

在不同頻率下，當橡塑比MSBR∶MPP相同時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，改性瀝青混合料的動態(tài)模量均逐漸增大，表明熱塑性彈體摻量越高，其改性瀝青混合料會具有更高的剛度，并且相對于SBR改性瀝青，SBR/PP復配改性瀝青可以顯著改善混合料的抗變形能力，對于夏季炎熱地區(qū)可以添加4%～5%的SBR/PP熱塑性彈體，橡塑比MSBR∶MPP為 3∶7最佳。

2.2.2 改性瀝青混合料的低溫抗開裂性能及水穩(wěn)定性 為評價SBR/PP熱塑性彈體改性瀝青混合料的低溫抗開裂能力以及水穩(wěn)定性，按照JTG F20—2011規(guī)范對不同改性瀝青混合料試件分別進行 -10 ℃ 低溫彎曲試驗以及凍融劈裂試驗，結果見表7。

表7 SBR/PP復合改性瀝青混合料的抗裂性及水穩(wěn)性

由表7低溫彎曲試驗結果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，混合料的低溫勁度模量逐漸增大。當復配設計為5-(3∶7)時，勁度模量到達最大值3 525 MPa，相對于3-(3∶7)，其低溫勁度模量增幅16%。當SBR/PP熱塑性彈體摻量相同時，隨著橡塑比的減小，不同改性瀝青混合料的勁度模量逐漸增加，表明通過SBR/PP復配技術可以顯著改善混合料的低溫勁度模量，提升其低溫抗彎拉能力。但是勁度模量過大容易造成混合料的低溫脆斷，因此，規(guī)范要求冬季嚴寒地區(qū)的破環(huán)應變不應小于3 000 με。由表可知，除 5-(3∶7)改性瀝青混合料低于3 000 με，其余改性瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。同時，當SBR/PP熱塑性彈體摻量相同時，隨著橡塑比MSBR∶MPP的增加，最大彎拉應變先略有增加，后又逐漸減小，該現(xiàn)象與改性瀝青混合料的高頻回彈模量變化規(guī)律相一致。說明適中的橡塑比，可以使改性瀝青混合料在抗拉伸過程中充分發(fā)揮熱塑性彈體的黏韌性，從而改善混合料的低溫彎拉應變，這也體現(xiàn)了丁苯橡膠與聚丙烯的復配效應。

由表7凍融劈裂試驗結果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同時，隨著SBR/PP熱塑性彈體摻量的增加，劈裂強度和TSR都在逐漸增大。對于不同橡塑比的改性瀝青混合料，高含量SBR改性瀝青混合料具有最佳的水穩(wěn)定性，隨著PP的加入，改性瀝青混合物的水穩(wěn)定逐漸降低，與SBR改性瀝青混合料相比，其最高降低幅度達到18%。綜上所述，對于SBR/PP熱塑性彈體改性瀝青，PP的加入增強了瀝青膠結料的交聯(lián)凝結作用，使混合料具有優(yōu)良的抗劈裂能力。但是，這也造成體系的剛度較大，在荷載作用下的位移量相對較小，從而導致低溫抗變形能力降低。因此，考慮到混合料的抗裂性能及抗水損性，需限制聚丙烯的高摻量應用。

3 結論

(1)通過試驗表明，SBR/PP熱塑性彈體的配比設計，對于改性瀝青的性能影響很重要，其中丁苯橡膠對改性瀝青的低溫延展性及黏聚性影響較大，聚丙烯對改性瀝青的高溫抗變形能力、高溫儲存穩(wěn)定性及抗老化性能影響較大。因此，可以使用SBR/PP復合材料對瀝青的PG進行工程設計，以承受不同溫度環(huán)境下的交通荷載。且在橡塑比(MSBR∶MPP)為5∶5時，熱塑性彈體可以顯著改善瀝青的高溫抗變形能力，低溫性能沒有產(chǎn)生顯著負面影響，PG分級綜合流變性能相對最佳。

(2)SBR/PP復合改性瀝青混合料的綜合路用性能相對較好，當橡塑比為3∶7時，其改性瀝青混合料具有最佳的高溫性能，適用于國內炎熱地區(qū)。此外，當需要考慮混合料在低溫環(huán)境下的抗裂性能及抗水損性時，聚丙烯的含量不易超過SBR/PP熱塑性彈體總質量的50%。