直投式SBS改性瀝青SMA混合料技術(shù)性能研究

（山東建筑大學(xué)道路與交通工程山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101）

利用改性瀝青來提高瀝青路面的抵抗高溫變形、低溫開裂、水損壞以及疲勞裂縫已經(jīng)成為非常普遍和必要的技術(shù)手段[1-2]。近幾年來出現(xiàn)了很多新型的改性技術(shù)，如穩(wěn)定型橡膠改性瀝青、橡塑合金改性瀝青等，對(duì)瀝青混合料的高低溫路用性能、力學(xué)性能和耐久性均有明顯的改善作用[3-6]。然而在當(dāng)前瀝青路面建設(shè)和養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)中，使用量最大的仍然是SBS 改性瀝青，約占國內(nèi)改性瀝青消耗總量的90%以上。SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)受改性工藝影響非常大[7]，成品出廠技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定性差；且在高溫生產(chǎn)過程中，基質(zhì)瀝青本身已經(jīng)形成了一定程度的老化，在后期的改性瀝青存儲(chǔ)和運(yùn)輸中，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的SBS 又會(huì)發(fā)生熱-氧降解[8-9]，使得瀝青韌性減小，嚴(yán)重降低了SBS 改性劑對(duì)改性瀝青的貢獻(xiàn)[10-11]。

從添加劑型高模量在瀝青混合料中作用機(jī)理可以得到啟示[12]，瀝青混合料可以在拌和過程中加入添加劑來實(shí)現(xiàn)某種特性。在合適的條件下，將SBS 改性劑與其他輔劑通過機(jī)械磨細(xì)，完成初次熱混，制備成均勻的改性劑，通過這種方式可大大縮短后續(xù)再分散的時(shí)間。在瀝青混合料生產(chǎn)的干拌過程中，將上述改性劑投入至拌缸中，使其承受高溫骨料強(qiáng)勁的攪動(dòng)和揉搓，伴隨著劇烈的機(jī)械能和熱能交換，可在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生熔融和分散，以便在隨后的濕拌過程中完成對(duì)瀝青乃至瀝青混合料的改性作用，代替成品SBS 改性瀝青來使用。直投式工藝的實(shí)現(xiàn)，可以打破SBS 改性瀝青長途運(yùn)輸和長時(shí)間存儲(chǔ)的限制，減少拌和現(xiàn)場(chǎng)改性瀝青存儲(chǔ)罐的投入，降低膠結(jié)料加溫、保溫所需的能源消耗，減少瀝青老化和SBS 熱-氧降解程度從而延長瀝青路面使用壽命。

本試驗(yàn)以自主研發(fā)的直投式SBS 改性劑，依托京臺(tái)高速公路瀝青路面維修工程，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)直投式SBS 改性瀝青混合料SMA-13，通過對(duì)高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞性能等測(cè)試，分析了直投式改性瀝青混合料的路用性能，并與相同礦質(zhì)組成的成品SBS改性瀝青混合料進(jìn)行比較，從技術(shù)層面判定以直投式工藝代替工廠化改性瀝青的可行性。

1 試驗(yàn)材料

為了與成品SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，并分析其工程可行性，選擇京臺(tái)高速公路將要施工的表面層SMA-13 瀝青混合料作為研究對(duì)象，以相同礦質(zhì)骨料，分別采用直投式SBS 改性劑+基質(zhì)瀝青、成品SBS 改性瀝青制備混合料，在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)瀝青混合料各項(xiàng)路用技術(shù)性能。

1.1 礦料

粗、細(xì)集料選用優(yōu)質(zhì)玄武巖，按照標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸篩分分檔使用，測(cè)定物理指標(biāo)見表1；各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求[13]。填料采用石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，測(cè)定技術(shù)見表2。

表1 集料相對(duì)密度（對(duì)應(yīng)篩孔的篩余顆粒）

表2 填料技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青膠結(jié)料

直投式SBS 改性瀝青混合料直接以70#基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)材料，比較對(duì)象采用成品SBS 改性瀝青，兩者主要技術(shù)指標(biāo)見表3，均滿足現(xiàn)行公路瀝青路面對(duì)瀝青膠結(jié)料的技術(shù)要求，可以用于瀝青混合料技術(shù)性能的評(píng)價(jià)試驗(yàn)方案。

表3 填料技術(shù)指標(biāo)

1.3 直投式SBS 改性劑

SBS 改性劑是苯乙烯-丁二烯的嵌段共聚物，具有很大的分子量，通常在幾萬到幾十萬不等。當(dāng)受熱融化后，其組成分子排列雜亂且相互糾纏，增加了分子間摩擦力，使得改性劑流動(dòng)性極差而難以分散、分解。常規(guī)SBS 改性劑與普通石油瀝青的溶解度就很差，分子量越大，越難以加工改性瀝青，必需要經(jīng)高溫瀝青的溶解、膠體磨剪切、發(fā)育以及穩(wěn)定等多道工序進(jìn)行生產(chǎn)，更無法直接采用直接拌和工藝，在短時(shí)間內(nèi)制得改性瀝青混合料，因此要消耗大量的能源，且很難保證改性瀝青的使用質(zhì)量。

將SBS 改性劑與和瀝青溶解度參數(shù)較好的樹脂類材料、潤滑類材料等通過雙螺桿擠出機(jī)的剪切、分散等作用形成預(yù)混，然后進(jìn)行造粒加工，成為有一定韌性的黑色顆粒，得到直投式SBS 改性劑，粒徑大小約為3 ～5 mm。此時(shí)的改性劑有效SBS 成分能保持原有的改性作用，同時(shí)降低了分子間的摩擦力，提高了熱拌和時(shí)的熔融和分散能力，使得直接拌和工藝得以實(shí)現(xiàn)。

2 改性瀝青指標(biāo)的驗(yàn)證

為評(píng)價(jià)直投式SBS 改性工藝和成品SBS 改性瀝青的技術(shù)性能差異，同時(shí)確定直投式SBS 改性劑摻量，參考傳統(tǒng)改性工藝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備改性瀝青試樣。以表3 中70#瀝青為基質(zhì)瀝青，試驗(yàn)采用小型剪切機(jī)進(jìn)行改性劑的分散，摻量分別取基質(zhì)瀝青的4%、5%、6%和7%。四種方案得到改性瀝青常用的三大技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 不同摻量改性劑制備改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

瀝青的三大指標(biāo)試驗(yàn)，設(shè)備普及率高，操作簡單，一般技術(shù)人員可以熟練掌握，因此用作普通瀝青及改性瀝青入場(chǎng)檢查的常規(guī)項(xiàng)目，也可以用來進(jìn)行改性效果的比較分析。

針入度主要表征瀝青材料的黏滯性，即抵抗變形的能力。從表4 中可以看出，隨著改性劑摻量的提高，瀝青的針入度值不斷減小，表明瀝青材料阻礙荷載下試針在其內(nèi)部移動(dòng)的能力得到了提高，起到了與SBS 改性相同的改善效果。

軟化點(diǎn)代表瀝青材料滴落流態(tài)和硬化點(diǎn)之間溫度間隔的87.21%，反應(yīng)瀝青材料的熱穩(wěn)定性。隨著直投式SBS 改性劑摻量的增加，改性瀝青軟化點(diǎn)逐漸升高，相應(yīng)的將減少瀝青路面在高溫狀態(tài)下由于膠結(jié)料軟化造成的流動(dòng)變形。

延度代表了瀝青材料能夠承擔(dān)塑性變形的能力，間接反應(yīng)了瀝青路面在低溫狀態(tài)下消散內(nèi)部溫度應(yīng)力、防止低溫開裂的能力。隨著SBS 改性劑摻量的增加，瀝青的延度不斷增大，但從6%摻量和7%摻量的增幅可以看出增長趨勢(shì)有了明顯的下降，低溫性能改善作用不再顯著。

從以上結(jié)果可以看出，采用直投式SBS 改性劑制備改性瀝青，具有改善瀝青高、低溫性能，增強(qiáng)瀝青材料粘滯性的作用；隨著改性劑摻量增加，其變化趨勢(shì)與成品SBS 改性工藝基本一致，可以作為成品SBS 改性瀝青混合料試驗(yàn)的比對(duì)方案進(jìn)行研究，改性劑摻量根據(jù)表4 結(jié)果取6%作為比對(duì)摻量。

3 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

直投式SBS 改性瀝青混合料采用馬歇爾方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)級(jí)配如表5所示。

表5 直投式SBS 改性瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配

將礦質(zhì)混合料加熱至170～180 ℃，保溫至少4 h后放入拌和鍋，加入直投式SBS 改性劑（可同時(shí)加入纖維穩(wěn)定劑）后干拌一個(gè)周期（約90 s），隨后加入70#基質(zhì)瀝青拌和一個(gè)周期，最后加入礦粉拌和一個(gè)周期，得到直投式改性SMA 瀝青混合料。改性劑摻量為瀝青質(zhì)量的6%（內(nèi)摻）。為了便于和普通SBS 改性瀝青混合料比較，排除瀝青膠結(jié)料總量對(duì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)采用相同級(jí)配的礦料，以成品SBS 改性瀝青作為膠結(jié)料制備對(duì)照組混合料，瀝青用量為直投式改性劑與基質(zhì)瀝青質(zhì)量總和。

瀝青是一種感溫性材料，其黏度隨溫度變化是其重要的性能，用以確定瀝青混合料的拌和、攤鋪和碾壓溫度，溫度越低則表明施工和易性較好。為了直觀地評(píng)價(jià)直投式SBS 改性瀝青混合料的施工和易性，分別在165 ℃、170 ℃和175 ℃下成型馬歇爾試件，技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 SBS 改性瀝青混合料SMA-13 馬歇爾技術(shù)指標(biāo)

直投式SBS 改性劑在熱集料的剪切作用下熔融，分散于熱態(tài)基質(zhì)瀝青中并發(fā)生交聯(lián)，形成“改性瀝青”，其總質(zhì)量等于對(duì)照組SBS 改性瀝青用量。

從表6 中可以看出，在相同級(jí)配條件下，隨著成型溫度的升高，瀝青混合料空隙率不斷降低，相應(yīng)的礦料間隙率減小，瀝青飽和度增加，說明隨著瀝青黏滯性的減小，礦質(zhì)混合料之間的間隙在恒定的擊實(shí)功下被壓縮的更?。慌c成品SBS 改性瀝青相比，直投式改性SMA 混合料在165 ℃下成型就可以達(dá)到前者170 ℃成型的密實(shí)水平，說明在施工溫度范圍內(nèi)，直投式SBS 改性工藝混合料內(nèi)部滯阻力較小，具有較好的施工和易性，可適當(dāng)降低混合料的生產(chǎn)溫度，減少瀝青老化，降低施工難度。

4 技術(shù)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)

在混合料設(shè)計(jì)結(jié)果基礎(chǔ)上，以4%空隙率作為成型標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)兩種工藝下改性瀝青混合料的技術(shù)性能。因兩者級(jí)配和各項(xiàng)體積參數(shù)基本相同，技術(shù)性能差異主要因素就是改性工藝的不同。

4.1 高溫穩(wěn)定性

提高瀝青混合料在高溫季節(jié)抵抗車轍變形能力，是使用SBS 改性瀝青的主要目的之一。采用現(xiàn)行規(guī)范試驗(yàn)方法，以4%空隙率對(duì)應(yīng)毛體積密度，輪碾法成型30 cm×30 cm×5 cm 板式試件，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)條件60 ℃/0.7 MPa 下兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

從圖1 可以看出，直投式改性SMA 混合料和成品SBS 改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別達(dá)到了5 600 次/mm 和4 523 次/mm，均滿足改性瀝青混合料SMA-13 高溫穩(wěn)定性要求。相同級(jí)配情況和“瀝青總量”下，直投式改性SMA 瀝青混合料具有更高的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果，高出成品改性瀝青拌和工藝23.8%。

4.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性檢驗(yàn)采用小梁試件（250 mm×30 mm×35 mm）低溫彎曲試驗(yàn)方法。試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速度為5 cm/min，采集最大破壞荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度計(jì)算彎曲破壞應(yīng)變，用來評(píng)價(jià)抗裂性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果見表7。

SBS 改性同樣具備改善瀝青低溫性能的作用，通過提高瀝青的低溫延性，在相同拉應(yīng)變發(fā)展下延緩斷裂的發(fā)生，從而增強(qiáng)瀝青路面抵抗低溫縮裂的能力。

從表7 測(cè)試結(jié)果可以看出，兩種改性瀝青混合料低溫抗裂性均能滿足規(guī)范要求；從數(shù)值上看，直投式改性SMA 混合料最大彎拉應(yīng)變低于成品SBS 改性混合料；從降低幅度上看，不足后者破壞應(yīng)變值的4%，考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)本身的離散性可以看出，兩種瀝青混合料在低溫抗裂性方面表現(xiàn)基本相當(dāng)。

表7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性檢驗(yàn)采用凍融劈裂試驗(yàn)中得到的殘留劈裂強(qiáng)度比RST，試件采用雙面擊實(shí)50 次的馬歇爾試件2 組，分別作為試驗(yàn)組和對(duì)照組。試驗(yàn)組經(jīng)過真空飽水、低溫冰凍、熱水浴融化的循環(huán)過程一次，以削弱瀝青結(jié)合料與礦料之間的黏附能力，從而表現(xiàn)為間接抗拉強(qiáng)度的降低。兩組改性瀝青混合料測(cè)試結(jié)果見圖2。

從圖2 中可以看出，兩種改性混合料試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范關(guān)于水穩(wěn)定性的要求；直投式SBS 改性瀝青要優(yōu)于成品改性瀝青拌和的瀝青混合料。這是由于改性劑在高溫熔融狀態(tài)，其中一部分黏附在礦料表面，形成骨料與瀝青黏附的強(qiáng)力膠，增強(qiáng)界面結(jié)合力；其余部分則與瀝青混合、分散，以增強(qiáng)瀝青內(nèi)聚力。因此，從水穩(wěn)定性結(jié)果可以看出，直投式SBS 改性工藝不僅是對(duì)瀝青進(jìn)行改性，同時(shí)也起到了改性骨料界面結(jié)合力的作用。

圖2 凍融劈裂試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 疲勞性能

應(yīng)用四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種SBS改性瀝青混合料的疲勞性能，如圖3所示。疲勞試驗(yàn)在20 ℃的中溫水平下進(jìn)行；采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變水平取600 μ、800 μ、1 000 μ三種應(yīng)變水平；試驗(yàn)荷載頻率為10 Hz，采用連續(xù)正弦波形荷載加載。試驗(yàn)以試件實(shí)時(shí)勁度模量衰減至初始勁度50%時(shí)的加載次數(shù)作為疲勞壽命[14-15]。表8 給出了兩種改性瀝青混合料的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)裝置

表8 疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合瀝青路面在實(shí)際車輛荷載下的應(yīng)變分布及大小的規(guī)律可知，兩種瀝青混合料應(yīng)用到瀝青路面中都會(huì)有較高的疲勞壽命。

從表8 可以看出，隨著應(yīng)變水平的增大，兩種瀝青混合料疲勞壽命都出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，符合瀝青混合料疲勞破壞的基本規(guī)律；在單一應(yīng)變水平下比較，直投式改性SMA 瀝青混合料和成品SBS 改性瀝青混合料的疲勞壽命并無明顯的高低之分；600μ 水平下由于試驗(yàn)值基數(shù)最大，相應(yīng)的也出現(xiàn)了差值絕對(duì)值的最大差，但僅為平均值的2.7%，為三組中最小值，最大值則為5.1%，均小于各自平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散程度。由此可以認(rèn)定，兩種改性瀝青混合料在疲勞性能方面表現(xiàn)相當(dāng)，直投式改性SMA 瀝青混合料疲勞壽命不低于相同條件下的成品SBS 改性瀝青混合料。

5 結(jié)論

a）與成品SBS 改性瀝青混合料相比，直投式改性SMA 瀝青混合料具有較好的和易性，可在一定程度上降低混合料的生產(chǎn)溫度，降低瀝青短期老化程度和路面施工難度。

b）直投式改性SMA 瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于成品SBS 改性SMA混合料，低溫抗裂性和疲勞性能方面與成品SBS改性SMA 瀝青混合料相當(dāng)。

c）直投式改性SMA 瀝青混合料在技術(shù)性能方面符合現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求，且不低于目前已經(jīng)成熟的SBS 改性瀝青混合料技術(shù)，可以代替工廠化改性瀝青用于瀝青路面之中。