馬 峰， 金彥鑫， 傅 珍， 邢海鵬

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.長安大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

近年來隨著公路交通的高速發(fā)展，車轍、開裂、松散等路面病害愈發(fā)嚴(yán)重[1]。目前，SBS外摻劑因其對瀝青的高低溫性能改善效果優(yōu)異而普遍應(yīng)用于工程實(shí)踐領(lǐng)域，然而在外界光熱作用下，SBS外摻劑易因不飽和雙鍵降解致使其結(jié)構(gòu)和性能大幅度降低甚至惡化[2]。

SEBS是基于SBS選擇性加氫得到的以聚苯乙烯為末端硬嵌段，以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線型三嵌段共聚物[3]。鄭傳峰等[4]、朱明廣等[5]、胡明君等[6]、馬峰等[7]研究表明，SEBS加入后可顯著改善瀝青的基本物理性能及混合料的高低溫性能，抗水損害及抗紫外老化能力，故未來研究前景十分廣闊。Zhang等[8]、Vargas等[9]、Zapién-castillo等[10]、Ouyang等[11]分別采用蒙脫石、高嶺土及順丁烯二酸酐對SEBS進(jìn)行復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)改性后瀝青具有較高的儲存穩(wěn)定性。解建光等[12-13]借助星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法，得出SEBS改性瀝青最佳工藝參數(shù)，同時指出以石灰石作為填料可明顯提高SEBS改性瀝青與酸性花崗巖集料的水穩(wěn)定性。Si Bachar等[14]研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青經(jīng)SEBS改性后，瀝青材料的黏彈性和抗車轍能力明顯提升，且5%SEBS改性瀝青在老化后具有較高的抗疲勞開裂性能。Zheng等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)SEBS改性瀝青混合料的拉伸應(yīng)力比、抗張強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變、疲勞壽命、路用性能較SBS改性瀝青混合料均有所提升。然而目前主要針對SEBS改性瀝青的基本物理、流變性能及儲存穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對 SEBS改性瀝青混合料的疲勞性能、自愈合性能未有全面的研究成果。

鑒于此，本文采用瀝青高速剪切機(jī)制備不同摻量的SEBS改性瀝青并進(jìn)一步得到改性瀝青混合料，通過高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)、低溫抗裂性試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)、抗疲勞及自愈合性能進(jìn)行評價，并研究不同摻量對瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

研究選用中石化巴陵石化YH-503 SEBS材料，其技術(shù)參數(shù)見表1，外觀形貌見圖1。基質(zhì)瀝青選用SK-90#A級，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。混合料所選用的集料和礦粉均為玄武巖。

表1 SEBS(YH-503)基本性能指標(biāo)Table 1 Technical parameters of SEBS(YH-503)

圖1 SEBS(YH-503)Figure 1 SEBS(YH-503)

表2 SK-90#道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Properties of CNOOC SK-90# road asphalt

1.2 混合料制備及試驗(yàn)方案

改性瀝青制備：采用高速剪切機(jī)將一定質(zhì)量的SEBS剪切入基質(zhì)瀝青中，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速、剪切溫度、剪切時間分別為5 000 r/min、170 ℃、45 min。剪切后在170 ℃烘箱內(nèi)溶脹發(fā)育60 min，得到SEBS改性瀝青。制備過程中，分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8% 摻量(如無特別說明，本文摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SEBS摻加到基質(zhì)瀝青中，得到不同摻量的4組改性瀝青，基本性能指標(biāo)見表3。

表3 SEBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 3 Properties of SEBS modified asphalt

混合料制備：首先對集料合理篩分并按照規(guī)范進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，采用初始設(shè)計(jì)孔隙率為4%的AC-13型級配，并根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)對各摻量SEBS改性瀝青的最佳油石比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)后最佳油石比如表4所示；其次，將確定級配集料、SEBS改性瀝青和稱量好的礦粉經(jīng)瀝青拌合鍋加熱拌合，得到各摻量的改性瀝青混合料；最后將不同摻量瀝青混合料置于相應(yīng)的試驗(yàn)試模中，并使試件成型。

表4 SEBS改性瀝青混合料最佳油石比Table 4 Optimum bitumen-aggregate ratio of SEBS modified asphalt mixture %

試驗(yàn)方案：根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[16]規(guī)定的高溫車轍、低溫彎曲、浸水馬歇爾、凍融劈裂、疲勞試驗(yàn)方法，對不同改性劑摻量下混合料試件進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析改性瀝青混合料的高、低溫特性，水穩(wěn)定性以及抗疲勞特性，以此為基礎(chǔ)研究不同摻量SEBS改性劑對瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

在最佳油石比下制備試件，采用車轍試驗(yàn)測定不同SEBS摻量改性瀝青混合料動穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 最佳油石比改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)Figure 2 Rutting test of modified asphalt mixture with optimum bitumen-aggregate ratio

由圖2可知，改性瀝青混合料動穩(wěn)定度隨SEBS摻量增加而明顯提升。SEBS摻量由0變化至4%時，動穩(wěn)定度由3 068 次/mm提升至7 337 次/mm，增幅為139.1%，這是因?yàn)镾EBS改性劑吸附瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹現(xiàn)象，進(jìn)而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故低摻量改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性增長速率較大[17]；SEBS摻量由4%變化至8%時，動穩(wěn)定度提升至8 974次/mm，增幅為22.3%，增幅較小，這是由于受到輕質(zhì)組分含量限制，溶脹有一定的界限，故高摻量改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性增長速率逐漸衰減。因此，僅從增幅角度來看，4%摻量的SEBS瀝青混合料更具經(jīng)濟(jì)效益。

為排除混合料油石比對高溫穩(wěn)定性的影響，測定油石比分別為4.5%、4.7%、4.9%、5.1%、5.3%的改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同油石比改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度Table 5 Dynamic stability of modified asphalt mixturewith different bitumen-aggregate ratio

由表5可見，SEBS摻量小于4%時，動穩(wěn)定度峰值出現(xiàn)在最佳油石比左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性；SEBS摻量大于4%時，SEBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨油石比的增加而降低，說明高摻量SEBS改性瀝青混合料在相對較少的瀝青用量下有助于提高其高溫穩(wěn)定性。

SEBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不僅受瀝青中輕質(zhì)組分的影響，同時也與混合料油石比有關(guān)。盡管油石比的變化會改變同一摻量混合料中動穩(wěn)定度峰值的分布，但各油石比下，SEBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度依舊隨SEBS摻量增加而提高。這也驗(yàn)證了最佳油石比下車轍試驗(yàn)中動穩(wěn)定度增幅發(fā)生變化的原因：低摻量混合料動穩(wěn)定度增長較快是由于摻量和油石比都起到了促進(jìn)作用；而高摻量條件下高溫性能增幅減緩，是由摻量的促進(jìn)作用和油石比的削減作用共同導(dǎo)致。

2.2 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)所得的最大彎拉應(yīng)變和勁度模量指標(biāo)來表征最佳油石比下改性瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 最佳油石比改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)Figure 3 Low-temperature trabecular bending test of modified asphalt mixture with optimum bitumen-aggregate ratio

由圖3可以看出，隨SEBS摻量的增加，混合料最大彎拉應(yīng)變增加，勁度模量降低。表明SEBS改性劑的摻入，顯著提高了混合料的低溫柔韌性和集中荷載狀況下的松弛性能，從而改善了瀝青混合料的低溫抗裂性。原因在于：SEBS摻量較少時，SEBS改性劑未在瀝青中形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相體，混合料脆性較高且柔韌性較差；隨著SEBS摻量的增加，改性劑與瀝青彼此交聯(lián)，溶脹發(fā)育成完整網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了瀝青混合料的溫度敏感性，進(jìn)而提升了混合料的低溫抗裂性。

為避免油石比對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，以4.9%油石比制備試件，分別測定5種不同摻量下改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 4.9%油石比改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)Figure 4 Low-temperature trabecular bending test of modified asphalt mixture with 4.9% bitumen-aggregate ratio

由圖4可見，SEBS摻量小于4%時，改性瀝青混合料的破壞彎拉應(yīng)變隨摻量的增加緩慢提升。這主要是因?yàn)榈蛽搅扛男詾r青混合料中SEBS游離分布于瀝青膠結(jié)料中，以瀝青為連續(xù)相富集態(tài)，混合料的彎拉強(qiáng)度主要由瀝青提供，SEBS僅改善了瀝青的柔韌性和黏附性，對瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變提升效果并不明顯。SEBS摻量大于4%時，改性瀝青混合料的破壞彎拉應(yīng)變隨摻量的增加迅速提升。這是由于隨著SEBS摻量的增加，改性劑彼此交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相體，因微觀結(jié)構(gòu)的改變使改性瀝青的彎拉強(qiáng)度、柔韌性、松弛性能顯著提升，進(jìn)而提高了瀝青混合料的低溫抗裂性。最佳油石比和定油石比下最大彎拉應(yīng)變均與SEBS摻量存在關(guān)聯(lián)，即SEBS的加入可顯著降低改性瀝青的溫度敏感性，進(jìn)而提高混合料的抗彎拉強(qiáng)度；定油石比混合料以4%摻量為界限，彎拉應(yīng)變增長速率明顯不同，說明不同油石比下，SEBS改性瀝青混合料的最佳摻量不同，因此僅考慮SEBS摻量來評價改性瀝青混合料的低溫性能存在一定的局限性。

2.3 水穩(wěn)定性能

研究最佳油石比下SEBS改性瀝青混合料的凍融劈裂比(TSR)和殘留穩(wěn)定度，分析不同摻量SEBS改性劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度Figure 5 Freeze-thaw splitting tensile strength ratio and residual stability

由圖5可見，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度和殘留穩(wěn)定度均與SEBS摻量呈正相關(guān)，但增幅不同SEBS摻量由0變化至8%時，TSR由77.82%增長至89.14%，提升了14.55%；而SEBS改性瀝青混合料經(jīng)48 h、60 ℃水浴后的殘留穩(wěn)定度與基質(zhì)瀝青混合料基本相同，增幅比TSR增幅小。結(jié)果表明，SEBS可提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，尤以凍融循環(huán)后的改善效果最為顯著。

根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[18]對改性瀝青路面要求，2%摻量的SEBS改性瀝青TSR和殘留穩(wěn)定度已滿足規(guī)范要求，且高摻量的SEBS表現(xiàn)出更好的水穩(wěn)性能。

2.4 抗疲勞性能

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(4PB)，以200×10-6、250×10-6、300×10-63個應(yīng)變等級分析老化前后基質(zhì)及各摻量SEBS改性瀝青混合料的勁度模量和疲勞壽命。15 ℃條件下恒應(yīng)變半正弦疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 應(yīng)變-疲勞壽命變化曲線Figure 6 Strain-fatigue life trend chart

由圖6可見，不同應(yīng)變水平下SEBS改性瀝青混合料的疲勞壽命均低于基質(zhì)瀝青，且隨控制應(yīng)變的增加疲勞壽命逐漸降低。當(dāng)應(yīng)變水平為200×10-6、250×10-6時，疲勞壽命隨SEBS摻量增加而提升；應(yīng)變水平增加至300×10-6時，4%摻量SEBS瀝青路面疲勞壽命降為7 368次，8%摻量SEBS瀝青路面疲勞壽命降為2 976次，低摻量SEBS瀝青路面疲勞壽命反高于高摻量SEBS瀝青路面疲勞壽命，表明高應(yīng)變水平下瀝青混合料的疲勞壽命與SEBS摻量并非直接負(fù)相關(guān)，即高摻量SEBS反而會削減改性瀝青混合料的疲勞壽命。

2.5 自愈合性能

為研究SEBS改性瀝青混合料自愈合性能，在15 ℃首次加載結(jié)束后，將試件置于50 ℃下保溫愈合6 h，再轉(zhuǎn)至15 ℃保溫2～4 h，最后進(jìn)行二次加載試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)見表6。以初始第50次循環(huán)測得的勁度模量值作為初始模量，并以降低至初始勁度模量值的50%作為試驗(yàn)終止條件，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

由圖7(a)可見，SEBS的摻入可明顯提高瀝青混合料的初始勁度模量，且以8%摻量時趨勢較為明顯，這可能是因?yàn)楦邠搅縎EBS致使瀝青混合料發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混合料的勁度模量明顯提高。此外，4%SEBS改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的勁度模量隨循環(huán)次數(shù)增加擬合效果較好。但相同加載次數(shù)下，4%摻量混合料勁度模量下降速率較快，這可能是因?yàn)榈蛽搅炕旌狭弦琅f以瀝青為連續(xù)相富集態(tài)，由不完整的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。

表6 自愈合試驗(yàn)參數(shù)Table 6 The parameters of self-healing test

圖7 加載次數(shù)-勁度模量關(guān)系曲線Figure 7 Loading times-stiffness modulus curve

從圖7(b)可以看出，基質(zhì)瀝青混合料自愈合后初始勁度模量降低，模量曲線近似為初始加載曲線整體向下平移，整體趨勢未有明顯變化。疲勞加載初期，混合料試件勁度模量變化曲線斜率較大，在疲勞穩(wěn)定階段，疲勞損傷曲線趨于平緩，說明老化后基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命略有降低。

對比圖7(c)、7(d)可見，4%和8%SEBS改性瀝青混合料的勁度模量初始加載與愈合后首次加載相近，且后期降低速率略緩于初次加載，疲勞壽命較首次加載均有所提升。說明在疲勞老化條件下，SEBS改性瀝青混合料的抗疲勞性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，這可能是由于在保溫愈合條件下，SEBS改性瀝青膠結(jié)料由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成固-液二相膠體材料并填充于疲勞裂縫間，使其與集料的黏結(jié)強(qiáng)度明顯提升，因此SEBS改性瀝青-集料界面體系難以破壞。故老化前SEBS的摻加會降低混合料的疲勞壽命，然而通過一定條件保溫愈合后，改性瀝青混合料的后期勁度模量顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且隨摻量的增加而逐步提升，表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈合性能。

3 結(jié)論

(1)最佳油石比下，瀝青混合料動穩(wěn)定度隨SEBS摻量的增加而提高，SEBS摻量由0變化至4%時，動穩(wěn)定度提升139.1%，增幅較大；由4%變化至8%時，增幅為22.3%，故4%摻量SEBS改性瀝青混合料更具經(jīng)濟(jì)效益。在不同油石比下，小于4%摻量混合料在最佳油石比處呈現(xiàn)動穩(wěn)定度的峰值，而大于4%摻量SEBS改性瀝青混合料則在相對較少的瀝青用量下表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

(2)SEBS的加入可顯著降低改性瀝青的溫度敏感性進(jìn)而提高混合料的抗彎拉強(qiáng)度，且摻量越高效果越明顯；定油石比混合料以4%摻量為界限，彎拉應(yīng)變增長速率明顯不同，即低摻量SEBS改性瀝青混合料低溫抗裂性能未有高摻量改性劑提升效果顯著。

(3)在改善瀝青路面抗水損害能力方面，改性瀝青混合料凍融劈裂比與殘留穩(wěn)定度均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且隨SEBS摻量的增加，水穩(wěn)定性越好。

(4)SEBS的摻入使瀝青混合料的疲勞壽命降低，但初始勁度模量要明顯高于基質(zhì)瀝青，且摻量越高，混合料的勁度模量越大；SEBS改性瀝青混合料二次疲勞加載自愈合后，改性瀝青混合料試件的后期模量和疲勞壽命要顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且隨摻量的增加逐步提升，表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈合性能。