SBR/有機膨潤土礦物復合改性瀝青及混合料技術性能分析

李明揚 肖慶一 何川 任希鵬

摘要 膨潤土以其對瀝青良好的改性效果與低廉的價格常作為瀝青的改性劑，其硅酸鹽結構對瀝青低溫性能存在負面影響;丁苯橡膠（SBR）能顯著提高改性瀝青低溫延度，降低溫度敏感性，對高溫性能提升有限。由單摻膨潤土、SBR及復合改性（膨潤土、SBR）后瀝青的基礎性能試驗結果表明，兩種改性劑復合改性可以相互克服單一改性劑的缺點，增強優勢。PG分級和BBR試驗結果表明，復合改性瀝青高溫失效溫度和低溫勁度模量極限溫度均滿足華北地區氣候條件的要求。采用AC-13型、SMA-13型兩種瀝青混合料進行路用性能研究，結果表明通過采用復合改性技術的混合料高低溫性能、水穩定性及耐疲勞性能均得到不同程度的改善提高。相比于SBS改性瀝青技術，研究提出的復合改性瀝青技術具有更好的路用性能表現及社會經濟效益。

關 鍵 詞 納米膨潤土;SBR;流變學試驗;路用性能;經濟效益

中圖分類號 U414? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Bentonite is often used as asphalt modifier for its good modification effect on asphalt and low price， but its silicate structure has a negative impact on the low temperature performance of asphalt; SBR can significantly improve the low temperature ductility of modified asphalt and reduce Temperature sensitivity，but with limited high temperature performance improvement. From the test results of the three major indexes of single-mixed bentonite， SBR and the two composite asphalts， it can be seen that the two modifiers can overcome each other's shortcomings and enhance their advantages. The PG classification and BBR test results show that both the high temperature failure temperature and the low temperature stiffness modulus limit temperature meet the temperature limit conditions in North China. Two gradations of AC-13 type and SMA-13 type are used to prepare composite modified asphalt mixture. According to the laboratory tests， the high and low temperature， water stability and fatigue resistance of the mixture have been improved. Compared with SBS， composite modified asphalt has better road performance and social economic benefits.

Key words nano bentonite; SBR; rheological test; road performance; economic benefit

0 引言

蒙脫土是一種具有天然的納米級微觀結構且親水疏油的無機物，其表面經有機修飾后，可獲得疏水親油性[1]，與瀝青充分結合形成剝離型或插層型納米復合型結構，提高瀝青的高溫性能和流變性能。以蒙脫土為代表的硅酸鹽類改性劑會傷害瀝青低溫性能，需添加外摻劑進行復合改性[2]。部分橡膠、樹脂類材料以對低溫的不敏感性及較低廉的價格，常被選做改性劑，樹脂類改性劑和瀝青相容性一般差距較大，無法很好地分散在瀝青相中，很容易發生離析分層現象[3]。SBR經粉末化之后（粒徑<1 mm）分子鏈在瀝青相中可形成三維交聯構造，提高瀝青低溫下的拉伸性能，但與瀝青相容性差，對高溫穩定性提升效果有限[4]。陳曉龍等[5]通過 SEM、DSC 基于微觀角度分析了瀝青基有機膨潤土納米復合材料的作用機理，表明有機膨潤土與瀝青具有較好的相容性兩種改性劑可以均勻共混。Zhang 等[6]通過研究發現，蒙脫土（MMT）和橡膠復合材料中，MMT片層在丁苯橡膠（SBR）中形成了插層結構，SBR分子鏈段穿插于MMT片層中，當利用膠體磨或者剪切機等機械剪切之后，蒙脫土片層會剝離開來，均勻分散。兩種改性劑均勻共混，可充分發揮單一改性劑的優勢并互補缺點。

改性劑用量需兼顧路用性能和經濟效益。劉朝暉等[7]利用基于響應曲面法的分析方法和流變學測試結果，得出復合改性瀝青最佳方案：6% SBR（膠乳固含量60%）+1.5% TiO2+4% 納米蒙脫土;Zhang等[6]通過XRD、微觀形態試驗和流變學性能分析得出，當SBR和蒙脫土的復配比例為4∶6時，復合改性瀝青的性能最好;于源[8]使用噴霧干燥法制備SBR/蒙脫土復合改性劑，當SBR∶蒙脫土 = 1.2∶1時改性瀝青的存儲穩定性及各項性能都有較大提升。

本研究以不同摻量的SBR與納米膨潤土制備單一/復合改性瀝青和混合料，通過基礎物理性能試驗初步確定納米膨潤土的摻量，再采用流變學和路用性能試驗探究各改性劑摻量變化對瀝青及混合料影響，得出最佳復配摻量組合，以及與SBS改性瀝青相比經濟效益的優勢，旨在為華北地區瀝青道路路面結構設計提出一條新的比選方案。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料及性能指標

原材料及性能指見表1～表3。

1.2 改性瀝青試樣制備

為使納米膨潤土/SBR和瀝青均勻共混，采用溶脹的方法[9]。將SBR粉末加入到膨潤土改性瀝青中，用鋁箔包裹住瀝青承樣盆放入160 ℃烘箱1 h，使SBR充分溶脹。用高速剪切機以4 000 r/min的速度剪切1 h，放入160 ℃烘箱中發育1 h即得均質復合改性瀝青。

1.3 瀝青混合料配合比設計

采用AC-13、SMA-13兩種級配制備瀝青混合料，礦料級配按照 JTG F40—2004 推薦的級配范圍中值由單粒徑礦料摻配?；旌狭衔锢砹W性能指標見表4。級配曲線見圖1、圖2。

2 單一/復合改性瀝青基礎物理性能

2.1 納米膨潤土改性瀝青的基礎性能

對不同摻量膨潤土改性瀝青進行三大指標試驗以確定最佳摻量，試驗結果見圖3。

三大指標試驗結果說明，膨潤土可以改善瀝青的針入度和軟化點，對延度不利。延度在摻量4%后發生了明顯的減小。繼續摻加會提升針入度和軟化點，但會犧牲延度表現。此時改性瀝青達到了最大程度的納米復合，即納米膨潤土在瀝青中形成的剝離型結構達到了最大化，超此摻量后，逐漸向插層型結構轉變[10]。故下文試驗均采用控制變量法，保持4%納米膨潤土的摻量不變，再向其中加入不同摻量的SBR探究復合改性瀝青及其混合料的性能。

2.2 SBR改性瀝青的基礎性能

摻量不同的SBR-Ⅱ改性瀝青三大指標試驗結果表明，SBR摻量增加，針入度下降，軟化點、黏度上升，瀝青的高溫性能提升效果不明顯，延度提升幅度較大。

2.3 納米膨潤土/SBR復合改性瀝青的基礎性能

有機膨潤土對瀝青的延度不利，高溫影響力大;SBR對瀝青高溫性能提升效果有限，低溫穩定性提升明顯。下面采用兩種改性劑復合后進行三大指標測試，探究瀝青性能。

兩種改性劑均勻共混，可以發揮各自特點，兩者對針入度和軟化點的影響趨勢相同，復合改性之后這兩項指標得到加強。膨潤土對瀝青高溫提升效果彌補了SBR高溫性能的缺失;SBR對延度的促進作用抵消了有機膨潤土對延度的負面影響。雖延度上限變小，總體上對低溫性能有利，達到克服單一改性劑的缺點的目的。延度在6%摻量后發生了明顯的下降，針入度和軟化點上升趨勢也變緩，故摻入4%有機膨潤土、6%SBR時，經濟效益最高。

2.4 高溫條件動態剪切流變性能

向納米膨潤土摻量為4%的改性瀝青中加入不同摻量的SBR-Ⅱ做高溫PG分級，采用應力控制模式，應變值為15%，頻率為10 rad/s。瀝青的復數剪切模量以及相位角如圖6所示。

在52～82 ℃范圍內，相同溫度下瀝青的剪切模量隨摻量呈現上升趨勢，相位角減小;相同摻量下溫度越高，剪切模量越小，相位角越大。剪切模量越大，相位角越小，瀝青黏度越大，高溫性能越好。經測試原樣瀝青失效溫度為78.4 ℃，滿足華北地區夏季道路模量要求。

2.5 低溫條件彎曲梁流變性能

以華北地區道路冬季最低溫度為極限條件，以 60 s的蠕變勁度模量S以及蠕變速率m值作為評價指標，不同改性劑摻量組合下的BBR試驗結果如圖7所示。

BBR瀝青低溫PG分級要求蠕變勁度模量S（60 s）不大于300 MPa且蠕變速率m（60 s）不小于0.3。S越小，m值越大，低溫性能越好。由圖6可知，在最低溫為-18 ℃溫度下，所有瀝青均滿足要求。當SBR摻量為6%時，蠕變勁度模量S和蠕變速率m均是圖形的一個駐點，此時低溫性能達到最佳，路用性能表現和經濟效益最好。

3 復合改性瀝青混合料技術性能

3.1 高溫穩定性

用摻量為4%的膨潤土及不同摻量的SBR-Ⅱ制備瀝青混合料進行車轍試驗，結果見圖8。

對于不同配合比類型的膨潤土瀝青混合料，動穩定度隨著摻量的增加而提高。摻量在0%～6%范圍內，動穩定度提升幅度較大，超過6%提升效果不明顯，SMA-13型的動穩定度甚至出現微量下降。SBR-Ⅱ摻量為6%的兩種瀝青混合料的動穩定度比未摻加分別增加了33.8%和15.9%。由于SBR與膨潤土在熔融狀態下，在混合料內部集料骨架中被拉成纖維絲狀發生橋接作用，阻礙混合料高溫下流動，抵抗高溫車轍變形[9]。過多SBR會產生結團、聚集，降低復合改性瀝青的改性效果，高溫穩定性的提升效果有限，不符合經濟效益要求。

3.2 低溫穩定性

采用極限彎拉應變的方法評價瀝青混合料的低溫能力。已測得AC-13型和SMA-13型基質瀝青混合料的極限彎拉應變為2 453 με和2 981 με。

由圖9可知，單摻入4%納米膨潤土的改性瀝青混合料的極限彎拉強度比基質瀝青混合料低，說明納米膨潤土對混合料的低溫性能有負面作用。SBR加入極限彎拉強度增大，彌補了納米膨潤土帶來的低溫性能缺失。SBR-Ⅱ在0%～6%的摻量范圍下，極限彎拉應變曲線上升幅度較大，超過6%后，變化趨于緩慢甚至出現下降。6%摻量下兩種級配類型的復合改性瀝青混合料極限彎拉應變較基質瀝青混合料提高了32.4%和19.2%。

納米膨潤土對低溫性能有負面作用是由于膨潤土顆粒小、比表面積較大，大量黏附在瀝青質表面，導致黏度變大，阻礙了瀝青分子運動，延展性和抵抗變形能力下降。SBR 具有優良的低溫延展性和彈性恢復性能，不但可以降低改性瀝青的感溫性，還可以產生自由的離子，增強瀝青分子的自由活動，減少土顆粒之間應力集中，提高瀝青膠漿與集料的界面粘結強度，從而增強混合料的低溫抗裂性[11]。

3.3 水穩定性

對納米膨潤土摻量為4%，不同SBR摻量下的瀝青混合料通過凍融劈裂比TSR表征瀝青混合料的水穩性能，已測得AC-13與SMA-13型基質瀝青混合料凍融劈裂比為83.2%和80.5%。

由圖10可知，膨潤土可以大幅度的提升水穩性能;SBR可以微量提升凍融劈裂比，水穩性隨摻量呈上升趨勢。由于納米膨潤土顆粒小、比表面積大，可以充分黏附到瀝青質表面從而增加瀝青黏度，SBR經過熔融后變為黏性極強的流動態，附著在集料表面提升與瀝青之間的黏附性與抗剝離性，從而提升復合改性瀝青混合料的抗水損害能力[12]。

3.4 耐疲勞性

以半正弦波加載波形進行重復加載，荷載持續時間0.1 s，溫度設定10 ℃、30 ℃。在應力比范圍 0.3～0.7 下的每個應力比下進行4～6次平行重復間接拉伸試驗。疲勞特征方程為

[lgNf=lg K-n lg σ ，]（1） 式中：[Nf]為疲勞壽命;σ為彎拉應力;K、n表示瀝青混合料的疲勞方程系數，K表示回歸方程線位，越大疲勞性能越強，n為回歸直線的斜率，越大混合料對應力水平變化越敏感。

如圖在10 ℃、1 MPa下未摻SBR兩種混合料的疲勞壽命分別為22 963次和26 151次，SBr摻入和溫度變化均對疲勞壽命有顯著影響。由于SBR具有彈性，摻入到瀝青中能降低路面疲勞應力敏感性，緩解在重復荷載下產生的永久形變，提升路面抵抗疲勞變形的能力。SBR、有機膨潤土在高溫熔融下分子鏈端部相互作用力增加，宏觀黏度變大，在老化性試驗中，性能被破壞的現象被有效改善[13]。納米蒙脫土、SBR、瀝青均勻共混形成剝離或者插層型復合結構，蒙脫土的層狀結構可以阻礙氧氣進入結構內部，減緩SBR與瀝青的氧化縮合作用，增強瀝青混合料的抗老化能力[14]。

4 結論

1）根據基礎物理性能指標測試結果，膨潤土可以提升瀝青的高溫方面的性能，但對低溫性能有負面作用，延度在摻量多于4%之后降低明顯。

2）根據流變學試驗結果，復合改性瀝青的PG分級溫度在-18～78.4 ℃內均能滿足技術要求，且能滿足華北地區氣候和交通量條件要求，推薦摻量為4%納米膨潤土+6%SBR。

3）粉末狀SBR可以提升膨潤土改性瀝青的高溫性能、水穩性能以及耐疲勞性能，對低溫性能提升效果最為顯著。當SBR摻量為6%時，AC-13型瀝青混合料的動穩定度、極限彎拉應變較未摻加的分別提升33.8%和54.7%; SMA-13型分別提升了15.9%和21.7%。

4）SBR的加入可以通過增加瀝青質與集料之間的黏附性從而提升抗水損能力，通過內部形成的彈性三維交聯網格減緩疲勞應力帶來的永久形變，提高路面的疲勞壽命。

5）相較于SBS改性瀝青，膨潤土屬于無機礦物來源廣泛且價格低廉，SBR售價也低于SBS，經室內試驗論證，達到預期路用性能表現可節省約15%成本，且在低溫下表現更佳。

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