试验研究采用12号RET, TB沥青在克拉玛依70号A级基质沥青中内掺15%子午轮胎硫化橡胶粉 (40目) , 经美国Terminal Blend无搅拌湿法改性设备在高温、长时间高速剪切工艺下制备而成。AH-70基质沥青, RET、TB沥青技术指标如表1~2所示。采用型号为4301的SBS, SBS改性剂各项性能满足规范要求。

相关研究中RET改性沥青的RET掺量一般取0.6%~2.2%, 本文RET改性TB沥青中的RET掺量取1.5%。SBS改性沥青中的SBS改性剂掺量一般为3.0%~5.5%, 考虑掺加SBS改性剂能改善沥青的高低温性能, 且掺加RET能显著提高沥青的高温性能, 本文TB沥青复配SBS改性沥青中的SBS掺量降低为3.5%, RET掺量变化为0%, 0.8%, 1.2%, 1.6%, 2.0% (质量比) , 研究RET掺量对TB胶粉复合SBS改性沥青性能的影响。对照组采用5%SBS改性沥青、TB沥青+5%SBS。为避免RET改性沥青相容性问题, RET改性沥青以橡胶油为相容剂, 掺量为基质沥青的2.0%。为减少RET与沥青的反应时间, 在RET及RET复合改性沥青中添加0.15%PPA (多聚磷酸) 催化剂。考虑RET能够与SBS改性沥青发生化学反应, 热稳定性较好, TB与RET复合SBS改性沥青中不掺加稳定剂, SBS改性沥青中掺加0.2%硫磺为稳定剂。

1) RET改性沥青制备 将成品TB沥青脱水后加热至155~160℃, 以15g/min速率加入RET改性剂, 边加入边匀速搅拌;RET改性剂全部加入后, 沥青升温至160~165℃, 以300rad/min搅拌30min, 使RET全部溶解;保持沥青处于160~165℃, 加入PPA催化剂, 以200rad/min搅拌45min, 完成RET+TB改性沥青发育。

2) TB与RET复合SBS改性沥青制备 将TB沥青加热至170~175℃, 边手动搅拌边加入SBS和RET改性剂, 溶胀30min;将沥青升温至175~180℃, 开启高速剪切机, 控制剪切速率为4 000~4 500rad/min, 剪切45~60min;保持相同的剪切速率和沥青温度, 加入硫磺继续剪切25min;保持沥青处于170~175℃, 加入PPA发育60min后完成TB与RET复合SBS改性沥青制备。

3) SBS改性沥青制备 将基质沥青加热至165~170℃, 加入橡胶油搅拌12~15min;沥青升温至170~175℃, 边手动搅拌边加入SBS改性剂, 溶胀120min;保持沥青升温至175℃, 控制剪切速率为4 500rad/min, 剪切30min;保持相同的剪切速率和沥青温度, 加入硫磺稳定剂后继续剪切45min;保持170~175℃发育60min后完成SBS改性沥青制备。

按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中聚合物改性沥青技术要求, 采用针入度评价体系中的针入度、软化点、延度、60℃动力黏度和135℃运动黏度试验综合评定RET掺量对TB胶粉复合SBS改性沥青性能的影响。试验方法参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》, 结果如表3所示。

1) 相比TB沥青, 掺加3.5%SBS后TB沥青的针入度降低了31%。针入度随RET掺量增大呈线性函数 (y=K×x+B) 关系减小, 线性函数斜率K=-9, 截距B=75.9, 拟合优化度R²=0.985, RET掺量由0%增加到2.0%, TB与RET复合SBS改性沥青的针入度降低了14.6% (0.1mm) , 表明RET掺量对TB+SBS复合改性沥青的稠度有显著影响, 且在0.8%~2.0%RET掺量范围内, 随着RET掺量增大, 复合改性沥青针入度基本与5%SBS改性沥青维持在相同水平。

2) 从反映沥青高温性能的软化点和60℃动力黏度来看, 相比TB与SBS复合改性沥青, 掺加RET显著提高了TB与RET复合SBS改性沥青的软化点和60℃黏度, 在0.8%RET掺量时, 软化点、60℃动力黏度分别达到了69.8℃, 1 676 Pa·s, 相对TB复合SBS改性沥青, 软化点增大了23%, 60℃动力黏度增大了149%, 可见掺加RET对TB复合SBS改性沥青的高温性能有较大改善。在0.8%~1.6%RET掺量时, 提高RET掺量后改性沥青软化点、60℃动力黏度增加较为明显, 当>1.6%掺量时, 软化点和60℃动力黏度增加缓慢。研究认为, RET能够与SBS改性沥青中的醇类或酸类官能团发生化学反应, 增加沥青质含量使沥青变得更加黏稠, 宏观表现为沥青高温性能提高。从复配改性沥青的高温性能改性效果来看, 掺加1.2%以上RET后TB+RET+SBS复合改性沥青的高温性能优于5%SBS改性沥青, 在保证复合改性沥青优良高温性能的前提下, 掺加RET可以大量减少SBS的使用量, 从而降低工程造价。

3) 从反映沥青低温性能5℃延度的指标来看, 掺加SBS改性沥青能够提高TB沥青的低温性能, 相比TB+SBS改性沥青, 掺加RET后TB+RET+SBS改性沥青的延度下降较为明显, 掺加0.8%, 2.0%RET, TB+RET+SBS改性沥青延度比TB+SBS改性沥青降低了9.3, 18.5cm, 掺加2.0%RET, 改性沥青延度比掺加0.8%RET时降低了9.2cm, 由此可见, 掺加RET会对TB+SBS改性沥青的低温性能产生不利影响, RET掺量越大, RET对TB+SBS改性沥青低温性能的负面影响越显著。此外, 相比5%SBS改性沥青, TB与RET复合SBS改性沥青的5℃延度>5%SBS改性沥青, RET虽对TB复合SBS改性沥青低温性能有不利影响, 但仍保留了TB复合SBS改性沥青低温性能优良的特点, 相比5%SBS改性沥青, 其低温性能更好。

4) 135℃运动黏度用于评价沥青的施工和易性, 掺加RET极大提高了TB+SBS改性沥青的运动黏度, 在0.8%~2.0%RET掺量范围内, TB+RET+SBS改性沥青的黏度随RET掺量增大而增大, RET掺量达到2.0%时TB+RET+SBS改性沥青的黏度接近SBS改性沥青, 满足运动黏度<3.0Pa·s的要求。

采用strategic highway research program (SHRP) 基于沥青流变特性的PG分级评价体系中的弯曲量流变试验 (BBR) 和动态剪切流变试验 (DSR) 分析RET复合改性沥青的流变特性。BBR和DSR试验方法参照JTG E20—2011试验规程要求的T0627—2011和T0628—2011进行, 试验结果如图1、表4所示。由图1和表4试验结果可得如下结论。

1) 各试验温度下, 随着RET掺量增大, TB+RET+SBS复合改性沥青老化前后的相位角减小, 同时抗车辙因子增大, 表明掺加RET增加了沥青中的弹性成分、减小了沥青中的黏性成分, 极大提高了TB+SBS改性沥青的高温性能, 掺加1.2%RET时, TB+3.5%SBS+RET复合改性沥青的相位角与抗车辙因子基本与5%SBS改性沥青维持在相同水平, 当RET掺量>1.2%后, TB+3.5%SBS+RET复合改性沥青的相位角小于SBS改性沥青, 同时抗车辙因子大于SBS改性沥青, 表明此时TB+SBS+RET改性沥青的高温性能优于SBS改性沥青, 可见在保证复合改性沥青优良高温性能的前提下, 掺加RET可以大量减少TB复合SBS改性沥青中的SBS掺量, 从而节约沥青成本。

2) 相同试验温度下, TB+3.5%SBS改性沥青比5%SBS改性沥青有更小的劲度模量S和更大的蠕变斜率m, TB+SBS改性沥青低温性能优于SBS改性沥青。掺加RET显著提高了TB+SBS改性沥青的劲度模量, 同时降低了沥青的蠕变斜率, 表明掺加RET对TB+SBS改性沥青的低温性能有负面影响, 在0.8%RET掺量时, 老化前后TB+3.5%SBS+RET改性沥青与5%SBS改性沥青的蠕变斜率m和劲度模量S基本相同, RET掺量>0.8%, TB+RET+SBS改性沥青低温性能显著降低, 此时SBS改性沥青低温性能相对较好, RET掺量达到2.0%后复合改性沥青在-24℃的蠕变斜率m<0.3, 低温性能显著降低。

3) 以SHRP提出的RTFOT前、后抗车辙因子分别≥1.0, 2.2kPa确定改性沥青的PG分级, 3.5%SBS+TB沥青分级为PG76-24, 3.5%SBS+TB+0.8%~1.6%RET沥青分级为PG82-24, 3.5%SBS+TB+2.0%RET沥青分级为PG82-18, 5%SBS改性沥青分级为PG82-24, 掺加0.8%~1.6%RET对TB+SBS改性沥青的低温分级没有明显的劣化作用。

为从微观角度揭示RET对SBS改性TB沥青的改性机制, 对不同RET改性剂掺量的沥青进行了荧光显微镜分析。微观形貌如图2所示, 图中小白点区域表示膨胀富含SBS聚合物的物相, 暗色区域表示富含沥青的物相, 图2a未添加RET, SBS聚合物颗粒以球状颗粒形态稀疏分散在TB沥青中, 该形态表现出SBS改性沥青的不相容性和可能发生潜在的物相分离。掺加RET改性剂可以有效促使SBS分散为细小粒径的颗粒, 单位面积内SBS改性剂颗粒数量增多, SBS改性剂团聚现象显著缓解, 聚集浓度降低、混溶性和扩散度提高。随着RET掺量增大, 聚合物改性剂分散越趋于平缓, 当RET掺量提高至2.0%后, SBS改性剂已经与周边沥青融为一体, 聚合物改性剂和沥青相之间已不存在明显的物相界限, 掺加RET化学改性剂使改性沥青相容性得到了明显改善, 微观形貌达到了最理想的状态。对比1.6%, 2.0%RET掺量下改性沥青微观形貌可以发现, 2.0%RET掺量下SBS改性剂颗粒更小、分散更加均匀, 但2.0%RET掺量下改性沥青微观形貌总体和1.6%RET掺量时差别不大, 这一点也可以从1.6%, 2.0%RET掺量下复合改性沥青的流变特性和高低温性能差异不大得到验证。

掺加RET显著改善了SBS的分散均匀性, 主要因为RET与SBS改性TB沥青发生化学反应, 沥青胶体结构由溶凝胶型转变为凝胶型, 掺加RET后复合改性沥青中沥青质分散相形成的“蜂窝状”数量明显减少, 同时“蜂窝状”结构的体积显著增大, 相比图2a单一的SBS改性TB沥青, RET改性剂、TB沥青与SBS共混后形成的共织网状结构更加均匀、致密。研究表明, SBS改性沥青高低温性能与SBS掺量、SBS改性剂在沥青中的分散状态、分散均匀性关系重大。掺加RET后SBS改性剂分散均匀性提高, 加之RET与SBS改性沥青发生化学反应后, 沥青中的弹性成分提高、黏度增大, 宏观表现为RET复合SBS改性TB沥青的储存稳定性和空间网状结构得到明显改善。

1) 马歇尔试验 采用我国高速公路面层常用的AC-16型沥青混凝土, 选用玄武岩粗集料、石灰岩机制砂细集料、石灰岩磨制而成的矿粉, 合成级配采用JTG F40—2004要求的AC-16级配中值。不同RET掺量下TB+RET+SBS复合改性沥青混合料的拌合温度、混合料制备工艺等参数与5%SBS改性沥青混合料相同。马歇尔试验结果表明, RET与TB沥青复合SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量、矿料间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度指标均与5%SBS改性沥青混合料差别不大, 各项体积指标与力学性能满足JTG F40—2004规范要求。

2) 车辙试验 车辙试验用于评价TB+RET+SBS复合改性沥青混合料的高温性能, 试验方案参照JTG E20—2011规定的T0719—2011进行, 在最佳沥青用量下采用轮碾法成型300mm×300mm×50mm试件, 试验温度采用60℃, 轮压为0.7MPa, 试验结果如表5所示。

试验结果表明, 掺加RET极大提高了TB+SBS复合改性沥青混合料的动稳定度, 同时车辙变形量显著降低。TB+RET+SBS改性沥青混合料的动稳定度随RET掺量增大而增大, 在0.8%, 1.2%, 1.6%, 2.0%RET掺量下TB+RET+SBS改性沥青混合料的动稳定度比TB+SBS改性沥青混合料大41%, 59%, 75%, 84%, 在0.8%~1.6%RET掺量范围内, 随着RET掺量增大沥青混合料动稳定度明显提高, 车辙变形量显著减小, RET掺量>1.6%后, 增大RET掺量改性沥青动稳定度趋于稳定, 车辙动稳定度随RET掺量增大的变化趋势与改性沥青软化点、抗车辙因子变化趋势相同, 从经济性考虑, 适宜的RET掺量应≤1.6%。在0.8%~2.0%RET掺量范围内, TB+RET+SBS改性沥青混合料动稳定度大于TB+SBS改性沥青混合料, 在0.8%, 1.2%, 1.6%, 2.0%RET掺量下TB+RET+SBS改性沥青混合料的动稳定度比5%SBS改性沥青混合料大6%, 20.1%, 32%, 38%, 动稳定度平均值比5%SBS改性沥青混合料大24%。RET能够明显改善TB+SBS改性沥青混合料的高温稳定性, 在保证沥青混合料优良高温性能的前提下, 掺加RET可以减少SBS改性剂掺量, 从而降低工程成本。

3) 低温弯曲试验 按照JTG E20—2011试验规程, 温度为-10℃, 加载速率为50mm/min进行试验, 试验评价指标有抗弯拉强度、破坏时梁底的最大弯曲应变及破坏时的弯曲劲度模量。

低温弯曲试验结果表明, TB+SBS改性沥青混合料的弯曲应变为4 608.3με, 远大于施工规范中严寒区改性沥青混合料弯曲应变>3 000με的要求, TB+SBS改性沥青混合料低温性能优良。随着RET掺量增大, TB+RET+SBS复合改性沥青混合料的抗弯拉强度先增大后减小, 在1.6%RET掺量处弯拉强度出现峰值, 弯曲应变随RET掺量增大而降低, 弯曲劲度模量随RET掺量增大而增大, 表明掺加RET对TB+SBS改性沥青混合料低温性能有不利影响, RET掺量越大其对沥青混合料低温的负面影响越显著。在0%~1.6%RET掺量范围内TB+RET+SBS复合改性沥青混合料的抗弯拉强度、弯曲应变>5%SBS改性沥青混合料, 满足施工规范弯曲应变>3 000με的低温指标要求, 可见掺加RET虽对TB+SBS改性沥青混合料低温性能有负面影响, 但其负面影响程度可控, 控制RET的上限掺量≤1.6%, 则可保留TB复合SBS改性沥青低温性能优良的特点。

APA疲劳试验属于室内模拟加速试验, 如图3所示, APA试验主要用于模拟实际轮载在路面结构中的疲劳作用。在最佳沥青用量下成型300mm×300mm×100mm (高) 双层车辙板试件, 再按照300mm×125mm×75mm尺寸切割试件, 试验温度为20℃, 加载频率为50Hz, 轴载采用250LB。试验终止条件有2种:第N次测得位移变形值与 (N-10) 次测得位移之差>1mm;试验次数达到预先设定的50 000次。APA试验结果如表6所示。

APA试验结果表明, TB+SBS改性沥青混合料的最终疲劳寿命为35 894次, 掺加0.8%RET后疲劳寿命提高了32%, 破坏时车辙变形量减少18%, 掺加1.2%~2.0%RET后, TB+RET+SBS改性沥青混合料的APA疲劳寿命提高至50 000次, 车辙变形量随RET掺量增大而减小。APA疲劳试验过程中规定达到50 000次即停止试验, 结合试验过程发现, RET掺量>0.8%后, APA疲劳试验次数均达到50 000次停止, 所以统一采用疲劳次数来研究混合料的疲劳性能没有可比性。因此本项目采用疲劳变形量进行相关分析, 显然随着RET增加, 其变形值越来越小, 同时其疲劳寿命也相应增大, 因此其疲劳性能相应增加, 在1.2%~2.0%RET掺量下, TB+RET+SBS改性沥青混合料疲劳寿命>5%SBS改性沥青混合料, 掺加RET一定程度改善了TB+SBS改性沥青混合料的抗疲劳变形能力。

国内外大量研究表明, 应力控制模式主要适用于沥青混凝土层厚度较大的沥青路面 (沥青层厚度>25cm) , 而应变控制模式对较薄的沥青路面和半刚性基层有较好的适应性。JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》要求柔性基层沥青路面以层底拉应变为设计控制指标, 为有效模拟实际沥青路面应力应变交迭变化状态, 本文疲劳试验采用控制应变加载模式。疲劳试验采用UTM-810伺服液压多功能材料试验设备和BFA (beam fatigue apparatus) 四点弯曲小梁疲劳试验试模夹具 (见图4) , 采用剪切压实仪在最佳油石比、空隙率和体积参数等条件下成型, 尺寸为450mm×150mm×180mm的大型板式试件, 再切割尺寸为 (380±5) mm (长) × (50±5) mm (高) × (63.5±5) mm (宽) 的标准小梁试件, 根据研究成果, 将沥青层的力学参数试验温度统一调整为20℃, 疲劳试验温度采用20℃, 加载频率为10Hz, 参考国内四点弯曲疲劳试验常采用的应变加载水平, 同时考虑到应变水平<400με, 疲劳作用次数过大, 试验耗时较长, 而应变水平>1 000με, 疲劳寿命偏小, 且试验数据离散性大, 综合考虑本文疲劳试验控制应变水平为400, 500, 600, 1 000με, 同一组试验准备6个试件, 每组试验≥4个有效试件。以劲度模量衰减至初始劲度模量的50%为疲劳试验终止条件。疲劳试验评价指标包括:疲劳寿命、滞后角和累积耗散能。试验结果如表7所示。

1) 相同应变水平下, TB+RET+SBS改性沥青混合料的疲劳寿命、累积耗散能大于TB+SBS改性沥青混合料, 表明掺加RET对TB+SBS改性沥青混合料的疲劳寿命有一定程度改善。在1.2%~2.0%RET掺量范围内TB+RET+SBS改性沥青混合料的疲劳寿命、累积耗散能>5%SBS改性沥青混合料, TB+RET+SBS改性沥青混合料具有优良的抗疲劳性能。

2) 6种沥青混合料的疲劳寿命与应变水平在双对数坐标系内具有良好的线性关系 (见图5) , 拟合方程ln (N_f) =K+nln (ε) 的拟合优化度R²>0.98, K值越大, 沥青混合料的抗疲劳性能越好, n值越大, 沥青混合料疲劳寿命对应变水平变化越敏感, 疲劳性能越差, 掺加1.2%~2.0%RET后, TB+RET+SBS改性沥青混合料比5%SBS改性沥青混合料有较大的K值和较小的n值, 表明TB+RET+SBS改性沥青混合料不仅有较好的疲劳性能, 且疲劳寿命对应变水平变化的敏感程度小于SBS改性沥青混合料。

3) 滞后角用于表征沥青混合料的黏弹性, 相同应变水平下滞后角越大, 沥青混合料的弹性成分越少而黏性成分越多, 越不利于释放荷载。相同应变水平下TB+RET改性沥青混合料的滞后角小于TB+SBS改性沥青混合料, 表明掺加RET改性剂能够增加TB+SBS改性沥青混合料中的弹性成分。

4) 随着应变水平增大, 6种沥青混合料的累积耗散能减小, 沥青混合料的累积耗散能越大, 相应的疲劳性能越好, 各应变水平下, 掺加1.6%RET时TB+RET+SBS改性沥青混合料的累积耗散能最大, 表明其抗疲劳性能最优。

5) 0%~2.0%RET掺量范围内, 各应变水平TB+RET+SBS改性沥青混合料的疲劳寿命随着RET掺量呈先增大后减小的变化趋势, K值随RET掺量增大先增大后减小, n值随RET掺量增大先减小后增大, 综合考虑, 在RET掺量为1.6%时疲劳寿命出现峰值, 超过1.6%RET掺量后, 进一步增大RET掺量沥青混合料疲劳寿命减小。原因为掺加RET一方面提高了SBS改性剂分散均匀性、增加了沥青与集料之间的界面黏结强度、提高了沥青中的弹性成分, 从而改善了沥青混合料的弹性变形恢复能力;另一方面过多的RET掺量导致沥青劲度模量显著增大, 沥青混合料柔韧性和弹性变形恢复能力降低, 反而不利于释放荷载。

1) 掺加RET显著提高了TB+SBS改性沥青的黏度、软化点、抗车辙因子和蠕变劲度模量, 减小了针入度、延度和蠕变斜率, RET对TB+SBS改性沥青高温性能有明显提升, RET与TB复合SBS改性沥青高温性能优于SBS改性沥青。RET掺量越大, RET对TB+SBS改性沥青低温性能的负面影响越显著, 掺加0.8%~1.6%RET对TB+SBS改性沥青的低温分级没有明显的劣化作用, 掺加TB与SBS改性沥青可弥补RET对基质沥青低温性能的负面影响。

2) 掺加RET改性剂可以有效促使SBS在TB沥青中分散为细小粒径的颗粒, 显著缓解SBS改性剂团聚现象, 提高SBS改性剂的混溶性、扩散度和分散均匀性, RET化学改性剂使改性沥青相容性得到明显提高, 微观形貌达到最理想状态。

3) RET+TB+SBS改性沥青混合料具有优良的高低温性能, 在0.8%~1.6%RET掺量范围内TB+RET+SBS复合改性沥青混合料的抗弯拉强度、弯曲应变>5%SBS改性沥青混合料, 在保证沥青混合料优良高温性能的前提下, 掺加RET可以减少SBS改性剂掺量, 从而降低沥青成本。

4) 掺加RET显著改善了TB+SBS改性沥青混合料的抗疲劳变形能力, RET改性剂提高了TB+SBS改性沥青的疲劳寿命、累积耗散能, 降低了滞后角, RET改性剂对TB+SBS改性沥青混合料的疲劳寿命有一定改善作用。在保证沥青混合料优良高低温性能和抗疲劳性能的前提下, 掺加RET可以减少SBS改性剂掺量, 从而降低工程成本, TB+SBS改性沥青中适宜的RET掺量为1.2%~1.6%。