交通事业的发展对道路材料要求越来越高, 现阶段复合改性技术发展成熟, 我国对SBS改性沥青复合改性的研究也已有很多成果。游金梅^[1]研究表明多聚磷酸添加剂可以改善SBS改性沥青的高温性能、高温稳定性和抗老化性能, 但低温性能降低;Zhang F等^[2]发现硫添加剂可以提高沥青和SBS之间的兼容性和老化性能;宋莉芳等^[3]发现有机蒙脱土黏土添加剂对SBS改性沥青的流变特性影响显著;常海洲等^[4]研究发现纳米Ca CO₃添加剂能提高SBS改性沥青的高温稳定性、动态力学性能和低温抗裂性能;袁媛等^[5]使用RET改性剂改善了SBS改性沥青的高温性能和热稳定性。

SBS改性沥青和复合改性沥青性能优越但都存在存储稳定性差问题, 本文试验从改善SBS改性沥青存储稳定性角度, 借助复合改性技术选取有机蒙脱土 (OMMT) 、硫磺 (S) 、炭黑 (CB) 3种添加剂对SBS改性沥青复合改性, 通过改性沥青离析试验, 混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性方面试验, 研究3种添加剂能否解决SBS改性沥青存储稳定性问题以及提高混合料路用性能。

有机蒙脱土添加剂 (OMMT) 、硫磺添加剂 (S) 、炭黑添加剂 (CB) 技术指标如表3~5所示。

试验使用高速剪切搅拌机制备SBS复合改性沥青, 在180℃基质沥青中加入5%SBS改性剂^[6]高速剪切搅拌30min后, 分别加入不同掺量的OMMT, S, CB添加剂继续搅拌1h制备SBS/OMMT, SBS/S, SBS/CB复合改性沥青。

以解决SBS改性沥青存储稳定性为目的, 通过离析试验确定OMMT, S, CB 3种添加剂掺量, 以浸水马歇尔试验、车辙试验和小梁弯曲试验数据评价3种添加剂对SBS改性沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性的改性效果。

对不同掺量的SBS/OMMT, SBS/S, SBS/CB复合改性沥青进行离析试验^[7]。离析试验结果如图1所示。

离析试验上、下软化点差值<2.5℃, 表明SBS改性沥青未离析^[8]。不同掺量的普通SBS改性沥青离析值均>2.5℃, 如图1a所示。图1b数据显示了有机蒙脱土、硫磺、炭黑3种添加剂对SBS改性沥青存储稳定性的影响, 可知改变稳定剂类型及掺量可以有效地改善SBS改性沥青的离析情况, 优化SBS的存储稳定性能。OMMT的掺量与SBS改性沥青上下端软化点差值呈正相关, 当OMMT的掺量为6%时, SBS改性沥青存储稳定达到最优;而SBS/CB的存储稳定性在CB掺量为4%时达到最优, 当掺量高于4%后SBS/CB的存储稳定性与CB掺量的相关性有所减弱。SBS/S存储稳定性在S掺量为2%时达到最优, 与OMMT和CB不同, 在稳定性能达到最优后, SBS/S的稳定性与S掺量呈负相关, 即其离析行为随着S掺入量的增加而愈发明显, 存储性愈加不稳定。

根据离析试验结果制备3种存储稳定的SBS复合改性沥青:6%OMMT掺量的SBS/OMMT、4%CB掺量的SBS/CB、2%S掺量的SBS/S。

本文采用马歇尔试验设计方法, 依次对SBS改性沥青 (其中SBS掺量依次为4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%) , SBS/OMMT (OMMT掺量为6%) , SBS/CB (CB掺量为4%) , SBS/S (S掺量为2%) 混合料进行配合比设计确定最佳油石比^[8]。

级配设计选择多碎石级配SAC-16。其合理性通过马歇尔试验进行研判, 最终得到的混合料最佳级配通过率如表6所示。由马歇尔系列试验得到混合料体积参数如表7所示, 将马歇尔稳定度、流值绘制曲线如图2所示。

表7数据显示3种SBS复合改性沥青混合料空隙率随沥青掺量增加而线性减小, 沥青掺量达到6.0%时, 3种混合料空隙率均降至5%左右。图2a显示3种添加剂都能提高普通SBS改性沥青混合料的承载力。图2b显示在4.5%~5%掺量时SBS/CB和SBS/OMMT改性沥青混合料变形量较大, 掺量在5.2%~6%时SBS/OMMT和SBS/CB改性沥青混合料塑性变形急剧减小, 低于普通SBS改性沥青, 而SBS/S改性沥青混合料塑性变形量始终远低于普通SBS沥青混合料。

按照我国现行OAC方法确定沥青最佳用量: (1) SBS改性沥青最佳用量为5.675%; (2) SBS/OMMT, SBS/CB, SBS/S复合改性沥青最佳用量依次为5.792%, 5.93%, 5.83%。根据普通SBS改性沥青和3种复合改性沥青最佳掺量与SAC-16级配制作马歇尔标准试件和车辙板试件。

依次对最优掺量的SBS改性沥青及SBS/OMMT, SBS/CB, SBS/S复合改性沥青混合料进行水稳定性、动稳定度和低温弯曲试验^[7], 试验结果如表8~10所示。

混合料浸水试验显示普通SBS改性沥青混合料浸水残留稳定度达到93.66%, 加入OMMT后SBS/OMMT改性沥青混合料浸水残留稳定度达到99.56%, 显著地提高了SBS的抗水损能力;加入S后SBS/S改性沥青混合料的浸水残留稳定度没有明显变化, 说明S添加剂对抗水损能力几乎没有作用;而SBS/CB改性沥青混合料抗水损能力降低了16%。基于马歇尔稳定度试验结果分析得出, 在承载力方面, 随着3种稳定剂的掺入SBS改性沥青混合料的承载力均有不同程度的提升, 具体表现为:SBS/CB>SBS/S>SBS/OMMT>普通SBS改性沥青混合料。

由动稳定度试验结果分析得出, SBS改性沥青混合料在加入OMMT, S, CB后, 高温性能有着不同程度提高。其中掺入OMMT稳定剂后SBS/OMMT改性沥青混合料动稳定度为原来的2.4倍, 说明其对SBS改性沥青混合料的高温性能改善效果最为明显。究其原因OMMT与SBS之间形成的片层剥离型的结构, 阻碍了沥青分子链的运动, 所以其高温抗车辙能力最为突出^[9], 适用于对温度苛求较高的炎热地区沥青道路建设。SBS/CB与SBS/S改性沥青混合料的高温性能也达到普通SBS改性沥青混合料的1.6倍左右。动稳定度试验结果说明3种添加剂都能有效提高SBS改性沥青混合料高温性能 (抗车辙性能) , 对于我国以车辙为主要病害的沥青路面而言, SBS复合改性沥青混合料技术具有一定的推广应用价值^[10]。

小梁弯曲试验是在-10℃低温环境下完成的, 试验数据显示S添加剂提高了SBS改性沥青混合料在低温环境下抗开裂能力, 其承载力也是混合料中最高的;OMMT添加剂大大提高了SBS改性沥青混合料的抗车辙性能和水稳定性, 但在低温环境下劲度模量是普通SBS改性沥青的73%, 低温性能较差;3种SBS复合改性沥青混合料中SBS/CB的低温承载力最小, 劲度模量只达到SBS/S的一半。小梁弯曲试验证明只有S添加剂能提高普通SBS改性沥青的低温性能, 而OMMT添加剂和CB添加剂降低了SBS改性沥青的抗低温开裂能力, 由于CB使SBS/CB黑共混物的分散性能下降, 因此改性沥青性能下降^[11]。

1) 3种添加剂在适宜掺量下都能解决SBS复合改性沥青离析问题。SBS/S复合改性沥青S最佳掺量为2%, S添加剂在用量较低条件下即可使SBS/S改性沥青存储稳定, 可作为SBS改性沥青存储稳定助剂;SBS/OMMT复合改性沥青OMMT添加剂最佳掺量为6%;SBS/CB复合改性沥青CB添加剂最佳掺量为4%。

2) 在动稳定度方面, S添加剂和CB添加剂提高了SBS改性沥青混合料60%的动稳定度;而OMMT添加剂提高了SBS改性沥青混合料2.4倍动稳定度, 表现出极佳的高温稳定性。在低温性能方面, S添加剂将SBS改性沥青混合料低温劲度模量提高8%;CB添加剂降低了SBS改性沥青混合料40%低温抗开裂能力;OMMT添加剂降低了SBS改性沥青混合料27%的低温抗开裂能力。

3) 在抗水损方面, SBS/OMMT改性沥青混合料浸水残留度达到99.56%, 水稳定性能极佳;S添加剂对混合料抗水损能力几乎无影响;CB添加剂降低了SBS改性沥青混合料18%的抗水损能力。在承载力性能方面, 3种添加剂都对SBS改性沥青混合料有不同程度的提高。

3种添加剂不仅解决了SBS改性沥青离析问题, 同时提高了混合料承载力和高温性能。其中S添加剂可以提高SBS改性沥青混合料低温性能, 且用量较少;OMMT添加剂将SBS改性沥青混合料高温性能和抗水损性能提高显著;而CB添加剂降低了沥青混合料低温性能和抗水损性能。