SBR/PP复合颗粒改性沥青及其混合料性能研究

刘滢，金云东，周超，侯德华，弥平

(1.南京工业大学浦江学院 土木与建筑工程学院，江苏 南京 211134；2.四川工程职业技术学院 建筑工程系，四川 德阳 618000；3.河南省高等级公路检测与养护技术重点实验室，河南 新乡 453003)

针对沥青力学性能的不足，研究人员开始重视利用聚合物改善沥青的性能[1-3]。研究发现，将再生聚丙烯(PP)应于改性沥青，不仅可以改善沥青混合料的温度敏感性，还能降低工程造价，形成环保绿色路面，但会使沥青的蠕变性降低[4-5]。而丁苯橡胶(SBR)可提高沥青的延展性，但SBR改性沥青的高温性能较弱[6-7]。因此，可采用不同的聚合物复配使用，以发挥不同类型聚合物对沥青流变性能的改善[8-9]。

本文采用开炼机将SBR粉末与PP颗粒混炼成SBR/PP热塑性弹体，并研究不同配比设计的SBR/PP改性沥青流变性及其混合料的高温抗车辙性、低温抗开裂性和水稳性，以便为SBR/PP改性沥青的推广应用提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

丁苯橡胶粉末为SBR 1502，广东省东莞市樟木头塑胶化工生产；聚丙烯为再生灰色PP颗粒，湖南映宏新材料股份有限公司生产；相容剂为自制醋酸乙烯酯接枝；2，6-二叔丁基对甲基苯酚、十八(烷)酸锌盐均为化学品；SK 70号沥青，主要性能指标见表1，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。

表1 SK 70号沥青技术指标

SYD-4508G延度仪；SYD-2801F针入度仪；SYD-2806F软化点仪；QCZ-2型多功能车辙仪；SmartPave102动态剪切流变仪；UTM-25万能试验机。

1.2 SBR/PP复合改性沥青的制备

1.2.1 SBR/PP热塑性弹体制备 将SBR粉末和PP颗粒分别按配比设计称取，在高速混合机中混合1 min，之后添加适量的相容剂、抗氧剂和助剂共混 1 min；最后将共混物加入到双螺杆挤出机中挤出，挤出机加料口温度设定为180 ℃、机头温度设定为190 ℃，中间各段加热温度分别为190，200，210，200 ℃，螺杆的转速为200 r/min，制得SBR/PP热塑性弹体。为改善SBR/PP热塑性弹体在沥青中的分散及溶胀，通过橡胶粉碎机对其进行磨碎处理，效果见图1，通过荧光显微镜可以观测到SBR/PP热塑性弹体颗粒表面粗糙，形状不规则，且SBR与PP混合均匀。

图1 SBR/PP热塑性弹体的宏观与微观图像

1.2.2 复合改性沥青的制备 将SK 70号基质沥青加热至135 ℃，使其成为热熔状态，然后将不同掺量的SBR/PP热塑性弹体缓慢加入到沥青中，之后将改性沥青升温至170～180 ℃，机械搅拌30 min，以便SBR/PP热塑性弹体在沥青中充分溶胀；随后采用高速剪切机以5 000 r/min的转速对改性沥青进行剪切，剪切时间为40 min，最后得到SBR/PP复合改性沥青，不同改性沥青的配比设计见表2。

表2 不同改性沥青的配比组合设计

2 结果与讨论

2.1 SBR/PP复合改性沥青的性能

2.1.1 SBR/PP复合改性沥青的技术指标 试验选用国内改性沥青的主要评价指标针入度、软化点、延度和软化点差对不同改性沥青进行评价分析，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行，结果见表3。

表3 SBR/PP复合改性沥青的技术指标

由表3可知，当MSBR∶MPP为3∶7时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的针入度和延度逐渐降低，软化点和软化点差值逐渐升高，改性沥青的总体性能偏“硬”，表现出较好的高温稳定性，储存稳定性均满足JTG F40—2004中Ⅰ类改性沥青>2.5 ℃的要求；当掺量达到5%时，延度降低48%，改性沥青的低温性能较差，容易产生脆断。当MSBR∶MPP为5∶5时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的针入度逐渐降低，软化点和软化点差值逐渐升高，延度则先增加后降低，最大延度为88 cm，体现出较强的黏塑特性。当MSBR∶MPP为 7∶3时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的针入度逐渐降低，软化点、延度和软化点差值逐渐提高，使得改性沥青具有良好的延展特性，更能体现出丁苯橡胶的力学性能；当掺量为5%时，软化点差值为2.7 ℃，已不满足规范中Ⅰ类改性沥青<2.5 ℃的要求。

SBR/PP热塑性弹体在相同掺量下，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性沥青的总体性能表现为针入度、延度和软化点差值逐渐升高，软化点逐渐降低。说明当SBR/PP热塑性弹体中以高柔韧性的SBR软相为主时，改性沥青体现出较好的低温性能，但此时由于丁苯橡胶的黏聚性较大，在高温储存过程中易产生离析，致使高温储存稳定性较差。因此，当橡塑比MSBR∶MPP>7∶3时，SBR/PP热塑性弹体的掺量不宜超过4%。

2.1.2 SBR/PP复合改性沥青的流变性能PG分级 美国在SHRP(Strategic Highway Research Program)计划中提出基于沥青流变性能的评价方法，并依据沥青适用的路面最高温度和最低温度对沥青材料进行PG(Performance Grade)分级。根据AASHTO M 320(AASHTO 2017)，对制备的改性沥青进行PG分级，结果见表4。

表4 SBR/PP复合改性沥青流变性能PG分级参数

表4总结了12种改性沥青的PG分级，为保证黏结材料具有良好的高温抗变形能力，要求未老化沥青的车辙因子(G*/sinδ)不应小于1 kPa，RTFOT老化后沥青的车辙因子(G*/sinδ)不应小于 2.2 kPa，通过对试验数据的分析，提取并确保每种改性沥青的高温PG均满足Superpave规定要求。从试验结果可以看出，在橡塑比MSBR∶MPP相同的情况下，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青整体发展趋势是具有更高的PG分级，最高可以提高三级，抗车辙性得到改善；而随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性沥青的高温抗变形能力降低，高温PG分级降低，说明聚丙烯塑料的高温力学性能要优于丁苯橡胶。

经过短期老化以后，RTFO残留物的G*/sinδ显著增加，表明改性沥青的抗车辙性得到改善。在3%掺量下，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后车辙因子的增加幅度分别为81%，83%，108%和114%；在4%掺量下，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后车辙因子的增加幅度分别为50%，92%，100%和173%；在5%掺量下，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，老化前后车辙因子的增加幅度分别为70%，89%，92%和115%；由此可见，随着SBR含量的增加，老化前后车辙因子的增加幅度逐渐提高，说明SBR的抗老化能力相对较差，这主要是因为SBR长分子链在老化过程中容易被氧化、降解[10]，橡胶之间不能形成稳定的连续相，使其性能发生大幅度变化。而聚丙烯的抗老化能力较好[11]，在沥青中形成的交联体系在老化过程中比较稳定，从而增强对沥青的约束力，改善沥青的热稳定性。

为保证黏结材料不产生疲劳开裂，一般以PG分级中最高和最低设计温度的平均值加4 ℃为黏结材料的中温测试条件，并要求中温条件下的G*·sinδ不应超过5 MPa，否则认为黏结材料易发生疲劳开裂破坏，而较低的G*·sinδ值具有更好的抵抗疲劳开裂的能力。对于表4中列出的PG分级可知，在中温条件下，所有改性沥青的疲劳因子都满足规定要求。但是随着聚丙烯的增加，改性沥青的疲劳开裂风险提高。

根据BBR试验，低温劲度模量越大，沥青表现得越硬脆，易产生低温开裂；而劲度模量变化曲线斜率(m)表征了低温下沥青的蠕变变化率，m值越大，沥青的感温性越好，随着环境温度的骤降不易产生开裂。因此，Superpave规定低温劲度模量不能超过300 MPa，m值不能小于0.3。从试验结果可知，当MSBR∶MPP为 3∶7时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青在低温条件下的PG分级逐渐提高，说明高掺量的SBR/PP热塑性弹体不益于改性沥青在低温区域的应用；当MSBR∶MPP为5∶5和7∶3时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的低温PG分级保持不变，说明当SBR/PP热塑性弹体中丁苯橡胶配比占主导地位时，有利于改善SBR/PP复合改性沥青的低温抗开裂能力。

综上所述，可以通过SBR/PP热塑性弹体来改善沥青的PG分级，以增强沥青在高低温环境下的适应性。当橡塑比MSBR∶MPP为5∶5时，SBR/PP热塑性弹体明显改善沥青对车辙的抵抗力，且不同掺量的改性沥青低温性能没有产生显著负面影响，能够改善累积的低温应力，综合性能相对最佳。

2.2 SBR/PP复合改性沥青混合料的路用性能

热拌沥青混合料级配选用JTG F41—2004规范中AC-13范围中值，并选用石灰岩作为骨料，石灰石粉作为矿物填料，其主要技术指标符合JTG F40—2004要求，见表5。根据马歇尔混合料设计方法对改性沥青混合料进行设计，以确定混合料的最佳沥青含量OAC。改性沥青混合料的拌合与击实温度分别为170 ℃和155 ℃。为保证不同掺量及配比条件下沥青混合料之间能够有效合理的比对，需要建立共同的比较基准，所以在保证马歇尔试件空隙率不小于4%且性能指标满足规范要求的前提下，本次试验的改性沥青混合料均选择OAC为 5.25%(按混合料的质量计)制备所需改性沥青混合料试件。

表5 石灰岩骨料的技术指标

2.2.1 SBR/PP复合改性沥青混合料的中高温抗变形能力 对不同改性沥青混合料的试件分别进行60 ℃车辙试验，以评价SBR/PP热塑性弹体对改性沥青混合料高温稳定性的影响。

简单性能试验SPT(Simple Performance Test)是按照美国NCHRP的设想，提出一种能反映沥青混合料抗变形能力的试验。SPT动态模量试验制备的试件遵循EN 12697—26规程要求，试验测试温度选用30 ℃评价改性沥青混合料的中温抗变形能力，加载频率分别为1，5，10，20，25 Hz，以模拟我国不同等级公路30～120 km/h的车速。试验采用应变控制水平，为保证混合料在小应变条件下进行测试，实验设置应变变化范围85～115 με，采用连续正弦加载方式，将测试频率以循环方式施加到无约束试件上进行测试并记录试验数据，结果见表6。

表6 SBR/PP复合改性沥青混合料的动稳定度及动态模量实验结果

由表6可知，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青混合料的动稳定度逐渐增大，且都满足JTG F40—2004中改性沥青混合料动稳定度不小于2 400次/mm的要求。当SBR/PP热塑性弹体掺加量相同时，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性沥青混合料的动稳定度逐渐减小，高温稳定性相对变差。此外，相对于丁苯橡胶，由于聚丙烯交联结构的力学性能强，对改性沥青混合料的高温抗变形能力的影响较为显著，对于夏季炎热区可以优选橡塑比MSBR∶MPP为3∶7的SBR/PP热塑性弹体对沥青进行改性。

SPT试验的评价指标动态模量不仅可以表征改性沥青混合料的黏弹特性，还能反映混合料在中温条件下的累积永久变形。从不同频率下的动态模量可以看出，随着负载频率的降低，产生的动态模量逐渐减小，这种现象可以解释在陡坡、交叉路口或公交车站等路段，由于车辆行驶速度较低及频繁制动，致使轮胎与路面之间处于长时间接触状态，路面易发生永久变形。

在不同频率下，当橡塑比MSBR∶MPP相同时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青混合料的动态模量均逐渐增大，表明热塑性弹体掺量越高，其改性沥青混合料会具有更高的刚度，并且相对于SBR改性沥青，SBR/PP复配改性沥青可以显著改善混合料的抗变形能力，对于夏季炎热地区可以添加4%～5%的SBR/PP热塑性弹体，橡塑比MSBR∶MPP为 3∶7最佳。

2.2.2 改性沥青混合料的低温抗开裂性能及水稳定性 为评价SBR/PP热塑性弹体改性沥青混合料的低温抗开裂能力以及水稳定性，按照JTG F20—2011规范对不同改性沥青混合料试件分别进行 -10 ℃ 低温弯曲试验以及冻融劈裂试验，结果见表7。

表7 SBR/PP复合改性沥青混合料的抗裂性及水稳性

由表7低温弯曲试验结果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，混合料的低温劲度模量逐渐增大。当复配设计为5-(3∶7)时，劲度模量到达最大值3 525 MPa，相对于3-(3∶7)，其低温劲度模量增幅16%。当SBR/PP热塑性弹体掺量相同时，随着橡塑比的减小，不同改性沥青混合料的劲度模量逐渐增加，表明通过SBR/PP复配技术可以显著改善混合料的低温劲度模量，提升其低温抗弯拉能力。但是劲度模量过大容易造成混合料的低温脆断，因此，规范要求冬季严寒地区的破环应变不应小于3 000 με。由表可知，除 5-(3∶7)改性沥青混合料低于3 000 με，其余改性沥青混合料均满足规范要求。同时，当SBR/PP热塑性弹体掺量相同时，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，最大弯拉应变先略有增加，后又逐渐减小，该现象与改性沥青混合料的高频回弹模量变化规律相一致。说明适中的橡塑比，可以使改性沥青混合料在抗拉伸过程中充分发挥热塑性弹体的黏韧性，从而改善混合料的低温弯拉应变，这也体现了丁苯橡胶与聚丙烯的复配效应。

由表7冻融劈裂试验结果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，劈裂强度和TSR都在逐渐增大。对于不同橡塑比的改性沥青混合料，高含量SBR改性沥青混合料具有最佳的水稳定性，随着PP的加入，改性沥青混合物的水稳定逐渐降低，与SBR改性沥青混合料相比，其最高降低幅度达到18%。综上所述，对于SBR/PP热塑性弹体改性沥青，PP的加入增强了沥青胶结料的交联凝结作用，使混合料具有优良的抗劈裂能力。但是，这也造成体系的刚度较大，在荷载作用下的位移量相对较小，从而导致低温抗变形能力降低。因此，考虑到混合料的抗裂性能及抗水损性，需限制聚丙烯的高掺量应用。

3 结论

(1)通过试验表明，SBR/PP热塑性弹体的配比设计，对于改性沥青的性能影响很重要，其中丁苯橡胶对改性沥青的低温延展性及黏聚性影响较大，聚丙烯对改性沥青的高温抗变形能力、高温储存稳定性及抗老化性能影响较大。因此，可以使用SBR/PP复合材料对沥青的PG进行工程设计，以承受不同温度环境下的交通荷载。且在橡塑比(MSBR∶MPP)为5∶5时，热塑性弹体可以显著改善沥青的高温抗变形能力，低温性能没有产生显著负面影响，PG分级综合流变性能相对最佳。

(2)SBR/PP复合改性沥青混合料的综合路用性能相对较好，当橡塑比为3∶7时，其改性沥青混合料具有最佳的高温性能，适用于国内炎热地区。此外，当需要考虑混合料在低温环境下的抗裂性能及抗水损性时，聚丙烯的含量不易超过SBR/PP热塑性弹体总质量的50%。