SBS-PU复合改性沥青及其混合料路用性能研究

所用基质沥青为壳牌70#，其针入度(0.1mm)、软化点、10℃延度分别为63.9×0.1mm、46℃、68.9cm。SBS改性剂为购自燕山石化的线型1301、星型4303，其性能参数见表1。所用聚氨酯预聚体购自山东，型号为2122A，其技术指标见表2;所用固化剂购自江苏，型号为MoEA，其技术指标见表3;所用交联剂为硫磺;SINOTPS、TPS改性剂购自西安。沥青混合料的矿料级配为SMA-13，集料与矿粉分别采用辉绿岩和石灰岩磨制的填料，性能参数均满足规范要求。

根据前期大量试验，确定SBS-PU复合改性高黏高弹沥青的材料及掺量方案为SBS改性剂、2122A聚氨酯预聚体、固化剂(M-OEA)和交联剂掺量分别为4%、5.0%、0.5%和1‰。SBS改性剂中星型、线型SBS配比为2∶1，总掺量为4%。为达到对比效果，聚氨酯改性沥青中不掺加SBS改性剂，其他材料掺量不变。SINOTPS、TPS改性剂根据产品说明与实际应用情况掺量定为12%[14]。借鉴G.KRAUS等[9]的研究成果，使用掺量为6%的线型SBS对基质沥青进行改性，一并进行对比。SBS-PU复合改性沥青含有两种不同性质的改性剂，其中PU具有高温固化的特性，其长时间处于高温状态时可能会降低共混体系的流变性，因此制备时采用先加工SBS改性沥青后添加PU的方法。经前期试验对不同剪切温度、剪切速率及剪切温度优化后，制备过程如下:将SBS加入到升温至160℃的基质沥青中低速搅拌溶胀30min，随后升温至170℃，使用高速剪切机以4000r/min的转速剪切40min，加入交联剂再将提前加热至80℃的聚氨酯预聚体加入并以4000r/min的转速剪切30min，随后加入固化剂剪切20min，最后将剪切容器放入160℃的烘箱中保温发育60min即可。

依据前述制备工艺分别制备出SBS改性沥青、PU改性沥青、TPS改性沥青、SINOTPS改性沥青及SBS-PU复合改性沥青。对这5种改性沥青进行针入度、软化点、延度、弹性恢复、黏度和储存稳定性试验，试验结果见表4。

由表4可知，除PU改性沥青外，其他4种改性沥青均符合高黏高弹沥青基本要求。SBS-PU复合改性沥青的60℃黏度与弹性恢复分别达到了34217Pa·s和97%，分别约为PU改性沥青的2倍和3倍，黏度仅次于SINOTPS改性沥青，且储存稳定性较好。这是因为SBS改性剂的加入为PU改性沥青提供了一定的弹性组分，PU与基质沥青间的化学反应形成的化学键有效提高了各组分间的黏结力，使得SBS、PU、基质沥青三者之间形成了稳固的交联结构。复合改性使SBS与PU各自的技术性能特点得到互补，从而使SBS-PU复合改性沥青具有接近TPS、SINOTPS改性沥青的高黏高弹特性。就软化点而言，SBS-PU复合改性沥青相较PU改性沥青提升约77%，高于另外3种高黏高弹改性沥青，原因为SBS-PU复合改性沥青中SBS改性剂的弹性组分在温度逐渐升高的过程中限制了沥青分子间的自由移动，赋予了SBS-PU复合改性沥青优异的高温黏度与弹性恢复能力。

借鉴郭永梅等[15]的研究成果，以不可恢复蠕变柔量Jnr、应力敏感性Jnr-diff为评价指标。Jnr反映沥青在不同应力时的抗永久变形能力，数值越小，沥青的抗永久变形能力越强;Jnr-diff值越大，沥青的温度敏感性也就越大。Jnr0.1与Jnr3.2分别代表对应应力水平下10个周期测得的不可恢复蠕变柔量平均值。5种改性沥青在3种温度及两种应力水平下分别进行测试。Jnr0.1与Jnr3.2计算值如图2，Jnr-diff计算值如图3。

如图4，当评价指标为劲度模量S时，5种改性沥青的低温性能优劣顺序依次为SINOTPS＞SBS＞SBS-PU复合＞TPS＞PU改性沥青;当评价指标为蠕变速率m时，优劣顺序依次为SBS-PU复合＞SINOTPS＞SBS＞TPS＞PU改性沥青，可以发现，由劲度模量S、蠕变速率m的单一指标评价方法得到的低温性能优劣结果并不能相互对应。栾自胜等[18]在对SBS沥青的低温性能评价过程中发现，劲度模量S与蠕变速率m对改性沥青的低温性能评价不一致。故笔者选取m/S值作为评价指标，m/S值越大则改性沥青的低温性能越强，m/S计算值如图5。再次按优劣次序进行排序:SINOTPS＞SBS＞SBS-PU复合＞TPS＞PU改性沥青，可以发现，SINOTPS、SBS改性沥青的低温性能优于SBS-PU复合改性沥青。分析认为，SINOTPS改性剂的成分中含有一定量的SBR成分，对其低温性能有一定程度提高;SBS改性沥青中线型SBS改性型掺量达到6%，为沥青中添加了大量弹性组分，使其低温抗变形能力较好。SBS-PU复合改性沥青的低温性能稍优于TPS改性沥青，这是由于SBS在沥青内部形成了连续网状结构，聚丁二烯链段的分布为SBS-PU复合改性沥青提供了弹性组分，对其低温抗裂性能起到了积极作用。通过上述常规性能试验及改性沥青高低温性能试验评价，SBS-PU复合改性沥青具有一定的性能优势，但还需结合混合料的路用性能试验进一步对其性能进行综合评价。

采用钢桥面铺装常用的SMA-13型矿料级配，级配设计见表5。按马歇尔法确定的SBS-PU改性沥青混合料的油石比为5.8%。以同样的流程确定其他几种沥青混合料的最佳油石比，最终确定SBS改性沥青混合料的最佳油石比为5.6%;PU改性沥青混合料的最佳油石比为5.7%;TPS、SINOTPS改性沥青混合料的最佳油石比均为5.4%。

采用车辙试验对SBS-PU复合改性沥青混合料的高温抗车辙性能进行评价，车辙试验结果见图6。动稳定度值计算参照规范JTGE20-2011[19]和JTGD50-2017[20]采用了两种不同的方法。增补后者计算方法，一方面是采用前者公式计算动稳定度值准确度较低，另一方面是可以避免车辙深度与动稳定度值评价结果相互矛盾的现象

由图6可以看出，不同的计算方法显著影响混合料的动稳定度结果，但并没有改变沥青混合料的高温性能优劣顺序。采用JTGD50-2017推荐算法计算动稳定度有效避免了仪器精度不足引起的误差，提高了评价准确度。SBS-PU复合改性沥青混合料的动稳定度是PU改性沥青混合料的1.7倍，与TPS、SINOTPS改性沥青相接近并高于SBS改性沥青，且差异较为显著，这说明SBS组分的引入对PU改性沥青混合料的高温抗车辙性能有显著提升作用。该结论与MSCR试验结果相符合。

采用低温弯曲试验来评价SBS-PU复合改性沥青混合料的低温性能。所用仪器为万能试验机，加载方式为中点加载，加载速率定为50mm/min，试验温度－10℃。通过计算得出抗弯强度、最大弯拉应变指标，对SBS-PU复合改性沥青混合料的低温性能进行评价。抗弯拉强度与最大拉伸应变越大，则混合料的低温抗裂性能越好。5种改性沥青混合料的小梁弯曲试验结果见图7。

由图7可知，4种高黏高弹沥青混合料的抗弯拉强度相接近，无显著差异，故以最大拉伸应变为评价指标。5种改性沥青混合料的低温抗裂性能优劣顺序依次为SBS＞SINOTPS＞SBS-PU复合＞TPS＞PU改性沥青混合料。SBS改性沥青混合料因弹性组分含量较高，其低温抗裂能力稍强于其他3种高黏高弹沥青混合料。SBS-PU复合改性沥青混合料的低温性能较好，与TPS、SINOTPS相接近，相比PU改性沥青混合料提升了55%，这说明SBS弹性组分的加入对混合料低温性能有改善作用。

基于兼顾高黏高弹沥青混合料性能特点、应用环境和提高性能优劣区分度的综合考虑，参考已有研究成果[21]，确定了评价高黏高弹沥青混合料水稳性能的试验条件，如表6。表6中:试验温度60℃根据沥青等级确定[22];荷载作用次数增大至30000次是考虑到高黏高弹沥青混合料具有较好的水稳性能，若采用常规的20000次进行加载，其可能不会发生水损破坏，不能计算得到SIP。

评价指标中最大车撤深度和有效荷载作用次数可从图10中读取，而剥落斜率和剥落变形拐点需分段拟合试验曲线获得。针对SIP指标参数，通常是采用人为视觉的方法划分曲线中的变部分和剥落部分，降低了SIP值的准确性。

2)剥落次数或SIP值获取，二次求导拟合方程，当导数方程的值为0时，即可推导出的方程如式(2):

由图11和表7可知，综合剥落点和剥落斜率指标值，能够确定不同沥青混合料的水稳性能优劣，依次为TPS＞SBS-PU复合＞SINOTPS＞SBS＞PU改性沥青混合料。该结论与冻融劈裂试验评价结果相一致，但指标值大小差异更加显著，原因为冻融劈裂试验评价的是混合料的短期性能，其试验条件与现场路面水损病害形成的环境存在较大不同，而汉堡车撤试验采用的是动态加载，更接近实际路面水损病害的产生机理。SBS-PU复合改性沥青混合料的水稳性能相对低于TPS改性沥青混合料，原因可能为在高温水的长期作用下，体系中少量异氯酸酯基与水发生化学反应，降低了结合料的黏附性能，故导致混合料整体抗水损性能降低。此可以由PU改性沥青混合料的冻融劈裂试验和汉堡车辙试验结果均较差得到印证。

采用间接拉伸疲劳试验评价SBS-PU复合改性沥青混合料的抗疲劳性能。该试验所用试件为常规马歇尔试件，加载设备为MTS万能试验机，破坏标准为完全破裂。具体试验条件及参数见表8，间接拉伸疲劳试验结果见图12。

由图12可以发现:在矿料级配和试验条件相同的情况下，3种高黏高弹沥青混合料的疲劳寿命均优于SBS改性沥青混合料且差异显著，说明高黏高弹沥青结合料具有改善混合料抗疲劳开裂破坏的能力，原因为该类型结合料的弹性恢复性能相对高于SBS改性沥青，单次加载过程中产生的微量损伤比较小;SINOTPS、SBS-PU复合和TPS改性沥青混合料对应的疲劳寿命依次递减，SBS-PU复合改性沥青混合料的抗疲劳性能较好，相比PU改性沥青混合料有显著提升。