TB沥青 (Terminal Blend胶粉改性沥青) 是一种新型改性沥青, 与传统橡胶沥青不同, 制备TB沥青时胶粉在高温 (220℃以上) 、长时间 (12h以上) 、高速剪切条件下, 发生彻底脱硫与裂解反应, 由此制备的TB沥青克服了传统湿法橡胶沥青存在的存储稳定性差、黏度大、施工和易性差等技术缺陷。近几年来, 国内外已对TB沥青及其复合改性沥青开展了大量研究并取得一些成果, T.C.Billiter等、吕泉、黄卫东等研究表明, 由于大量胶粉在基质沥青中发生彻底降解, 致使TB沥青低温性能优异, TB沥青是解决沥青路面低温开裂的有效技术途径, 然而TB沥青高温性能较差, 一般不能单独使用, 需将TB沥青与抗车辙剂、SBS等改性剂或外掺剂进行复配, 以提高其高温稳定性。黄卫东等采用针入度体系性能和PG分级研究了TB复合SBS改性沥青的性能, 采用车辙试验和BFA四点弯曲疲劳试验研究了TB复合SBS改性沥青高温性能和自愈合前后的疲劳性能, 结果表明, TB+3.0%SBS复合改性沥青具有优异的高低温性能, TB+3.0%SBS改性沥青混合料的高温性能和抗疲劳性能优于4.5%SBS改性沥青混合料, 掺加SBS改性剂是提高TB沥青高温性能和耐久性能的有效技术措施。周显峰基于针入度评价体系和PG分级体系研究了多聚磷酸复配TB沥青的针入度体系性能和SHRP沥青结合料流变特性, 将多聚磷酸掺加到TB沥青中以改善其高温稳定性能, 结果表明, 将TB胶粉与多聚磷酸复配可实现二者对沥青混合料高低温性能和抗疲劳性能改善效果的优势互补, 掺加多聚磷酸显著改善TB沥青混合料的高温稳定性能。以反应性弹性体三元共聚物 (RET) 为代表的化学改性沥青能弥补聚合物改性沥青热储存稳定性不足, 近几年来, 国内外已对其开展了大量研究并取得一些成果, 陈治军、常睿、郝培文等研究表明, RET改性剂能显著改善沥青路面高温抗车辙和抗水损害性能, 提高沥青路面的疲劳寿命, 可减少重载道路路面的早期损害, 将RET与SBR或胶粉复配后, 可显著改善SBR改性沥青、橡胶沥青的存储稳定性, 提高SBR、橡胶沥青的抗老化性能, 改善SBR、橡胶沥青的高温稳定性, 同时一定程度上改善SBR改性沥青混合料的抗疲劳耐久性能, 但RET改性沥青的低温性能改善程度并不明显, 这很大程度上抑制了RET改性沥青混合料在国内的推广应用。

目前对TB沥青、RET改性沥青及TB沥青复配RET改性沥青及改性沥青混合料的性能研究甚少且不够全面, 尚未形成一套合理规范的指标体系与试验方法。为了解决溶解性胶粉改性沥青 (TB沥青) 高温性能不足的问题, 本文将反应性弹性体三元共聚物RET化学改性剂掺加到TB沥青中制备TB沥青与RET复合改性沥青, 采用针入度评价体系和SHRP沥青结合料评价体系系统研究TB胶粉掺量 (10%, 15%, 20%) 和RET掺量 (1.0%, 1.5%, 2.0%) 对RET复合溶解性胶粉改性沥青性能的影响, 进而采用车辙试验、低温弯曲试验、自愈合前后四点弯曲疲劳试验评价TB胶粉复合RET改性沥青的高低温性能和抗疲劳耐久性能, 并将其与SBS, SBR改性沥青混合料性能进行对比, 以期为TB沥青与RET复合改性沥青路面的研究和工程推广应用提供参考与借鉴。

基质沥青选用SK70号A级道路石油沥青, 基质沥青常规技术性能如表1所示。TB沥青由溶解性胶粉制备技术生产, 采用60目子午轮胎硫化胶粉通过高温、高速剪切和延长反应时间的方式使得胶粉发生脱硫降解反应后制备而成, 本文TB沥青中的胶粉掺量选择10%, 15%, 20%。采用美国杜邦公司生产的反应性弹性体三元共聚物Entria12#RET (以下简称RET) , RET属于热塑性塑料, 其主要技术性能指标为:密度0.972g/cm³, 沸点380℃, 熔点 (DSC) 72℃, 凝固点 (DSC) -89℃, 表面张力8×10^-4N/cm。

杜邦公司推荐RET掺量为0.5%～2.0% (基质沥青质量的百分比, 下同) , 考虑到TB沥青具有优良的低温性能, 但其高温性能较差, 为了最大限度地提高TB沥青的高温性能, 在复合改性沥青中RET的初选掺入质量比例提高至1.0%, 1.5%, 2.0%。PPA催化剂掺量选用0.3%。对照组采用4.5%SBS改性沥青。

RET改性沥青制备工艺为: (1) 将基质沥青加热至160～165℃, 以10～12g/min的速率将RET加入基质沥青; (2) 均匀搅拌30～45min使RET全部溶解; (3) 待RET全部溶解后, 将沥青升温至165～170℃, 加入PPA催化剂搅拌30～45min即可。

RET复配溶解性胶粉改性沥青制备工艺为: (1) 将不同胶粉掺量的TB沥青加热至160℃, 待沥青呈可流动状态, 以10～12g/min的速率将RET加入TB沥青; (2) 沥青升温至165～170℃, 以2 500～3 000r/min的剪切速率剪切30min; (3) 保持同样的剪切速率和沥青温度, 加入硫磺继续剪切15min, 发育30min后完成TB沥青复合RET改性沥青制备。

本文选用针入度体系中的针入度试验、软化点试验、延度、弹性恢复率、黏度评价改性沥青高低温性能, 试验方法严格按照JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》进行, 试验结果如表2所示。

由表2试验结果可知: (1) 相同RET掺量复合改性沥青软化点、60℃动力黏度和135℃运动黏度均随着TB胶粉掺量增大而减小, 针入度、5℃延度、弹性恢复率随TB胶粉掺量增大而增大。 (2) 不掺加RET, TB胶粉掺量由10%增加到20%后, TB沥青针入度由86 (0.1mm) 增加到99 (0.1mm) , 软化点由46℃减小至43℃, 60℃黏度由307Pa·s减小至242Pa·s, 135℃黏度由0.97Pa·s减小至0.82Pa·s, 弹性恢复率由69.3%提高至74.7%, 5℃延度由48cm提高至61cm, 可见掺加TB胶粉对基质沥青高温性能改善效果不佳, 增大TB胶粉掺量后TB沥青的高温性能基本维持原基质沥青水平, 而TB胶粉对基质沥青低温性能有显著的改善作用。 (3) 相同TB胶粉掺量情况下, TB沥青针入度随RET掺量增大而减小, 软化点随RET掺量增大呈线性关系增大, 弹性恢复率随RET掺量增大略有提高, 60℃黏度和135℃黏度随RET掺量增大显著增大, 掺加RET显著改善TB沥青的高温性能。在15%TB胶粉掺量下, RET掺量由0增加到2.0%后, 针入度降低19.4%, 软化点增加38.6%, 延度减小35.1%, 弹性恢复率增加11.4%, 60℃黏度增加278%, 135℃黏度增加97.2%。 (4) 对比不同TB胶粉和RET掺量对复合改性沥青针入度指标性能的影响, 在0～20%胶粉掺量范围, 随着TB胶粉掺量增大, 复合改性沥青低温性能显著提高, 增大TB胶粉掺量同时有利于解决废旧轮胎造成的黑色污染, 也可提高TB沥青产量, 降低工程造价, 从环境效益和经济效益考虑TB胶粉掺量可控制在15%～20%。在0～2.0%RET掺量范围, 随着RET掺量增大, 复合改性沥青软化点、黏度显著提高, 在0～1.5%RET掺量时, 增大RET掺量后, 复合改性高温性能提高较为明显, RET掺量由1.5%增大到2.0%后, 复合改性沥青的高温性能虽有提高, 但增加幅度没有RET由1%增加到1.5%时明显, 以复合改性沥青高低温性能、经济性考虑, RET掺量宜控制在1.5%以内。

相关研究表明, SHRP沥青结合料性能规范采用的G^*/sinδ抗车辙因子并不能很好地反映改性沥青的高温抗永久变形能力, DSR试验适用于基质沥青的高温性能评价方法用于评价改性沥青往往会低估改性沥青的高温性能, 对此国内外学者提出采用多应力蠕变恢复试验评价改性沥青的高温性能, 本文按照AASHTO TP70-07试验方法对经历RTFOT后的TB胶粉复配RET改性沥青进行0.1, 3.2kPa应力下的MSCR试验, 试验温度采用64℃, 以蠕变恢复率R和蠕变柔量J评价高温条件下TB胶粉复配RET改性沥青的延迟黏弹特性和高温抗永久变形能力, 试验结果如表3所示。TB沥青复合RET改性沥青MSCR试验如图1所示。

MSCR试验结果表明: (1) 相同TB胶粉掺量情况下, TB胶粉复配RET改性沥青的不可恢复蠕变柔量随着RET掺量增大呈二次函数抛物线关系减小, 0.1, 3.2kPa应力水平下的蠕变柔量差异率均随着RET掺量增大而线性增大, 拟合优化度R²>0.9, 表明掺加RET有效减少基质沥青及TB沥青的不可恢复变形量, 提高沥青中的弹性成分, 减少残留的塑性变形量, 增大沥青承受荷载作用能力, 改善沥青的高温流变特性。 (2) 不掺加TB胶粉, RET掺量由1.0%提高至2.0%, 蠕变柔量J_3.2减小60%, 蠕变恢复率R_0.1, R_3.2增加83.4%, 108.1%;掺加10%TB胶粉, RET掺量由0增加至2.0%, 蠕变柔量J_3.2减小262.2%, 蠕变恢复率R_0.1, R_3.2增加295.1%, 336.7%;掺加15%TB胶粉, RET掺量由0增加至2.0%, 蠕变柔量J_3.2减小267.8%, 蠕变恢复率R_0.1, R_3.2增加243.9%, 325.9%;掺加20%TB胶粉, RET掺量由0增加至2.0%, 蠕变柔量J_3.2减小268.2%, 蠕变恢复率R_0.1, R_3.2增加227.1%, 295.4%, 表明增大RET掺量可显著减小复合改性沥青的残留变形, 提高TB胶粉掺量可有效提高复合改性沥青的弹性恢复性能。 (3) 在15%～20%TB与1.0%～2.0%RET复配方案下, RET掺量达到2.0%后复合改性沥青蠕变柔量J小于4.5%SBS改性沥青, 掺加1.5%RET后复合改性沥青蠕变柔量J略大于SBS改性沥青, 表明掺加1.5%～2.0%RET具有4.5%SBS改性沥青相当的抗车辙能力。 (4) 根据AASHTO沥青结合料分级规范M320-09对TB胶粉复合RET改性沥青进行评估, 对于特重交通等级要求J_3.2<1.0kPa, 蠕变柔量差异率J_d<75%, 极重交通等级要求J_3.2<0.5kPa, 蠕变柔量差异率J_d<75%, 结果表明, 15%～20%TB与1.0%～2.0%RET复配方案下的所有改性沥青均可满足特重交通道路沥青结合料的要求, 15%～20%TB与2.0%RET复配方案下的改性沥青可满足极重交通道路沥青结合料的要求。

BBR试验温度采用-12～-24℃, BBR试验时将沥青进行RTFOT后继续经历压力老化 (PAV) , 取试样100g在980mN应力下持续加载240s, 以蠕变斜率m值、加载60s时的TB胶粉复配RET改性沥青劲度模量S表征其低温抗裂性能, 试验结果如表4所示。

表4所示试验结果表明: (1) 在-12～-24℃温度域, 掺加1.0%～2.0%RET后, RET改性沥青劲度模量S最大, 蠕变斜率m最小, 表明其低温抗裂性能最差。在基质沥青中掺加TB胶粉、SBR或SBR后, 沥青的劲度模量S显著降低, 蠕变斜率m显著增大, 从改性效果看, 掺加10%～20%TB胶粉对沥青低温性能的改善效果明显优于SBS改性剂, TB沥青的低温性能可达到SBR改性沥青的技术水平。 (2) 将TB沥青与RET复配后, 相同TB胶粉掺量, 复合改性沥青劲度模量随RET掺量增大而增大, 蠕变斜率随RET掺量增大而减小, 表明RET对复合改性沥青的低温性能有负面影响, 为确保复合改性沥青具有足够的低温抗裂性能, 需严格控制RET掺量上限。 (3) 在10%～20%TB胶粉与1.0%～1.5%RET掺配比例范围内, 复合改性沥青的劲度模量小于SBS改性沥青, 同时蠕变斜率大于SBS改性沥青, TB胶粉复合RET改性沥青低温性能优于SBS改性沥青, 按照Strategic Highway Research Program (SHRP) 规范要求对TB胶粉复合RET改性沥青的低温性能进行分级, 10%～20%TB沥青的低温PG分级可达到-24℃, 15%～20%TB沥青在-12～-24℃试验温度下的劲度模量小于SBR改性沥青, 蠕变斜率大于SBR改性沥青, 10%～15%TB沥青与1%～1.5%RET复合改性沥青的低温PG分级可达到-24℃, TB沥青与RET复合改性沥青低温性能优良。

沥青的微观形貌和结构形态对其宏观性能起决定性作用, 采用原子力显微镜对TB沥青、RET改性沥青、SBS改性沥青、TB+RET复合改性沥青的微观表面形态进行分析, 扫描面积50μm×50μm。由图2a, 2b可清晰发现10%TB, 20%TB沥青只有液相存在, 这是在生产过程中经高温、长时间剪切作用下几乎全部降解的缘故, TB胶粉与基质沥青共混为一体, 形成连续均匀、稳定的共混体, 这主要是高温和长时间剪切作用导致橡胶分子链断裂的缘故。如图2c所示, SBS改性剂在溶胀、剪切磨细、发育后混溶在基质沥青中, 细小的SBS颗粒漂浮在沥青中, 形成均匀、密实的连续相结构。如图2d所示RET改性沥青相位图中出现明显的“蜂窝”状结构, 这主要是RET与基质沥青发生化学反应, 形成新的化学基团所致, 胶核与沥青相之间有明显的接触界面, 蜂窝状结构显示连续空间网络结构, 广泛的交联和良好分散的胶团赋予RET改性沥青类似于刚体的刚性行为, 宏观表现为掺加RET后沥青的弹性成分增多, 高温性能显著提高。如图2e, 2f所示, 在RET改性沥青中掺加TB胶粉后, 独立存在的“蜂窝状”胶核分布明显减少, 沥青的分布趋于平缓、均匀、致密, RET掺量从1.0%增加到2.0%后复合改性沥青微观结构域表现出最均匀、连续的状态, TB胶粉、RET、沥青相三者之间已不存在明显界限, 通过TB沥青与RET的化学反应产生更理想的沥青微观结构, 同时复合改性沥青相容性得到改善, RET化学反应生成的化学键和化学基团使TB沥青的空间结构更加密实, 从而促使TB沥青与RET改性沥青形成均匀、致密的稳定体系。

经过综合比选, 试验研究选用15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET 2种TB沥青与RET复合改性沥青结合料, 对照组采用1.5%RET, 20%TB沥青, 4.5%SBS, 4.5%SBR 4种沥青结合料, 集料选用石灰岩, 矿粉由石灰岩磨制而成, 矿料级配统一采用AC-16中值级配, 按照马歇尔试验方法确定15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET改性沥青混合料最佳油石比为4.8%, SBS, SBR改性沥青油石比为4.7%, RET改性沥青混合料油石比为4.7%, TB沥青混合料油石比为4.7%。按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求, 采用车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验评价TB沥青与RET复合改性沥青混合料的高低温性能, 路用性能试验方法按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》相关要求执行, 试验结果如表5, 6所示。

表5所示试验结果表明, 20%TB沥青混合料的车辙试验动稳定度最小, 车辙变形量最大, 表明其高温性能最差, 掺加SBR能一定程度提高基质沥青混合料的高温性能, 但提高幅度有限, 掺加RET显著提高基质沥青混合料的高温性能, 掺加1.5%RET可使基质沥青混合料动稳定度提高145%。7种沥青混合料车辙试验动稳定度由大到小排序依次为4.5%SBS>20%TB+2.0%RET>1.5%RET>15%TB+1.5%RET>4.5%SBR>基质沥青>20%TB。在20%TB沥青中掺加2.0%RET后, 车辙试验动稳定度由1 098次/mm提高到4 803次/mm, 提高368%, 在1.5%RET中掺加15%TB沥青后沥青混合料由5 014次/mm降低到4 803次/mm, 降低4.4%, 可见掺加RET显著改善TB沥青混合料的高温稳定性, 掺加TB胶粉会对TB沥青复合RET改性沥青混合料的高温性能产生一定负面影响。15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET 2种复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度已接近4.5%SBS改性沥青混合料。

表6所示试验结果表明, 7种沥青混合料弯拉强度由大到小排序依次为20%TB+2.0%RET>15%TB+1.5%RET>4.5%SBS>4.5%SBR>1.5%RET>20%TB>基质沥青, 最大弯曲应变由大到小排序依次为20%TB>4.5%SBR>20%TB+2.0%RET>15%TB+1.5%RET>4.5%SBS>基质沥青>1.5%RET, TB沥青与RET复合改性沥青混合料的弯拉强度和最大弯曲应变均远大于SBS改性沥青混合料, 弯曲应变可达4 500με, 远大于现行施工规范中严寒区弯曲应变>300με的要求。掺加15%TB沥青后, 1.5%RET改性沥青混合料的弯拉强度提高22.1%, 弯曲应变提高129%。掺加2.0%RET后, 20%TB沥青混合料的弯拉强度提高37.5%, 弯曲应变减小5.0%, 劲度模量增加44.7%, 表明掺加TB沥青可显著提高RET改性沥青混合料的低温变形能力, RET显著提高TB沥青的弯拉强度, 将RET与TB沥青复配后可提高RET改性沥青在寒冷地区的适用性。20%TB+2.0%RET, 15%TB+1.5%RET 2种改性沥青混合料的低温性能接近4.5%SBR改性沥青混合料, 弯拉强度比SBS改性沥青混合料大10.6%, 13.7%, 弯曲应变比SBS改性沥青混合料大21.5%, 31.6%, 表明TB沥青与RET复合改性沥青在低温条件下具有优良的抗破坏强度和抗变形能力, 比SBS改性沥青混合料具有更优异的低温抗裂性能。

采用BFA四点弯曲疲劳试验研究TB沥青复配RET改性沥青混合料疲劳性能, 轮碾成型车辙板, 然后切割成尺寸63mm×50mm×400mm小梁试件, 应变水平选用400, 600, 800, 1 200με, 采用疲劳寿命与应变水平的双对数拟合公式 (见式 (1) ) 对疲劳试验数据进行处理, 以拟合参数K表征疲劳曲线线位高低, K值越大沥青混合料疲劳性能越好, n表征疲劳寿命对应变水平的敏感性, n值越大, 疲劳寿命对应变水平变化敏感性越强。研究表明, 传统的连续加载疲劳试验并未考虑沥青混合料的自我愈合补偿能力, 往往低估沥青混合料的疲劳性能, 沥青材料的自愈合性能是在间歇状态下其自身强度和路用性能的一种自我修复能力, 根据F.J.Navarro、黄卫东等研究成果, TB沥青、湿法改性橡胶沥青混合料具有优良的抗反射裂缝能力和抗疲劳开裂性能, 可能与橡胶沥青自愈合补偿性能有关。为了准确评价TB沥青复配RET改性沥青混合料疲劳性能, 参考黄卫东等研究成果, 本文对比考虑自愈合补偿作用后沥青混合料的疲劳试验, 即自愈合温度50℃, 自愈合时间6h, 施加的应变水平1 200με, 以自愈合补偿前后疲劳寿命比值H、综合疲劳寿命F_NM表征TB沥青复配RET改性沥青混合料的自愈合能力 (见式 (2) 、式 (3) ) 。疲劳试验结果如图3、表7所示。

式中:N_f为疲劳试验达到试件破坏条件时的加载次数 (次) ;A, B为拟合参数;ε为加载的应变水平 (με) ;H为自愈合补偿前后沥青混合料的疲劳寿命比值 (%) ;F_NM为考虑自愈合后的综合疲劳寿命 (次) ;F_NM1为自愈合前沥青混合料的疲劳寿命 (次) ;F_NM2为自愈合后沥青混合料的疲劳寿命 (次) 。

疲劳试验结果表明, 自愈合前的各应变水平下, 7种沥青混合料疲劳寿命由大到小依次为20%TB+2.0%RET>15%TB+1.5%RET>4.5%SBS>4.5%SBRT>20%TB>1.5%RE>基质沥青, 疲劳寿命与应变水平的双对数拟合曲线满足良好的线性关系, 拟合优化度R²>0.95, 相比于TB沥青和RET改性沥青混合料, 15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET 2种复配方案下拟合参数K最大, 同时n值较小, 表明将TB沥青与RET复配后可显著提高沥青混合料的疲劳寿命, 降低疲劳寿命对应变水平的敏感程度, 15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET 2种改性沥青混合料的抗疲劳性能优于SBS, SBR改性沥青混合料。

表7考虑自愈合补偿作用后, 各应变水平下, 7种沥青混合料综合疲劳寿命F_NM排序依次与自愈合前基本保持一致, 自愈合前20%TB+2.0%RET, 15%TB+1.5%RET 2种改性沥青混合料疲劳寿命为SBS改性沥青混合料的1.13倍和1.16倍, 考虑自愈合补偿作用后20%TB+2.0%RET, 15%TB+1.5%RET2种改性沥青混合料疲劳寿命为SBS改性沥青混合料的1.37倍和1.44倍, 表明考虑自愈合补偿作用后可进一步拉大SBS改性沥青混合料与TB沥青复合RET改性沥青混合料的疲劳寿命差距。15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET 2种改性沥青混合料H值为76.5%, 78.4%, 20%TB+2.0%RET复合改性沥青混合料H值略大于20%TB沥青, SBS改性沥青混合料H值仅为42.9%, 小于SBR改性沥青混合料H值51.4%。SBS改性沥青混合料H值小于TB沥青, 但大于RET改性沥青, 综合考虑H, F_NM, F_NM23个指标, 20%TB+2.0%RET复合改性沥青混合料的自愈合性能最好。

1) 掺加TB胶粉对基质沥青高温性能改善效果不佳, 将RET与TB沥青复配后可显著提高TB沥青的高温性能, 掺加RET有效减少TB沥青的不可恢复变形量, 提高沥青中的弹性成分, 减少残留的塑性变形量, 增大沥青承受荷载作用能力, 改善沥青的高温流变特性, 而增大TB胶粉掺量会对RET改性沥青及基质沥青高温性能产生负面影响, 15%～20%TB与2.0%RET复配方案下的改性沥青可满足极重交通道路沥青结合料的要求。

2) RET化学反应生成的化学键和化学基团使TB沥青的空间结构更加密实, 从而促使TB沥青与RET改性沥青形成均匀、致密的稳定体系。

3) 掺加RET显著改善TB沥青混合料的高温稳定性, 20%TB+2.0%RET, 15%TB+1.5%RET 2种改性沥青混合料的低温性能接近4.5%SBR改性沥青混合料, TB沥青与RET复合改性沥青在低温条件下具有优良的抗破坏强度和抗变形能力, 比SBS改性沥青混合料具有更优异的低温抗裂性能, TB沥青复合RET改性沥青混合料是一种高低温性能兼顾的新型道路材料。

4) 15%TB+1.5%RET, 20%TB+2.0%RET 2种改性沥青混合料的疲劳性能优于SBS, SBR改性沥青混合料。