1. 引言

随着我国公路建设的快速发展，改性沥青在公路铺设方面的应用也越来越多，目前国内外常用的改性沥青以SBS改性沥青为主。SBS改性沥青是将热塑性丁苯橡胶(SBS)作为改性剂加入基质沥青制备而成，SBS是苯乙烯与丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段物理交联可改善沥青的抗高温永久变形能力，而丁二烯段赋予沥青一定的柔韧性。这种特殊的结构，使得SBS改性沥青具有良好的高温性能，同时低温性能也得到改善 [1] [2]。但是SBS作为一种石油制品，价格较高，使SBS改性沥青的推广受到一定程度的限制。

胶粉改性沥青在近几年来也有一定规模的应用。将废旧轮胎制成胶粉，作为改性剂加入沥青中制成改性沥青，不仅价格低廉、解决环保压力，而且可以改善沥青的抗老化性能、高低温性能，降低路面噪声 [3] [4] [5]。但是胶粉与沥青之间的相容性较差，胶粉改性沥青容易离析，储存稳定性能差，而且胶粉掺量低时改性效果不明显，掺量高时改性沥青粘度大，施工温度高，施工难度大 [6] [7] [8]。这些问题也使得胶粉改性沥青无法进行大面积推广使用。

为了生产出性能优异的改性沥青，使两种改性剂实现性能互补，我国部分学者如王志刚 [1]、高占华 [9] 等人提出了SBS、橡胶粉复合改性沥青的概念。崔晟东对SBS/橡胶粉复合改性沥青进行经济性分析，发现其不仅性能更优，而且造价更低，具有极大的现实意义 [10]。向丽研究了SBS/橡胶粉的流变行为、热氧老化性能和储存稳定性，同时对废橡胶在沥青中的溶胀机理和溶胀动力学进行了分析 [11]。程健对废胶粉进行接枝处理，研究得出低掺量接枝胶粉能有效解决SBS/废胶粉复合改性沥青的高粘度和离析问题 [12]。涂娟、王志刚等人研究发现糠醛抽出油对胶粉有很好的溶胀作用，可以使SBS/橡胶粉复合改性沥青的延度有很大程度的提高 [1] [13]。韦大川认为SBS/橡胶复合改性沥青表现出了良好的综合性能，并且SBS/橡胶粉复合改性沥青路面的抗震减噪效果也更明显 [14] [15]。郭吉坦、张红兵等人对SBS/橡胶粉复合改性沥青的生产工艺、合理掺量、材料优选等方面进行了研究 [16] [17]。申爱琴，杨光研究发现SBS/橡胶粉复合改性沥青混合料在低温环境下依然具备较强的抗塑性变形能力，并且密级配SBS/橡胶粉混合料与SBS改性沥青混合料相比，其综合性能有较大的提高 [18] [19]。Wang提出，SBS/胶粉复合改性沥青可以显著提高沥青的粘弹性能和低温性能。在SBS掺加量超过1%时，改性沥青存在平缓区，说明体系形成网络结构，改性沥青性能显著提高 [20]。Wang Y对SBS/橡胶复合改性沥青的储存稳定性进行改善，发现其性能符合SBS聚合物沥青c级标准要求 [21]。

综上，SBS/胶粉复合改性沥青已被广泛研究并进行了成功应用，验证了其优良的使用性能。本文基于前人研究经验，尝试采用SBS改性剂和脱硫胶粉作为改性材料制备复合改性沥青，作为桥面铺装防水粘结层的基体材料。通过针入度、延度、软化点、布氏黏度、动态剪切流变试验指标的综合分析，确定改性材料的最佳掺量并为SBS/脱硫胶粉复合改性沥青在桥面铺装工程中的应用提供理论指导。

2. 试验材料与方法

2.1. 试验原材料

本文基质沥青(Base Bitumen, BA)采用山东某公司生产的70#道路石油沥青，SBS改性沥青由山东华瑞道路材料技术有限公司生产，胶粉为山东某公司采用水油法添加脱硫剂生产的40目脱硫胶粉(Desulfurized Rubber Powder, R)，SBS为中国石化某公司生产的线型SBS。70#基质沥青与SBS改性沥青的常规性能见表1。

2.2. 改性剂掺量确定

为了确定SBS/脱硫胶粉复合改性沥青中改性剂的掺量，在前期预调研基础上同时参考已有文献或成果研究，并考虑经济性后，分别选取SBS掺量1%、2%、3%，脱硫胶粉掺量12%、15%、18%。本文材料配方采用外掺法，具体试验方案及配方见表2。

2.3. 制备工艺确定

复合改性沥青的制备一般分为改性剂溶胀、高速剪切、后期发育三个阶段。具体制备工艺如下：

1) 改性剂溶胀阶段：将盛放有70#基质沥青的分装桶放置在160℃~170℃的烘箱内恒温保存1小时。将脱硫胶粉和SBS改性剂称取规定质量后一起加入熔融状态的沥青中，并充分搅拌至均匀状态。再将沥青放入170℃的烘箱中恒温发育1小时，在此期间每隔15~20分钟充分搅拌沥青一次。

2) 高速剪切阶段：将恒温发育后的沥青进行高速剪切，剪切速度：5000转/分钟，剪切时间：1小时，温度保持在180℃~190℃，不要超过195℃。

3) 后期发育阶段：将经高速剪切后的复合改性沥青放置在170℃的烘箱中恒温发育1小时。

2.4. 试验方法

2.4.1. 针入度试验

针入度是指标准针在一定的载荷、时间及温度条件下垂直穿过沥青试样的深度，单位是0.1 mm。其标准试验条件为温度25℃，载荷100 g，贯入时间5 s。沥青的针入度能够反映沥青的黏稠、软硬程度以及高温稳定性和低温抗裂性能，是我国划分沥青标号的指标。具体试验步骤见《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0604-2011试验方法。

2.4.2. 延度试验

延度是沥青在一定温度下，按照一定速度拉伸至沥青断裂时的长度，单位为cm，通常采用的试验温度为25℃、15℃、5℃，拉伸速度为5 cm/min ± 0.25 cm/min。沥青的延度能够表征沥青所能承受塑性变形的总能力，既反映了沥青路面的低温抗裂性能，也间接反映沥青的黏度和剪切敏感性。延度值越大，沥青塑性越好，低温性能越好。根据《JTG F 40-2004公路沥青路面施工技术规范》、《JT∕T 798-2019 路用废胎胶粉橡胶沥青》两部规范中对复合改性沥青延度试验的温度要求，本文采用5℃延度值来评价复合改性沥青的低温性能。具体试验步骤见《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0605-2011试验方法。

2.4.3. 软化点试验

软化点是指沥青试件在升温速率一定的条件下，受热软化后下垂时的温度，是沥青从粘塑性状态转变为粘流状态的临界温度指标。软化点指标所表征的是沥青的黏度、高温稳定性以及温度敏感性，是评价沥青性能的重要指标。在一定范围内，软化点越高，沥青的高温稳定性越好。具体试验步骤见《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0606-2011试验方法。

2.4.4. 布氏黏度试验

布氏黏度试验采用美国Brookfield公司Brookfield DV II旋转黏度仪，它是通过测定浸没在沥青试样中的纺锤形轴以一定速度旋转所需的扭矩来确定旋转粘度，是用来评价沥青的高温和易性和工作特性的设备。本文在试验中转子转速采用20 r/min，转子选用21号、27号、28号、29号转子，试验温度分别为120℃、140℃、160℃、180℃。各项测试都必须保证扭矩在10%~98%之间。具体试验步骤见《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0625-2011试验方法。

2.4.5. 动态剪切流变试验

动态剪切流变仪(DSR)是一种评价高分子材料流变特性的通用仪器，通过美国SHRP计划引入到沥青研究中，综合考虑了加载情况、温度对沥青胶结料性能的影响，用来测定其高温性能和中等温度下的疲劳特性。该试验是将厚度1 mm或2 mm的沥青试样夹在两块直径为25 mm或8 mm的平板间；其中一块固定，一块绕中心轴以角速度ω来回摆动，得出在不同温度下试样的复数模量G*、相位角δ、车辙因子(G*/sinδ)等指标。本文采用温度扫描模式对在40℃~88℃范围内进行测试，温度间隔为6℃，选取转子直径为25 mm，转子与DSR夹具的下平行板间隙控制在1 mm，扫描频率为10 rad/s。具体试验步骤见《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0628-2011试验方法。

3. 试验结果与分析

3.1. 针入度试验

针入度能够反映沥青的黏稠、软硬程度以及高温稳定性和低温抗裂性能，是我国划分沥青标号的指标。针入度越大，表明沥青越软，即高温性能不足。不同掺量的复合改性沥青的针入度如图1所示。从图1可以看出：不同掺量的复合改性沥青的针入度值皆小于BA和SBS，这表明复合改性沥青的高温稳定性优于BA和SBS。原因在于：脱硫胶粉、SBS改性剂会吸附沥青中轻质组分，发生溶胀反应。在高温高速剪切作用下，脱硫胶粉、SBS改性剂均匀地分散在沥青中，与沥青形成三维网络结构，这种网状结构限制了沥青的流动，沥青的粘稠度增大，针入度下降，表现为复合改性沥青变硬 [22]，高温稳定性增强。

当脱硫胶粉掺量一定时，随着SBS改性剂掺量的增加，复合改性沥青的针入度值逐渐减小，这说明添加SBS改性剂可以使其与沥青形成三维网络结构，有效地提高了复合改性沥青的高温稳定性。同理，添加脱硫胶粉也可以有效改善复合改性沥青的高温稳定性，但改善效果不如SBS改性剂明显。

3.2. 延度试验

延度既反映了沥青路面的低温抗裂性能，也间接反映了沥青的黏度和剪切敏感性。延度值越大，沥青塑性越好，低温性能越好。不同掺量的复合改性沥青的延度值和规范要求的复合改性沥青的延度值分别如图2和表3所示。

由图2可以看出：SBS改性剂和脱硫胶粉的加入显著提高了复合改性沥青的5℃延度值，这表明各掺量复合改性沥青的低温性能和塑性要远大于BA，并且接近SBS的水平。原因在于：低温条件下，沥青分子间的相互作用明显减弱，表现为基质沥青延度下降，而SBS改性剂在低温下依然具备良好的变形能力。受到外力作用时，虽然沥青变形能力不足，但是两种改性剂与沥青的网络交联结构可以沿着力的方向产生形变，同时脱硫胶粉的良好弹性有效地消散应力，SBS改性剂和脱硫胶粉将代替沥青成为形变的主要承受对象，因此沥青的延度随SBS改性剂、脱硫胶粉掺量增加不断增大。但当SBS改性剂、脱硫橡胶粉含量过大时会吸收沥青中过多的轻质组分，导致SBS和脱硫胶粉溶胀不充分，使复合改性沥青的低温延度有所下降 [22]。通过与表3和规范值相比，仅有R12、R15、R18这3种脱硫胶粉改性沥青和R12S1、R12S2这两种复合改性沥青不满足规范要求，其余大部分复合改性沥青均超过规范要求。

当SBS改性剂掺量一定时，随着脱硫胶粉掺量的增加，复合改性沥青的延度值逐渐增加，这说明添加脱硫胶粉可以有效地消散应力，使其代替沥青成为形变的主要承受对象，起到改善复合改性沥青低温性能的效果。同理，添加SBS改性剂也可使复合改性沥青的延度值有增大的趋势，但对其低温性能的改善不如脱硫胶粉明显。

3.3. 软化点试验

软化点所表征的是沥青的黏度、高温稳定性以及温度敏感性，是评价沥青性能的重要指标。在一定范围内，软化点越高表明沥青的高温稳定性越好。不同掺量的复合改性沥青的软化点如图3所示。从图3可以看到：各复合改性沥青的软化点均大于BA，这表明两种改性材料显著提高了复合改性沥青的高温稳定性。原因在于：在高温和高速剪切的共同作用下，SBS改性剂、脱硫胶粉被均匀地分散在沥青中，两种改性剂吸收轻质油分发生溶胀，导致沥青中胶质和沥青质的相对含量升高，使复合改性沥青更加黏稠，从而引起软化点升高 [22]。

其中，当脱硫胶粉掺量一定时，随着SBS改性剂的增加，复合改性沥青的软化点有逐渐增大的趋势，这表明添加SBS改性剂可以改善复合改性沥青的高温稳定性。而当SBS改性剂掺量一定时，随着脱硫胶粉掺量的增加，复合改性沥青的软化点呈现先降低后增加的趋势，并且SBS改性剂掺量一定，脱硫胶粉掺量为12%、18%的复合改性沥青的软化点相差不多。这说明脱硫胶粉掺量过多会导致其在沥青中溶胀不充分，无法充分发挥作用。若考虑经济因素，可以考虑选用脱硫胶粉掺量12%的复合改性沥青。

3.4. 布氏黏度试验

布氏黏度试验主要是测试沥青的高温性能和粘结性能。不同掺量的复合改性沥青分别在120℃、140℃、160℃、180℃下的黏度如图4所示。从图中可以看到：在脱硫胶粉(或SBS改性剂)掺量一定的情况下，随着SBS改性剂(或脱硫胶粉)掺量的增加，复合改性沥青在4种温度(120℃、140℃、160℃、180℃)下的旋转粘度都有不同程度的增大，其中120℃和140℃时的旋转粘度增幅比较明显，这表明加入两种改性材料后，沥青中胶质和沥青质含量增多，复合改性沥青更加黏稠，从而导致其粘结性增大，有效改善了沥青的高温性能。

复合改性沥青是一种典型的温度敏感型材料，由图中可以看到，当脱硫胶粉、SBS改性剂掺量一定时，随着温度的升高，各复合改性沥青的黏度逐渐下降，可以采用黏温指数(VTS)来进一步评价不同掺量下复合改性沥青的温度敏感性。

对黏度取双对数、开氏温度取对数进行线性分析，可以得到各掺量情况下的线性回归方程，其中回归方程斜率的绝对值便是黏温指数(VTS)。除针入度指数外，道路工程中常用黏温指数(VTS)评价沥青的温度敏感性，VTS值越小，说明黏度随温度的变化幅度越缓，则该复合改性沥青的感温性越好。不同掺量的复合改性沥青的黏温指数(VTS)如表4、图5所示。

由表4、图5可以看出，R12S3、R15S2、R18S1、R18S3这4组复合改性沥青的感温性较好。

3.5. 动态剪切流变试验

3.5.1. 复数剪切模量变化规律

复数剪切模量G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，包括两部分：实数部分储存弹性模量和虚数部分损失弹性模量。复数剪切模量G*表征了沥青抵抗变形的能力，其值越大，沥青抵抗变形的能力越强。不同掺量的复合改性沥青的复数剪切模量结果如表5所示。对复数剪切模量取对数，舍去下降幅度比SBS大的R12S1、R12S2、R15S1这3种复合改性沥青的曲线后，得到图6。

由图6可见，各复合改性沥青的复数剪切模量均随着温度的升高而逐渐降低，并且不同温度下的各复合改性沥青的复数剪切模量均大于BA，这表明复合改性沥青抵抗变形的能力和高温稳定性比BA更强。这是因为随着SBS改性剂、脱硫胶粉的加入，其与沥青之间形成网络交联结构，沥青中沥青质和胶质含量逐渐增多，黏度增大，导致复合改性沥青的高温性能变强，加之脱硫胶粉有良好的弹性，可有效抵抗变形。

与SBS相比，R12S3、R15S2、R15S3、R18S1、R18S2、R18S3这6种复合改性沥青的变化幅度相对较小，其高温稳定性和抵抗变形的能力要优于SBS，其中R18S3复合改性沥青的变化幅度最小，性能最优。

3.5.2. 相位角变化规律

相位角δ是由于材料粘性成分的影响，当对材料输入正弦应力与产生的正弦应变响应不同步，滞后一个角度而产生的。反映了沥青胶结料的弹性与粘性的成分比例。在高温条件下，δ越大，沥青黏性成分越大，反之δ越小，表明该材料弹性成分所占比例较大，即有较好的抵抗高温变形能力。不同掺量的复合改性沥青的相位角变化如图7所示。

由图7可见，相同温度下，不同掺量的复合改性沥青相位角不同，随着SBS改性剂、脱硫胶粉掺量的增加，相位角δ呈减小趋势。这说明SBS改性剂、脱硫胶粉在高温和剪切作用下均匀分散在沥青中，形成网络交联结构，限制了沥青的流动，并且脱硫胶粉具有一定的弹性，从而增强了复合改性沥青抵抗永久变形的能力。复合改性沥青的相位角δ显著小于BA，说明复合改性沥青比BA具有更好的弹性恢复性能。在低于64℃温度状态下，各复合改性沥青的弹性恢复能力高于SBS；当温度高于64℃时，R18S2和R18S3的高温弹性恢复性能与SBS相当。

3.5.3. 车辙因子变化规律

车辙因子G*/sinδ是沥青高温性能的评价指标，其值越大，沥青的高温抗车辙性能越强。不同掺量的复合改性沥青的车辙因子计算结果如表6所示。将车辙因子取对数，舍去变化幅度比SBS大的R12S1、R12S2、R15S1、R15S2这4种复合改性沥青的曲线后，得到图8。

由表6和图8可看出，各复合改性沥青的车辙因子均随温度的增加而逐渐减小。其中SBS和9种复合改性沥青的车辙因子比BA、R12、R15的车辙因子要高，说明复合改性沥青的高温稳定性要比BA、脱硫胶粉改性沥青的高温稳定性更强。原因在于：SBS改性剂、脱硫胶粉在高温和高速剪切的共同作用下被均匀分散在沥青中，可使沥青中胶质和沥青质含量增多，有利于在沥青内部形成三维网络结构，限制沥青的流动，从而增强沥青的高温稳定性，并且脱硫胶粉具有一定的弹性，可以消散应力、抵抗形变，有效增强了沥青的高温抗车辙能力。

与SBS相比可以发现：R12S3、R15S3、R18S1、R18S2、R18S3这5种复合改性沥青的变化幅度相对较小，其高温稳定性能比SBS更优。其中，R15S2复合改性沥青的高温稳定性能和SBS基本相当，R18S3复合改性沥青的高温稳定性能最优。

将车辙因子与温度进行拟合，分析各复合改性沥青的感温性，抗车辙因子随温度变化趋势可用如下公式表示：

$\frac{G\ast }{\sin \delta }=A{e}^{BT}$

式中：G*/sinδ为车辙因子，KPa；T为温度，℃；A、B为回归系数。

B的绝对值越小，表明复合改性沥青的感温性越小。不同复合改性沥青的抗车辙因子与温度回归结果见表7。

由表7可以看出，不同掺量的复合改性沥青的车辙因子的感温性不同。总体来看，在脱硫胶粉(或SBS改性剂)掺量一定的情况下，复合改性沥青抗车辙因子的感温性随着SBS改性剂(或脱硫胶粉)掺量的增加而减小。这说明在高温、高速剪切的作用下，添加两种改性剂可以使沥青内部的沥青质和胶质增多，促使在沥青内部形成三维网络结构，限制了沥青的流动，在降低沥青感温性的同时也增强了复合改性沥青的高温稳定性、抗永久变形能力。R12S3、R15S2、R18S1、R18S2、R18S3这5种复合改性沥青和SBS的感温性小，高温稳定性能优。

4. 结语

1) 采用脱硫胶粉、SBS改性剂改性的70#基质沥青，可使其针入度、相位角降低，软化点、延度、复数剪切模量、车辙因子增大，说明其高温稳定性能、低温性能、抗疲劳性能与70#基质沥青、SBS改性沥青、单掺脱硫胶粉改性沥青相比都得到了一定的改善，并且经改性后，其感温性降低。

2) 经过综合分析，在不考虑经济成本的情况下，脱硫胶粉掺量18%、SBS掺量3%的复合改性沥青性能最优；若考虑经济成本，则可采用脱硫胶粉掺量12%、SBS掺量3%或脱硫胶粉掺量15%、SBS掺量3%这两种复合改性沥青进行代替。

3) 在后续的研究中，可考虑采用沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)、老化试验(RTFOT)对复合改性沥青的低温性能、老化性能做进一步研究。

参考文献