沥青路面以其行驶舒适和便于养护维修在我国高速路面里程中占据主导地位^[1]。然而，随着全球变暖和交通荷载的日益繁重，沥青路面的各类病害呈上升趋势^[2]，路面养护和维修的费用持续增加^[3]。沥青路面的众多病害如车辙、裂缝、坑槽等与混合料的性能密切相关。而沥青混合料是由石料、沥青、填料、空隙组成的复合材料,沥青混合料的性能取决于各组成部分各自的性能和相互作用^[4]。尤其是沥青混合料的低温性能，80%由沥青的低温性能决定。因此，为改善沥青的各项性能，国内外开发出众多改性沥青。随着汽车的普及，废旧轮胎引发的环境问题几乎困扰着所有汽车大国。我国废旧轮胎的总量也逐年暴涨^[5]。橡胶粉改性沥青可大量消耗废旧轮胎。橡胶粉改性沥青耐疲劳^[6]、耐老化、降低噪声，低温性能好^{[7, 8, 9]}，橡胶粉改性沥青在沥青混合料高温性能方面表现优异^[10]。SBS改性沥青温度稳定性好，明显改善基质沥青的高低温性能，降低沥青的温度敏感性，增强耐老化疲劳性能。但是SBS改性沥青相对于树脂类改性沥青高温性能较差，相对于橡胶类改性沥青低温性能较差。为拓宽SBS改性沥青温度使用范围，李军^[11]、王涛^[12]通过复合改性的方法，在SBS改性剂的基础上掺加PE改性剂或废品塑料，研究表明复合改性沥青的高温性能和低温性能均达到表现良好。

从国内外橡胶粉改性技术研究成果来看，传统的橡胶沥青主要采用两种加工方式^{[13, 14, 15, 16]}，干法和湿法制备。近年来的研究^{[17, 18, 19, 20]}表明，工厂化加工工艺可进一步提高橡胶粉改性沥青的高温稳定性，实现静止储存和运输过程中不沉淀、不离析。这种工厂化生产方式，从工艺角度讲在传统橡胶沥青基础上采用胶体磨或高速剪切设备进行二次剪切加工。工厂化方法生产的橡胶粉改性沥青性能评价及质量控制较为关键，但目前橡胶粉改性沥青的性能评价指标体系尚不统一。为此，本文首先分析橡胶粉/SBS复合改性沥青工厂化生产工艺参数对其性能的影响，提出合理的工艺参数范围；并结合季冻区的气候特点推荐指标合理取值范围；最后对混合料的路用性能加以验证。本研究可为橡胶粉/SBS复合改性沥青在季冻区的大规模应用提供依据。

试验所用基质沥青为辽河90^#基质沥青，软化点44.5 ℃，针入度90(0.1 mm)，15 ℃延度>100 cm。废旧轮胎橡胶粉的生产厂家为山东滨州丰华橡胶厂，其组成见表 1。SBS采用中国石化集团巴陵石化公司生产的YH-791型SBS改性剂，性能指标见表 2。

本文中橡胶粉/SBS复合改性沥青的软化点、延度、弹性恢复等基本性能均按照JTG—2011《公路工程沥青基沥青混合料试验规程测试》。橡胶粉/SBS复合改性沥青的PG分级试验采用动态剪切流变仪(DSR)、低温弯曲梁流变仪(BBR)，参照SHPR试验方法进行试验。

胶体磨法是目前国际上较先进的也是最常用的改性沥青生产方法，橡胶粉/SBS复合改性沥青工厂化生产采用美国进口道维施DALWORTH胶体磨，该设备具有独特的“内齿型”结构的定子和转子，同时具有高速剪切及高度研磨的双重功能，可将橡胶粉及SBS改性剂和基质沥青从胶体磨的转子和定子组成的缝隙中通过，在高速剪磨力的作用下，将改性剂粉碎细化后的粒径更小，同时均匀地分散在基质沥青中，从而成为稳定的橡胶粉/SBS复合改性沥青体系。

橡胶粉/SBS复合改性沥青工厂化生产工艺总体分为改性剂溶胀、分散磨细、继续发育3个阶段，工艺流程如图 1所示。

(1)溶胀

将基质沥青升温从储存罐中打入预混罐，保持温度180~190 ℃，然后通过计量系统和物料添加系统投入橡胶粉、SBS改性剂及添加剂，边加料，边搅拌，进行溶胀，直至达到预定质量。

(2)研磨

启动胶体磨，将混合好的物料一次性通过美国DALWORTH胶体磨研磨，然后泵送到沥青成品罐，若橡胶粉颗粒过粗可选择二次过磨。

(3)发育

在必要的温度下将经过研磨分散后的复合改性沥青在发育罐中存放适当时间，使具有相当活力轻质油分渗透到改性剂中或具有相当活力的稳定剂分子与改性剂及沥青硬组分发生键合，从而达到改善沥青技术性能和防止离析的目的。

图 1 美国DALWORTH橡胶改性沥青生产工艺流程 Fig. 1 Production process of American DALWORTH rubber modified asphalt

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目前，改性沥青路用性能评价方法主要有3类：(1)采用常规性能指标(针入度、软化点、延度、黏度等)的变化程度来衡量；(2)路用性能PG分级；(3)评价不同改性沥青品种的专用指标，如弹性恢复、离析试验、黏韧性试验、测力延度试验等。表 3总结了美国和我国采用的橡胶粉改性沥青技术标准^{[21, 22, 23, 24, 25, 26]}，可以看出，弹性恢复和黏度是评价橡胶沥青的核心指标，此外，软化点、针入度也是常用的评价指标。

本文既采用传统的针入度分级直接反映橡胶粉/SBS复合改性沥青的质量，控制其加工工艺；同时，也应用PG分级控制改性沥青性能。

在确定橡胶粉/SBS复合改性沥青PG分级时，首先对不同配方的橡胶粉/SBS复合改性沥青进行动态剪切流变试验(DSR)确定高温等级，然后对经旋转薄膜烘箱(RTFOT)短期老化和压力老化箱(PAV)长期老化的沥青残留物进行低温弯曲梁流变试验(BBR)，划分低温等级。不同橡胶粉及SBS掺量的沥青结合料PG分级结果见表 4。

从表 3的结果可以看出，随着橡胶粉掺量的增加，其高温等级有所提高，低温等级有所降低。当SBS掺量为2.0%，橡胶粉掺量为20%时，其PG等级达到82-28，比SBS改性沥青PG70-28高温高出2个等级，比基质沥青PG58-22高温高出4个等级，低温低1个等级。

目前季冻地区工程实践表明，采用SBS改性沥青的部分路段在极端气候频发，重载车辆日益增多的情况下，也出现了较为严重的病害。因此，用于季冻区的橡胶粉/SBS复合改性沥青的高低温性能要优于SBS改性沥青。基于此，本文推荐季冻区橡胶粉/SBS复合改性沥青PG等级为82-28。

参考国内外橡胶沥青评价标准要求^{[21, 22, 23, 24, 25, 26]}，结合室内试验结果以及季冻区气候特点和实际需求，推荐了满足季冻地区道路使用的工厂化橡胶粉/SBS改性沥青的技术指标，见表 5。

在相同工艺和配方下，对采用细度分别为30，40，60，80目橡胶粉同掺量(20%)下制作的改性沥青试样性能进行测试，图 2~图 4为各指标随橡胶细度的变化趋势图。

图 2 软化点变化图 Fig. 2 Curve of softening point

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图 3 黏度变化图 Fig. 3 Curve of viscosity

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图 4 离析指标变化图 Fig. 4 Curve of separation index

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试验研究表明，高温状态下，橡胶粉越细，越容易在沥青中混合、溶胀，反应时间缩短，但过细的胶粉在高温沥青中容易被消化或油化，使橡胶粉沥青过早失去黏性，失去了改性的作用，同时大幅度增加生产成本。从上述指标可以看出，橡胶粉细度控制在40目~60目时，沥青黏度最佳，软化点较高，稳定性较好，因此推荐橡胶粉细度控制在40~60目。

橡胶粉掺量对橡胶粉改性沥青性能有着直接的影响。目前，关于橡胶粉掺量问题还没能达到共识，美国材料与试验协会规定橡胶沥青中橡胶粉掺量至少要占总量的15%，而美国亚利桑那州橡胶沥青规范中第1009—2.02条规定橡胶沥青至少应含有基质沥青重量20%的橡胶粉。本文对SBS掺量为0%，橡胶粉掺量分别为11%，14%，17%，20%，23%和26%的橡胶粉改性沥青的性能指标进行对比试验。表 6为橡胶粉掺量对改性沥青性能指标的影响趋势。

表 5表明，在橡胶粉细度及制备条件不变的情况下，软化点、黏度、弹性恢复等指标均随橡胶粉掺量的增加而增大。当橡胶粉掺量较小时，黏度增加较为缓和，掺量从20%增为23%，橡胶粉改性沥青黏度增加为75%，而掺量为23%~26%时，黏度增加仅23.8%，趋势减缓。在橡胶粉掺量为20%~23%时，弹性恢复随着橡胶粉掺量增加幅度较大。随着橡胶粉掺量增加，软化点差总体呈现下降的趋势。综上可知，提高橡胶粉掺量可改善复合改性沥青性能指标。综合考虑性价比以及季冻地区气候特点、交通重载条件对改性沥青的要求，推荐橡胶粉/SBS复合改性沥青中胶粉掺量不低于20%。

测定SBS掺量分别为1.5%，2.0%，2.5%和3.0%的橡胶粉/SBS复合改性沥青的软化点、黏度、弹性恢复,见图 5、图 6。结果表明，随着SBS掺量增加，同一橡胶粉掺量下的复合改性沥青的软化点、黏度都有不同程度的增加。已有施工经验表明，橡胶粉改性沥青高温黏度在2.0~2.5 Pa·s范围内性能表现较优越。当SBS掺量达到2%，软化点和黏度已达到较高值，综合考虑经济性，推荐橡胶粉/SBS复合改性沥青中SBS掺量不小于2.0%。

图 5 软化点变化图 Fig. 5 Curve of softening point

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图 6 黏度变化图 Fig. 6 Curve of viscosity

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选定SBS掺量2%，橡胶粉掺量20%，细度为40目。选取4种不同的SBS掺加方式：(1)同时掺加，过磨发育；(2)先加SBS，再加橡胶粉过磨发育；(3)先加SBS，过磨发育后，加橡胶粉二次过磨发育；(4)橡胶粉与SBS分别发育后混合。试验结果见表 7。可以看出，添加方式(3)和(4)各指标较优越，但方式(4)比(3)稍难控制。当SBS和橡胶粉都完全发育好后再次混合，两者都已处于指标的衰减期，所以指标稳定性稍差。而添加方式(3)先加入SBS，发育后SBS可以在沥青中吸收轻组分膨胀而在二者相互之间形成网络交联的结构；再掺加的橡胶粉对沥青多余轻质组分进行吸附膨胀，增加沥青的稠度，即可稳定地控制质量指标。

黏度指标是评价橡胶粉/SBS复合改性沥青的关键指标，以细度40目、橡胶粉掺量20%为例分析发育温度对改性沥青性能的影响，3种发育温度不同时间节点的黏度值如表 8所示。

可以看出，在不同发育温度下，发育时间为60 min 左右沥青中的橡胶粉处于脱硫降解和溶胀的平衡状态，黏度接近最大值。当温度为180 ℃时，发育时间在60~90 min之间，黏度最稳定，其他两个温度只持续很短时间的峰值，就立即进入快速衰减状态。为此推荐发育温度为175~185 ℃，发育时间为60~90 min。

在传统的橡胶粉改性沥青体系中，橡胶粉和基质沥青属于热力学不相容体系，改性剂在基质沥青中主要是物理分散状态，以微小的颗粒分布于沥青介质中，呈两相结构，在高温条件下，由于橡胶粉颗粒与基质沥青的密度差异而发生离析，为此存储稳定性较差。而在橡胶粉/SBS复合改性沥青体系中，改性剂和沥青的密度大小顺序是：橡胶粉颗粒>沥青>SBS，首先，通过橡胶粉的充分溶胀，吸收沥青中的轻质组分而使体积膨胀，从而缩小橡胶粉颗粒与沥青之间的密度差，降低离析发生的可能；其次，橡胶粉颗粒、沥青和SBS在稳定剂的作用下发生键合形成立体网络结构，在化学意义上提高改性剂与沥青组分结合的作用，同时SBS在沥青中形成的网络结构能使橡胶粉颗粒的流动性变差，阻止橡胶粉颗粒在沥青中的下沉，进而解决复合改性沥青的储存稳定性问题。

为了验证工厂化生产的橡胶粉/SBS复合改性沥青的热稳定性，采用德国耐驰仪器制造有限公司STA 449F 3的差热分析仪对辽河90^#沥青、橡胶粉改性沥青和橡胶粉/SBS复合改性沥青在25~220 ℃区间内进行差热扫描，结果见图 7。

图 7 橡胶粉/SBS复合改性沥青DSC图 Fig. 7 DSC curves of crumb rubber/SBS composite modified asphalt

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图 7中^[1]，^[2]，^[3]曲线分别为橡胶粉改性沥青、基质沥青和橡胶粉/SBS复合改性沥青的DSC曲线。可以看出：(1)橡胶粉改性沥青和橡胶粉/SBS复合改性沥青的DSC曲线相对较平，明显的吸收峰变化，几乎可以忽略，说明两种改性沥青的热稳定性得到了提高；(2)与基质沥青和橡胶粉改性沥青相比，加入SBS后，DSC曲线上吸热峰面积和峰值减小，由此得出，橡胶粉/SBS复合改性沥青体系储存稳定性优势更为明显。

选用3种沥青作为胶结料，分别为SBS改性沥青(5%)，橡胶粉改性沥青(20%)、橡胶粉/SBS复合改性沥青(20%橡胶粉，2%SBS)，不同结合料下沥青混合料采用相近级配，见表 9。混合料的油石比、体积指标见表 10。

为合理评价橡胶粉/SBS复合改性对沥青混合料路用性能的影响，通过汉堡车辙试验、低温冻断试验及疲劳试验进行高温性能、低温性能、疲劳性能进行研究。

汉堡车辙试验成型采用线性揉搓的压实方式，与实际施工时的压实方式更为接近，且对集料的损伤很小。汉堡车辙试件尺寸为250 mm×300 mm×60 mm，空隙率控制在(6±1)%，试验温度60 ℃。通过试验轮往复运动20 000次的辙痕深度评价沥青混合料的抗车辙性能，更能够反映沥青混合料在极端气候条件和重载作用下的高温性能,试验结果如表 11所示,表明橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料AC-20抵抗车辙能力远优于其他两种沥青混合料。

低温冻断试验是模拟路面实际降温过程中混合料的受力状况。本研究采用沥青混合料冻断试验装置，该装置在一个能模拟沥青路面温度变化的环境箱内，固定矩形棱柱体试件两端，在保持其固定端的间距不变的条件下降低试件的环境温度，直至试件断裂，测出试件的温度-应力曲线，由断裂温度、断裂强度、温度-应力曲线斜率等指标评价沥青混合料的低温性能。

约束应力试验仪由温控箱、冻断试验机、量测系统、控制器、采集装置、软件及计算机组成，见图 8。该试验装置能够在3 μm精度范围内控制试件的长度不变，其允许沥青混合料的最大变形量为4 cm；温度测量精度为0.25 ℃；力测试精度为10 N；环境箱温度控制精度为±0.5 ℃，可绘制温度-应力曲线。采用旋转压实仪成型圆柱形试件高20 cm，直径15 cm，待试件冷却钻孔取直径5 cm芯样。试验中芯样放置在冻断试验机内，见图 9。

图 8 冻断试验设备图 Fig. 8 Low temperature fracture test facility

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图 9 试验后断裂试件 Fig. 9 Specimen after test

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3种沥青混合料芯样的冻断试验结果见表 12。橡胶粉改性和橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的冻断温度可达-37 ℃以下，明显优于SBS改性沥青混合料。

对吉林省近10年气象资料调查显示，处于重冻地区的白城等地年极端最低气温为-35 ℃，而室内试验中，采用橡胶粉/SBS复合改性的混合料在温度不低于-35 ℃条件下不产生断裂病害。由此表明，采用橡胶粉改性沥青可提高沥青混合料在极端低温条件下的抗裂性能，有助于改善沥青路面使用性能，延长路面使用寿命。

目前沥青混合料疲劳的试验方法众多，包括旋转法、扭转法、简支三点法或四点弯曲法、悬臂梁弯曲法、弹性基础梁弯曲法、直接拉伸法、间接拉伸法、三轴压力法、拉-压法和剪切法等。每一种方法都有优缺点。四点弯曲疲劳试验对沥青类型变化敏感度最好，且可操作性强，因此研究中采用四点弯曲法对沥青混合料的疲劳性能进行试验研究。

为保证试验的精确性，采用动态伺服液压材料试验机(UTM)进行试验检测。首先采用振动轮碾成型设备制作尺寸为400 mm×300 mm×80 mm的大型车辙试件，而后切割成小梁试件，尺寸为63 mm×50 mm×400 mm。

研究显示，在应变控制的疲劳试验过程中，沥青混合料的应力应变状态更符合沥青路面的实际情况，试验得出的弯拉应变与疲劳寿命之间的关系便于应用，因此试验应变控制模式。启动疲劳试验，读取第100个加载循环时劲度模量作为试件的初始劲度模量。当所测得的劲度模量下降至初始劲度模量的40%或加载周期超过1 000 000次时，试验自动停止。表 13是沥青混合料疲劳性能检测结果。可以看出，橡胶粉改性沥青混合料的抗疲劳性能要优于SBS改性沥青，橡胶粉SBS复合改性沥青对沥青混合料疲劳性能的改善效果要优于橡胶单一改性沥青。

综上所述，汉堡车辙试验、低温冻断试验和疲劳试验结果表明橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的高温、低温和疲劳性能均表现优异，适用于季冻地区。

本研究针对季冻区的气候特点提出橡胶粉/SBS复合改性沥青的评价指标和范围；对影响其路用性能的工厂化工艺参数开展了敏感性分析。最后对季冻区橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的路用性能与单一改性沥青混合料进行了试验对比分析，得到如下结论：

(1)提出了采用PG分级以及针入度分级双重指标体系控制季冻地区道路使用的工厂化橡胶粉/SBS改性沥青质量，并推荐了指标取值范围。

(2)综合路用性能和经济性，推荐季冻地区的橡胶粉/SBS改性沥青等级至少达到PG82-28。此时，建议SBS掺量不低于2%，橡胶粉掺量不低于20%。

(3)提高橡胶粉掺量有利于改善橡胶粉改性沥青的软化点、黏度、弹性恢复等性能指标。

(4)橡胶粉细度对改性沥青的性能影响较为显著，推荐用于改性沥青的橡胶粉细度以40~60目为宜。根据合理施工黏度范围确定了合理的发育温度为175~185 ℃，发育时间为60~90 min。

(5)从理论及试验角度说明了橡胶粉/SBS复合改性沥青体系的热稳定性优于橡胶粉单一改性沥青。

(6)综合高温、低温和疲劳的室内试验结果可以看出，橡胶粉/SBS复合改性沥青相对于单一改性沥青在路用性能上优势明显，应用于公路工程沥青面层中有助于延长沥青路面的使用寿命。