關(guān)鍵詞：SBS改性劑 | 基質(zhì)瀝青 | 改性瀝青 | 高低溫性能

SBS改性瀝青的品質(zhì)受到基質(zhì)瀝青的化學組成、SBS的嵌段比、SBS的類型、SBS的添加量、化學添加劑的種類及用量等的影響，其中基質(zhì)瀝青化學組成與所添加的組分的相容性，是影響改性瀝青性能及其穩(wěn)定性的重要因素[1]。在瀝青四組分組成中，真正改善性質(zhì)的是芳香分(A)和膠質(zhì)(R),它們對SBS部分溶解，整個體系呈兩相結(jié)構(gòu)，改性效果明顯，而在瀝青全組分中，飽和分(S)起到非常重要的溶脹作用，沒有它的溶脹，聚合物在芳香分和膠質(zhì)的溶解性差，也起不到改性的效果[2]。

本研究選取四種不同油源的基質(zhì)瀝青，旨在通過考察基質(zhì)瀝青與SBS劑量對改性瀝青高、低溫性能的影響，為提高SBS改性瀝青的高、低溫性能提供建議。

試驗過程

試驗材料

本實驗選取的四種瀝青編號為：I、II、III、IV,其性質(zhì)如表1所示。聚合物選用編號為3501F的線型SBS,其性質(zhì)如表2所示。SBS的添加量分別為2.0%、3.0%、4.0%、5.0%,穩(wěn)定劑添加比例為0.25%。

試驗方法

本實驗中采用高速剪切機來制備SBS改性瀝青，方法如下：基質(zhì)瀝青加熱至180℃,將SBS加入到基質(zhì)瀝青中，高速剪切機以3000r/min的轉(zhuǎn)速剪切30min后加入穩(wěn)定劑，繼續(xù)剪切20min后再加入一次穩(wěn)定劑，繼續(xù)剪切20min后將轉(zhuǎn)速調(diào)至1000r/min,使其在該轉(zhuǎn)速下剪切1h后裝入器皿，等待后續(xù)測試。

測試方法

(1)常規(guī)測試SBS改性瀝青常規(guī)測試項目與方法如表3所示。

(2)流變分析原樣瀝青的動態(tài)剪切流變實驗(DSR),以車轍因子(G*/sinδ)作為評價瀝青高溫性能的指標，G*/sinδ越大，表示高溫抗yong久變形能力越強，即混合料的高溫穩(wěn)定性越好[3]。G*/sinδ中G*是動態(tài)剪切復數(shù)勁度模量，G*越大表示瀝青的抗流動變形能力越強；相位角δ是瀝青結(jié)合料的彈性(可恢復部分)與粘性(不可恢復部分)成分的比例指標。本次DSR實驗中，角頻率為10rad/s,剪變速率為12%。

BBR試驗采用彎曲蠕變勁度模量(S)和蠕變曲線的斜率(m)兩個參數(shù)來評價瀝青低溫抗裂性能。S表示瀝青抵抗荷載的能力，勁度模量S越小，則表示瀝青的低溫柔性越大；m表示蠕變勁度的變化速率，m值越大，則表示低溫應力越不易累積，瀝青路面不易發(fā)生低溫開裂，這兩個參數(shù)是建立在流變力學基礎上的，能充分反映溫度、時間對瀝青低溫流變性質(zhì)的影響。

結(jié)果與討論

SBS劑量與基質(zhì)瀝青組成對改性瀝青高溫性能的影響

(1)改性瀝青的軟化點根據(jù)實驗結(jié)果，繪制出了SBS改性瀝青的軟化點隨SBS劑量變化關(guān)系曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著SBS劑量的增加，四種不同基質(zhì)瀝青改性后的軟化點有相同的變化趨勢，但變化幅度不盡相同。SBS劑量由2.0%提高到3.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的軟化點分別提高了11，10，9，11.5℃;當劑量由3.0%提高到4.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的軟化點分別提高了21，16，23，26°C;當劑量由4.0%提高到5.0%時，I-SBS、II--SBS、III-SBS的軟化點分別提高了3，2，7，0.5℃，可以看出，四種基質(zhì)瀝青改性后的軟化點均在SBS劑量由3.0%提高到4.0%時增加zui快。

在較低SBS劑量下的改性瀝青體系中，瀝青為連續(xù)相，SBS為分散相，SBS會吸附瀝青中部分輕組分使其發(fā)生溶脹，這導致瀝青中小分子含量相對減少，同時，SBS的加入及溶脹也增加了瀝青分子的運動阻力，從而使改性瀝青的高溫穩(wěn)定性得以提高，但由于劑量比較低，SBS改性劑對瀝青小分子的吸附未充分發(fā)揮，而瀝青中仍有相對較多的小分子存在，這使得SBS改性劑與瀝青沒能達到穩(wěn)定的互鎖狀態(tài)；當隨著劑量增高，改性瀝青中SBS與瀝青的相態(tài)會發(fā)生變化，由瀝青為連續(xù)相，SBS為分散相的相態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為瀝青與SBS均為連續(xù)相，此狀態(tài)時，SBS的微相分離結(jié)構(gòu)作用得以充分發(fā)揮，其微區(qū)相互纏繞交聯(lián)形成互鎖的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使其作用效果zui好，此時軟化點的增長加快，表現(xiàn)在軟化點變化曲線上就是其曲線斜率增da；而當劑量繼續(xù)增加時，由于瀝青中能被吸附的小分子可能已被吸附穩(wěn)定，表現(xiàn)為軟化點的變化幅度降低。

就本實驗中改性瀝青軟化點的變化全程而言，其變化幅度順序為：III-SBS>IV-SBS>I-SBS>II-SBS,主要原因在于基質(zhì)瀝青性質(zhì)的差異，從圖1可以看出：I、II、III、IV四種基質(zhì)瀝青油分（包括飽和分與芳香分）含量從大到小的順序為III>I>IV>II,從這個現(xiàn)象基本可以看出，基質(zhì)瀝青中油分含量越多，改性瀝青的軟化點變化就越快，但瀝青是一個極度復雜的膠體體系，在制備改性瀝青中整個體系發(fā)生的某些變化很難得知，這可能就是導致IV-SBS軟化點大于I-SBS的原因所在。

結(jié)合圖1與表1可以看出，隨著基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)含量的增加，改性瀝青的軟化點隨之增da，這就說明，更高含量的瀝青質(zhì)可以使改性瀝青的高溫性能更好，但隨著SBS劑量的增加，這種表現(xiàn)則不是非常明顯。從圖1可以看出，SBS劑量在2.0%~3.0%范圍內(nèi)時，II-SBS的軟化點大于IV-SBS,而SBS劑量在4.0%~5.0%范圍內(nèi)時，IV-SBS的軟化點則大于II-SBS,這說明SBS在較低劑量時，基質(zhì)瀝青對改性瀝青高溫性能的影響zui突出，而SBS在較高劑量時，基質(zhì)瀝青對改性瀝青高溫性能的影響會逐漸減弱，改性劑的影響則逐漸加強。

(2)改性瀝青的G*/sinδ

張國強[4]等人通過對改性瀝青軟化點與車轍動穩(wěn)度之間相關(guān)性的分析，發(fā)現(xiàn)采用軟化點指標在評價改性瀝青高溫性能時，表現(xiàn)出一定的局限性。本文采用車轍因子(G*/sinδ)來進一步表征改性瀝青的高溫抗yong久變形能力，以G*/sinδ-T作圖，如圖2所示。

圖2中(a)-(d)分別表示I、II、III、IV四種基質(zhì)瀝青的SBS改性瀝青的車轍因子隨溫度變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出，當溫度升高時，四種基質(zhì)瀝青改性后的G*/sinδ表現(xiàn)出了相同的變化趨勢，均隨之減小，說明高溫能使改性瀝青的抗車轍能力下降，即溫度越高，改性瀝青的抗yong久變形能力越弱。同時，從圖2亦可看出，隨著SBS劑量的增加，G*/sinδ不斷增加，這表明，較高的SBS劑量對瀝青高溫抗車轍能力有更好的改善。

在試驗溫度范圍內(nèi)，車轍因子的對數(shù)值隨溫度基本呈線性變化，所以，在某一溫度下，改性瀝青的G*lsinδ隨SBS劑量的變化幅度能代表在該試驗溫度范圍內(nèi)的變化情況。從圖2中(a)~(d)可以看出，溫度為60℃,SBS劑量從2.0%提高到3.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的G*lsinδ分別增加了1410，1784，487，832Pa;當SBS劑扯由3.0%提高到4.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的G*/sinδ分別增加了1604，2266，848，1226Pa;當SBS劑量從4.0%提高到5.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的G*/sinδ分別增加了2786，3734，1696，1525Pa。從變化幅度數(shù)據(jù)可以看出，G*/sinδ在SBS劑董由4.0%提高到5.0%時變化幅度zui大。圖3展現(xiàn)出了在相同SBS添加劑量下，四種改性瀝青的G*/sinδ隨溫度變化的關(guān)系曲線，可以看出，在相同SBS添加劑量下，四種基質(zhì)瀝青改性后的G*/sinδ大小不同，從大到小的順序是II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III-SBS,對照基質(zhì)瀝青的四組分含量數(shù)據(jù)可以看出，基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)含量的增加，有利于改性后瀝青G*/sinδ的提高，高溫抗車轍能力增強。

SBS劑量與基質(zhì)瀝青組成對改性瀝青低溫性能的影響

(1)改性瀝青的低溫延度

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出了SBS改性瀝青5℃延度隨SBS劑量變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，隨SBS劑量的增加，四種基質(zhì)瀝青改性后，5℃延度均呈現(xiàn)增加趨勢，但增加幅度不盡相同。當SBS劑量在2%-3%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS在5℃時的延度分別增加了4，10，7，7cm;當SBS劑量從3.0%提高到4.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS在5℃時的延度分別增加了  1、2、15、4cm;當劑量從4.0%提高到5.0%時，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS在5℃時的延度分別增加了4，2，4，3cm,出現(xiàn)這種先大后小增幅的主要原因是SBS有較好的伸縮性能，少量的SBS在吸收瀝青輕組分后，能溶脹充分，并形成局部網(wǎng)絡。當有外力作用時，SBS與瀝青形成的網(wǎng)絡很容易伸展變形，降低切向應力，使縱向伸長，表現(xiàn)為延度很大。當SBS劑量增加時，網(wǎng)絡更加趨于發(fā)達，這使得抵抗外力的作用增強，但切向應力卻難于降低，所以隨著SBS劑量的增加，低溫延度卻沒有大幅度的增加。另一方面，從圖4可以看出，在相同SBS劑量下，不同基質(zhì)瀝青在改性后，5°C延度大小不同，其大小順序表現(xiàn)為：III-SBS>I-SBS>IV-SBS>II-SBS,而基質(zhì)瀝青中油分含量的順序為IIl>I>IV>II,可以看出油分含量越多，改性后瀝青的低溫延度越好。

(2)改性瀝青的勁度模量與m值

有研究表明測試0°C以下的瀝青延度比較困難，而0°C以上的延度與路面實際低溫相關(guān)性不強，認為較低溫度下的延度尚難以反映瀝青的低溫延展性[4]。另外，在前述試驗中，四組分中油分雖與改性瀝青的低溫延度有較好的相關(guān)性，但FuqiangDong等研究認為，基質(zhì)瀝青中芳烴含量過高或瀝青質(zhì)含量不足，會對改性瀝青單方面指標的改善有利，但整體性能卻沒有顯著提高芞本文對SBS改性后的瀝青進行了彎曲梁流變(BBR)試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，勁度模量(5)隨SBS劑量變化的關(guān)系曲線如圖5所示，m值隨SBS劑扯的變化關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5描述的是在特定溫度下，勁度模量隨SBS劑量的變化關(guān)系，從圖5可以看出，在不同的溫度下，勁度模量隨SBS的增加呈現(xiàn)相同的變化趨勢，均不斷減小。低溫時改性瀝青的勁度模扯大小順序均是：II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III--SBS,其中，勁度模量變化幅度zui大的是III-SBS，S表示瀝青抵抗荷載的能力，是結(jié)合料在相同溫度、相同荷載作用下的內(nèi)應力，S值越小，其低溫柔性越大。

圖6是在特定溫度下，m值隨SBS劑量的變化關(guān)系曲線圖，從圖6中可以看出，在不同的測試溫度下，當SBS劑量增加時，m值均不斷增加，在-12℃時，改性瀝青的m值大小順序為：III-SBS>I-SBS>IV-SBS>II-SBS,在溫度為-18°C時，m值的大小順序為：I-SBS>II-SBS>IV-SBS>III-SBS,而在溫度為-24°C時，m值的大小順序為：II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III-SBS。

如果材料在低溫下，S值小，m值大，則表明該材料的低溫性能好。低溫勁度小，說明結(jié)合料在相同溫度、相同荷載作用下，其內(nèi)應力較小。但即使內(nèi)應力小，如果不能通過變形及時松弛掉，則會在荷載的頻繁作用下產(chǎn)生應力的累積，而當累積的總應力超過結(jié)合料的低溫抗拉強度時，路面就會產(chǎn)生低溫開裂。綜上所述，四種基質(zhì)瀝青改性后瀝青的低溫性能優(yōu)劣順序為：II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III-SBS,可見，四組分中與低溫延度有較好正相關(guān)的油分含量并沒有與BBR試驗所得到的結(jié)果產(chǎn)生明顯的相關(guān)性。

結(jié)論

a) SBS劑量的增加，改性瀝青的高溫性能隨之增強，當SBS劑量在4.0%-5.0%范圍內(nèi)時，對瀝青的改性作用能夠充分發(fā)揮，因此，此階段改性瀝青高溫性能的改善zui突出。隨著基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)含量的增加，改性瀝青的高溫性能增強，基質(zhì)瀝青中油分含量越多，則軟化點增加速度越快。

b) 改性瀝青5°C延度隨SBS劑量的增加呈現(xiàn)先增加快后增加緩慢的變化趨勢，油分含量多的基質(zhì)瀝青低溫延度相對較好，即改性瀝青5°C延度隨著基質(zhì)瀝青中油分含量的增加而增加。但BBR試驗結(jié)果表明，油分越多的基質(zhì)瀝青在改性后其低溫性能并未表現(xiàn)出任何優(yōu)勢，BBR試驗結(jié)果與四組分中的油分含量并不存在相關(guān)性。

c) 通過流變測試發(fā)現(xiàn)，四種基質(zhì)瀝青改性后，高、低溫性能優(yōu)劣順序均為：II-SBS>I-SBS>V-SBS>III-SBS,可見，瀝青質(zhì)含量、油分含量以及膠質(zhì)含量分別在12wt%、75wt%、13wt%左右的基質(zhì)瀝青在經(jīng)過SBS改性后，高、低溫性能更好。

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[1]曹炳鋮,劉慶勛.SBS改性瀝青質(zhì)量影響因素分析及對策[J].石油瀝青,2014,28(05):63-68

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全文完 發(fā)布于《石油瀝青》2019年12月第33卷期 通訊作者：王勤芳，碩士研究生 

Matest-Pavetest的BBR是一種熱電型低溫瀝青彎曲梁流變儀，用于測試瀝青膠結(jié)料在室溫到-40℃的彎曲蠕變試驗。 荷載由微型伺服控制作動器施加，可施加+25N的負載，加載頻率可以從靜態(tài)到動態(tài)25Hz，無需配置空壓機供應壓縮空氣。瀝青彎曲梁流變儀通過伺服控制，不需要頻繁校準以及重復調(diào)節(jié)空氣軸承的壓力，只需輸入所需的荷載數(shù)值，伺服控制的作動器就會以難以置信的精度施加并保持所設定的荷載。使用安裝在設備正面的溫度控制器可以非常準確地控制溫度，用戶可以使用控制器或通過軟件設置浴溫。瀝青彎曲梁流變儀系統(tǒng)的核心是Matest-Pavetest的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（CDAS2）和（TestLab）軟件。

常規(guī)應用

?瀝青膠結(jié)料的彎曲蠕變試驗

?受荷載作用下的裂縫密封低溫特性

?滿足ASTM D6648、 AASHTO T313和SHRP瀝青試驗規(guī)范的瀝青膠結(jié)料低溫撓曲蠕變測試

產(chǎn)品特點

▍瀝青彎曲梁流變儀通過伺服控制的設計不需要經(jīng)常進行標定和反復調(diào)整空氣軸承的壓力

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▍不需要配套空壓機提供壓縮空氣

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▍設計了單獨的空氣 - 水熱交換器

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