SBS改性瀝青老化性能分析

田偉民

(江蘇省溧陽(yáng)市公路管理處，江蘇 溧陽(yáng) 213300)

0 引言

改性瀝青作為現(xiàn)代交通尤其是高等級(jí)道路材料，可以很有效增強(qiáng)路面的抗害能力，同時(shí)大大延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)周期，減少養(yǎng)護(hù)工作量和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。丁二烯—苯乙烯—丁二烯共聚物(SBS)被公認(rèn)為是最為理想的改性劑，它與瀝青具有良好的相容性并形成非常微細(xì)的分散體系，具有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，兼有較好的高溫性能和低溫性能，能同時(shí)改善瀝青的高溫、低溫性能和抗老化性能[1]。因此，SBS改性瀝青是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的改性瀝青。然而，SBS改性瀝青在生產(chǎn)及長(zhǎng)期使用過(guò)程中，會(huì)受到各種自然因素，如氧、溫度、水、紫外線以及車輛荷載等的作用，發(fā)生一系列的揮發(fā)、氧化、聚合，乃至內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致瀝青的性質(zhì)逐漸發(fā)生變化(老化)[2]。對(duì)于基質(zhì)瀝青的老化，有關(guān)學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，成功分析了瀝青老化的影響因素、評(píng)價(jià)指標(biāo)，揭示了瀝青老化機(jī)理[3-5]。然而，對(duì)于國(guó)內(nèi)大量使用的改性瀝青的老化規(guī)律及其影響因素還有待于進(jìn)一步深入的研究與探討。因此，本文對(duì)SBS改性瀝青的性能老化規(guī)律進(jìn)行深入分析，為進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)SBS改性瀝青老化機(jī)理，提高其耐久性提供有力參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選取AH90號(hào)基質(zhì)瀝青，進(jìn)行SBS改性得到SBS70號(hào)改性瀝青，為了進(jìn)行更有效的對(duì)比分析，同時(shí)選取AH70號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)分析。

為了直觀有效的對(duì)比評(píng)價(jià)SBS改性瀝青老化后的性能變化規(guī)律，對(duì)選用的AH90基質(zhì)瀝青及其相應(yīng)的SBS改性瀝青SBS70，以及與改性瀝青處于同一針入度級(jí)別的AH70基質(zhì)瀝青，進(jìn)行RTFOT短期老化(RT)和PAV壓力長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，壓力老化時(shí)間分別取 5 h(P5 h)，10 h(P10 h)，20 h(P20 h)，30 h(P30 h)，并對(duì)原樣瀝青(Ori)和不同老化階段(RT，P5 h，P10 h，P20 h，P30 h)的瀝青試樣進(jìn)行性能測(cè)定。

為了系統(tǒng)全面評(píng)價(jià)SBS改性瀝青的老化性能，分別采用常規(guī)性能指標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)包括針入度，軟化點(diǎn)，延度和彈性恢復(fù)，以及SHRP性能指標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)包括粘度試驗(yàn)，DSR試驗(yàn)以及BBR試驗(yàn)對(duì)老化瀝青進(jìn)行性能測(cè)試分析。

2 常規(guī)性能指標(biāo)變化規(guī)律分析

首先對(duì)瀝青試樣在不同老化階段的包括針入度、軟化點(diǎn)及延度在內(nèi)的瀝青三大指標(biāo)以及彈性恢復(fù)性能進(jìn)行測(cè)試。相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1中各指標(biāo)的變化情況可以看出:

1)改性瀝青與基質(zhì)瀝青具有相似的性能老化規(guī)律，隨著老化的進(jìn)行，針入度減小，軟化點(diǎn)增大，延度及彈性恢復(fù)均減小，而各指標(biāo)的衰變速率隨老化時(shí)間逐漸減緩，表明改性瀝青中基質(zhì)瀝青的老化應(yīng)該是導(dǎo)致改性瀝青老化的主導(dǎo)因素;

2)基本上在整個(gè)老化過(guò)程中，改性瀝青在各指標(biāo)所表征的性能絕對(duì)值上均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，同時(shí)各性能指標(biāo)的衰變速率均弱于基質(zhì)瀝青，表明改性瀝青不僅具有優(yōu)于基質(zhì)瀝青的使用性能，同時(shí)具有更好的抗老化性能;

3)隨著老化深度的不斷增加，改性瀝青性能逐漸的趨近于基質(zhì)瀝青，尤其是在5℃延度和彈性恢復(fù)兩個(gè)指標(biāo)中得到了更充分的體現(xiàn)，隨著老化的進(jìn)行，改性瀝青優(yōu)良的低溫延度變形特性不斷喪失，而其彈性恢復(fù)衰變速率甚至超過(guò)了基質(zhì)瀝青，表明對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)起主導(dǎo)改善作用的SBS改性劑在老化作用下也在逐步失效劣化。

3 SHRP性能指標(biāo)變化規(guī)律

結(jié)合SHRP瀝青結(jié)合料測(cè)試方法，通過(guò)布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)(RV)，動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)測(cè)試得到不同瀝青及相應(yīng)的不同老化階段的135℃粘度，70℃高溫車轍因子G*/sinδ，-18℃低溫蠕變勁度S和蠕變勁度變化速率m。通過(guò)各指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)一步對(duì)比分析改性瀝青老化性能變化規(guī)律。盡管與常規(guī)性能指標(biāo)相比，SHRP性能指標(biāo)在測(cè)試與應(yīng)用過(guò)程中被賦予了更多的與實(shí)際使用溫度相關(guān)聯(lián)的含義，但是單就指標(biāo)本身的變化程度而言，不同老化深度的性能指標(biāo)的對(duì)比仍然能夠反映出老化對(duì)瀝青性能的影響規(guī)律。相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

可以看出，圖2中SHRP性能指標(biāo)所反映的瀝青老化規(guī)律基本可以得到與常規(guī)性能指標(biāo)類似的結(jié)論:隨著老化的不斷進(jìn)行，粘度及車轍因子不斷增加，低溫勁度S不斷增大的同時(shí)，蠕變速率m不斷減小，表明老化后瀝青高溫性能進(jìn)一步增強(qiáng)但是低溫性能則表現(xiàn)為劣化。結(jié)合前述的常規(guī)性能指標(biāo)分析以及相關(guān)研究結(jié)論[6]，可以認(rèn)為瀝青相在改性瀝青與基質(zhì)瀝青中以相同的方式老化。

而從不同老化階段各指標(biāo)與原樣瀝青的變化比值可以看出，改性瀝青的指標(biāo)變化或衰變速率明顯小于基質(zhì)瀝青，表明改性劑的存在大大提高了改性瀝青的抗老化性能。

基于SBS改性瀝青的改性機(jī)理[7]，SBS在瀝青中形成的趨于連續(xù)相的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)基質(zhì)瀝青性能影響非常明顯，尤其是對(duì)高溫性能的影響要比瀝青相大得多，這一點(diǎn)可以從基質(zhì)瀝青和改性瀝青原樣瀝青粘度及車轍因子的測(cè)試結(jié)果對(duì)比中看出，可以認(rèn)為兩種指標(biāo)能夠在一定程度上反映SBS改性劑的影響。

由于改性瀝青中基質(zhì)瀝青相也在不斷老化，因此，單純從圖2a)和圖2c)的粘度及車轍因子的測(cè)試結(jié)果難以完全判斷出兩種指標(biāo)的增長(zhǎng)是由于基質(zhì)瀝青老化還是改性劑與基質(zhì)瀝青相的相互作用增強(qiáng)所造成。但從圖2b)和圖2d)中兩種指標(biāo)的增長(zhǎng)速率可以看出，改性瀝青的增長(zhǎng)速率明顯小于基質(zhì)瀝青，尤其是在PAV老化后期表現(xiàn)的更加明顯，結(jié)合前述的延度及彈性恢復(fù)變化規(guī)律分析及SBS改性機(jī)理，可以認(rèn)為，造成這一現(xiàn)象的主體原因應(yīng)該是SBS改性劑老化造成其形成的優(yōu)良結(jié)構(gòu)被破壞。而結(jié)合相關(guān)研究[8]，SBS改性劑作為一種聚合物，受熱老化作用重組成的較小顆粒以及發(fā)生的亞結(jié)構(gòu)變化存在于改性瀝青中會(huì)造成改性瀝青稠度的進(jìn)一步增長(zhǎng)，因此改性瀝青仍然會(huì)表現(xiàn)出高于老化基質(zhì)瀝青的粘度及車轍因子。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)常規(guī)性能試驗(yàn)和SHRP性能試驗(yàn)對(duì)SBS改性瀝青的性能老化規(guī)律進(jìn)行了深入分析。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):SBS改性劑的加入能夠有效改善基質(zhì)瀝青的使用性能;SBS改性瀝青具有與基質(zhì)瀝青類似的老化規(guī)律，表現(xiàn)為高溫性能的改善和低溫性能的劣化，表明其性能老化仍然受其中的基質(zhì)瀝青影響;但是相同老化因素作用下，其老化程度明顯較基質(zhì)瀝青低，表明其中的SBS改性劑發(fā)揮了抗老化作用;然而隨著老化的不斷進(jìn)行，SBS改性劑也會(huì)出現(xiàn)劣化，導(dǎo)致SBS改性瀝青性能劣化，失去原有的改性性能。因此，SBS改性劑的老化由其中的基質(zhì)瀝青老化和SBS改性劑劣化共同組成，與此同時(shí)基質(zhì)瀝青和SBS改性劑之間的相互保護(hù)作用延緩了其老化速度，起到了提高耐久性的作用。

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