SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)方法

陳 松，裴曉光，劉榮博

(中海油煉油化工科學(xué)研究院(北京)有限公司，山東 青島 266500)

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)是瀝青生產(chǎn)常用的改性劑之一，目前我國(guó)SBS改性瀝青在改性瀝青生產(chǎn)總量中的比例可達(dá)50%以上[1]。SBS是一種具有兩相分離結(jié)構(gòu)的熱塑性彈性體，它具有-80℃和80℃兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[2]。當(dāng)溫度介于兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之間時(shí)，材料表現(xiàn)為橡膠的特征，因此具有很好的韌性和拉伸強(qiáng)度[3-5]，改善瀝青的工作域范圍，提高高、低溫使用性能。

目前我國(guó)大多數(shù)SBS改性瀝青質(zhì)量指標(biāo)評(píng)價(jià)方法來(lái)源于歐美國(guó)家制定的規(guī)范，針對(duì)我國(guó)SBS改性瀝青產(chǎn)品缺少大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)來(lái)關(guān)聯(lián)這些質(zhì)量指標(biāo)與混合料路用性能評(píng)價(jià)的結(jié)果，部分企業(yè)為了使產(chǎn)品達(dá)到較高的級(jí)別而添加大量的助劑，破壞了改性瀝青穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，雖然在一定程度上提高了瀝青的等級(jí)，但是對(duì)改善混合料的性能沒有任何益處，同時(shí)SBS改性瀝青是一個(gè)復(fù)雜的體系，它的性能一方面受到改性劑類型、摻量以及基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)、組成成分的共同影響，另一方面也受到制作工藝以及微觀結(jié)構(gòu)的影響，因此，如何能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)改性瀝青性能指標(biāo)是一件非常重要的工作[6-8]。

綜上所述，本文針對(duì)目前常用于評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料低溫性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法、工作原理、檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行介紹，以期在科研與生產(chǎn)中能夠獲得相對(duì)準(zhǔn)確的低溫性能評(píng)價(jià)方法。

1 低溫針入度

針入度值測(cè)試是一種經(jīng)驗(yàn)性的方法，反映瀝青黏稠程度的實(shí)驗(yàn)。相同環(huán)境溫度下，針入度越大，表示瀝青柔軟，相應(yīng)材料勁度越低，瀝青路面產(chǎn)生裂縫的幾率越小。研究結(jié)果表明，在低溫度條件下，如：-5℃、5℃、15℃以及25℃范圍內(nèi)，針入度與瀝青路面低溫開裂性能有著密切的關(guān)系，其中脆點(diǎn)與5℃針入度相關(guān)性如下：

脆點(diǎn)溫度=0.72×P5℃，100g,5s+18.2

雖然低溫條件下，針入度與路面低溫開裂性能存在相關(guān)性，但是在實(shí)際應(yīng)用中，受到操作者熟練程度等因素的制約，在較低試驗(yàn)溫度下測(cè)量瀝青針入度存在著一定困難，并且針入度的測(cè)定僅僅是經(jīng)驗(yàn)性的條件試驗(yàn)，并不能夠反映瀝青材料的本質(zhì)特征，所以將其作為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能方法的應(yīng)用越來(lái)越少[9]。

2 低溫延度

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中反映SBS改性瀝青低溫抗開裂性能的指標(biāo)是5℃延度，但據(jù)研究表明，以5℃延度來(lái)表示瀝青低溫性能存在一定的不足：首先，我國(guó)現(xiàn)行瀝青標(biāo)準(zhǔn)所采用的低溫試驗(yàn)溫度與寒冷地區(qū)的實(shí)際環(huán)境溫度差距較大；其次，路面溫縮開裂一定程度上也受到瀝青在服務(wù)年限內(nèi)逐漸老化所產(chǎn)生的影響，所以用原樣瀝青的5℃延度不能真實(shí)表征SBS改性瀝青的低溫變形能力；再者，溫度下降時(shí)瀝青材料的塑性急劇下降，脆性顯著增強(qiáng)，變形適應(yīng)能力減弱，從而表現(xiàn)出較差的抗裂能力[10-11]。荷載產(chǎn)生的變形超過(guò)瀝青材料的自身變形能力時(shí)，瀝青路面就會(huì)開裂破壞，但瀝青材料低溫受力時(shí)極限變形量是很小的，而且環(huán)境溫度越低，極限應(yīng)變急劇減小，并不是延度所反映的宏觀變形[12]。

3 測(cè)力延度

利用測(cè)力延度考察SBS改性瀝青的粘韌性，能夠反映瀝青膠結(jié)料的低溫抗開裂性能，從試驗(yàn)結(jié)果可知，在較短的形變范圍內(nèi)由于有改性劑的存在，使得瀝青分子的鏈狀結(jié)構(gòu)緊固，分子之間的粘結(jié)力較基質(zhì)瀝青增大許多；當(dāng)改性瀝青試樣開始受到荷載作用時(shí)首先要發(fā)生彈性變形，這個(gè)距離很短，通常為2～8mm，隨著形變的進(jìn)一步增加，荷載增加，當(dāng)荷載繼續(xù)增大出現(xiàn)峰值時(shí)，瀝青試樣就出現(xiàn)微損傷，此時(shí)改性劑開始起主要作用，之后荷載開始減小，直至瀝青拉斷時(shí)變?yōu)榱鉡13-15]。上述過(guò)程可以通過(guò)測(cè)力延度儀來(lái)記錄，繪制出測(cè)力延度工作曲線，如圖1所示。

圖1 測(cè)力延度儀工作曲線

通過(guò)計(jì)算可以得到SBS改性瀝青拉伸柔度、基質(zhì)瀝青當(dāng)量勁度、SBS當(dāng)量勁度、屈服應(yīng)變能、韌性比等一系列參數(shù)，文獻(xiàn)中指出，其與SHRP中反映瀝青低溫性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性較高，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，也能夠反映出材料本身的力學(xué)性質(zhì)，但試驗(yàn)過(guò)程中同樣沒有考慮老化對(duì)瀝青性質(zhì)的影響[6,16-17]。

4 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

對(duì)于高分子聚合物，常采用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度來(lái)表征其低溫性能。瀝青經(jīng)過(guò)SBS改性后，認(rèn)為屬于高分子聚合物，其模量-溫度曲線可以分為4個(gè)區(qū)域：玻璃態(tài)區(qū)域、玻璃態(tài)-橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)域、橡膠平臺(tái)區(qū)域和流動(dòng)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 不同粘彈行為區(qū)域的模量-溫度關(guān)系

對(duì)于改性瀝青，其服役溫度經(jīng)歷了從玻璃態(tài)到流動(dòng)態(tài)的整個(gè)過(guò)程。在低溫下，希望其具有良好的流動(dòng)性和變形能力，即瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度)，表征了瀝青低溫性能的好壞。該溫度越低越好，最理想的狀態(tài)是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小于瀝青的最低服役溫度，這樣在整個(gè)服役溫度內(nèi)瀝青都具有良好的變形能力，能夠松弛掉因溫度降低而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，減少低溫裂縫的產(chǎn)生，因而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度具有明確的物理意義，能夠表征改性瀝青低溫性能的好壞，也能夠區(qū)別不同改性瀝青低溫性能間的差別，適合于評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能[18]。

5 低溫勁度、松弛性能

瀝青路面低溫開裂與瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能密切相關(guān)，Superpave瀝青結(jié)合料規(guī)范中將瀝青的勁度模量和松弛性能(勁度模量隨時(shí)間變化的斜率m)作為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的核心指標(biāo)，采用彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)來(lái)測(cè)試瀝青膠結(jié)料的低溫流變性質(zhì)。將老化后的瀝青進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，使用蠕變勁度和荷載作用時(shí)瀝青勁度隨時(shí)間的變化率兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映溫度、時(shí)間對(duì)瀝青低溫流變性質(zhì)的影響。在低溫下，將瀝青視為彈性體，如果材料的蠕變勁度太大，則呈現(xiàn)脆性，路面易開裂，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中考慮了路面服役過(guò)程中的光、熱老化作用[7]。

1954年荷蘭人范得普開用經(jīng)驗(yàn)常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)嚴(yán)格的理論計(jì)算，利用兩個(gè)不同溫度下的針入度和軟化點(diǎn)，通過(guò)諾模圖，求得作為溫度和時(shí)間函數(shù)的勁度模量。國(guó)內(nèi)湖南大學(xué)曾夢(mèng)瀾等人在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化并得出了基于常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的瀝青勁度模量的理論模型[19-20]。

張智強(qiáng)等[12]為了研究SBS改性瀝青的低溫抗裂特性，采用數(shù)值分析方法中的拉格朗日線性插值的方法來(lái)求其低溫分級(jí)臨界溫度，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用物理意義上共存共混方法制備得到的SBS改性瀝青，其低溫等級(jí)基本保持在基質(zhì)瀝青的低溫等級(jí)上，即從流變學(xué)的意義上來(lái)說(shuō)，未能將不同種類SBS改性瀝青的低溫性能區(qū)分開。

欒自勝等[21]對(duì)五種SBS改性瀝青進(jìn)行流變性能試驗(yàn)，分別得到瀝青的勁度模量、模量變化率，并計(jì)算得到了低溫等級(jí)溫度，通過(guò)與延度的對(duì)比，認(rèn)為用低溫等級(jí)溫度評(píng)價(jià)SBS改性瀝青低溫性能更加合理?，F(xiàn)有Superpave性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，在于相鄰低溫性能分級(jí)溫度間隔為6℃，有些情況下難以區(qū)分改性瀝青低溫性能差異。

根據(jù)不同溫度下流變性能試驗(yàn)得到的勁度模量(S)和蠕變斜率(m)，可以按照l(shuí)og(S)=a1+b1T和log(m)=a2+b2T回歸后分別得到臨界溫度TL(S)和TL(m)，其中TL(S)為S=300MPa時(shí)確定的低溫臨界溫度，TL(m)為m=0.3時(shí)確定的低溫臨界溫度，并根據(jù)Superpave性能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，得出S<300MPa且m>0.3時(shí)的低溫等級(jí)溫度TLC。一般瀝青低溫勁度S越小，松弛速率m越大，則表明材料的低溫性能好，低溫等級(jí)溫度TLC正好同時(shí)體現(xiàn)了這兩方面的含義。通過(guò)8組瀝青結(jié)合料的低溫等級(jí)溫度TLC的測(cè)定，其中5組由蠕變速率m確定，3組由勁度模量S確定，故蠕變速率m對(duì)瀝青路面低溫開裂的影響比蠕變勁度S更顯著，也表明瀝青的松弛性能對(duì)其低溫性能更加重要。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)性試驗(yàn)如低溫針入度、低溫延度等，存在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的困難，測(cè)試結(jié)果難以準(zhǔn)確的反映出實(shí)際路用性能，已不適合作為SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)的手段；

(2)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度能夠反映瀝青的低溫性能，但是對(duì)SBS改性瀝青玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)試方法有多種，并且得到的是一個(gè)范圍，作為瀝青常規(guī)性能評(píng)價(jià)手段，不易實(shí)現(xiàn)；

(3)瀝青的低溫勁度、松弛性能是目前評(píng)價(jià)低溫性能最有效指標(biāo)，但是對(duì)于SBS改性瀝青來(lái)說(shuō)，能否有效區(qū)分出低溫性能的優(yōu)劣還需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究進(jìn)行考察。

參考文獻(xiàn)

[1]賈 娟.改性瀝青高溫性能評(píng)價(jià)及其應(yīng)用的研究[D].廣州:華南理工大學(xué)博士論文,2005.

[2]王 鵬,王立志,任瑞波,等.基于動(dòng)態(tài)剪切流變的瀝青高溫性能評(píng)價(jià)[J].石油瀝青,2011,25(5):36-40.

[3]付海英,謝雷東,虞 鳴,等.SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變性能評(píng)價(jià)的研究[J].公路交通科技,2005,22(12):9-12.

[4] 陳 平,吳 超.SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)[J].公路,2006,1(1):175-178.

[5]歐陽(yáng)君,孫大權(quán),章 毅.基于流變性能的SBS改性瀝青老化動(dòng)力性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(3):411-414.

[6]李志棟,黃曉明,侯曙光,等.應(yīng)用測(cè)力延度試驗(yàn)評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能[J].公路交通科技,2005,22(5):17-20.

[7]蘇巨峰.改性瀝青膠漿性能評(píng)價(jià)[J].山西交通科技,2012,1(5):10-12.

[8]盛代龍,王 璐.SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)灰關(guān)聯(lián)熵分析[J].華東公路,2013(2):31-32.

[9]陳華鑫,李曉明,王秉綱.瀝青低溫性能評(píng)價(jià)方法研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,21(9):385-387.

[10]蔣麗華,周本岳.基質(zhì)瀝青對(duì)SBS改性瀝青性能的影響[J].石油瀝青,2013,27(1):13-16.

[11]楊晨光,林 杰,陳忠達(dá).SBS改性瀝青低溫性能研究[J].山西建筑,2013,39(32):101-102.

[12]張智強(qiáng),周進(jìn)川,饒梟宇.SBS對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能改善效果研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(3):89-92.

[13]郭淑華,曾 贅.聚合物對(duì)改性瀝青性能影響的綜合評(píng)價(jià)[J].公路交通科技,2003,20(3):5-9.

[14]李志棟,侯曙光,黃曉明.SBR改性瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)[J].石油瀝青,2004,18(2):30-34.

[15]王 濤.聚合物改性瀝青流變特性研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東),2007.

[16]侯曙光,黃曉明.利用韌性比指標(biāo)進(jìn)行改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)[J].公路交通科技,2007,24(11):44-47.

[17]汪雙杰,臺(tái)電倉(cāng).改性瀝青結(jié)合料低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,27(3):25-30.

[18]曹麗萍,譚憶秋,董澤蛟,等.應(yīng)用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度評(píng)價(jià)SBS改性瀝青低溫性能[J].中國(guó)公學(xué)報(bào),2006,19(2):1-6.

[19]康兆興,苑瑞星,郭 杰.SBS改性瀝青低溫勁度模量研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(4):381-385.

[20]曾夢(mèng)瀾,李 潔,黃 冰,等.基于常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的瀝青勁度模量一般公式表達(dá)[J].中南公路工程,2004,29(1):45-50.

[21]欒自勝,雷軍旗,屈 仆,等.SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):15-18.