不同濃度SBS改性瀝青老化規(guī)律研究

李 巍

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

基質(zhì)瀝青老化后，粘度增大，針入度減小，軟化點升高，低溫延度會下降，瀝青路面變硬，冬天處于較低溫度下易于開裂[1]。就瀝青本身性質(zhì)而言，瀝青來源不同，組分含量及分子結(jié)構(gòu)不同，油份對瀝青質(zhì)的膠溶能力不同，導(dǎo)致瀝青抗老化性能不同。而對于改性瀝青體系，由于不同的改性劑的摻入，改性劑吸收瀝青中的輕組分溶脹的能力不同，改性劑和瀝青的相容性不同，導(dǎo)致改性瀝青的老化形式較為復(fù)雜[2]。研究表明，改性瀝青的老化同時包括了改性劑的降解和瀝青的老化。因此，基質(zhì)瀝青自身的性質(zhì)必然會影響改性瀝青的老化，同時，改性劑加入量不同，助劑不同等，也會對改性瀝青的老化產(chǎn)生影響[3-4]。因此對改性瀝青的老化規(guī)律以及不同因素對其老化后的性能影響進(jìn)行研究。

1 實驗原料及其性質(zhì)

1.1 基質(zhì)瀝青

選擇在季凍區(qū)應(yīng)用較為廣泛的兩種道路重交石油瀝青為研究對象，分別為A瀝青和B瀝青。兩種瀝青的基本性質(zhì)見表1。

從表1可以看出，兩種瀝青的基本性質(zhì)相近，B低溫延度要稍大于A，而A的25℃針入度略大于B，且兩種瀝青的各項指標(biāo)都符合道路瀝青的相關(guān)指標(biāo)要求。從族組成上分析，A飽和分和膠質(zhì)的含量較高，而B芳香分和瀝青質(zhì)含量較高。

1.2 SBS改性劑的性質(zhì)

選用的改性劑是岳陽石化生產(chǎn)的星型SBS，其基本性質(zhì)如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本性質(zhì)

表2 星型SBS基本性質(zhì)

1.3 試驗方法

采用TFOT老化來模擬瀝青的短期老化。為了更全面地反映瀝青的抗老化性能，在TFOT標(biāo)準(zhǔn)時間5h的基礎(chǔ)上，延長老化時間到10h來研究延長老化時間對瀝青老化性質(zhì)的影響。此后，分別將短期老化5h、10h的樣品放入PAV中，在100℃、2.1MPa下老化20h，模擬瀝青在路面使用過程中8～10年的老化，老化結(jié)束取樣，再進(jìn)行各項性質(zhì)分析。

2 不同濃度SBS改性瀝青短期老化規(guī)律

2.1 軟化點的變化規(guī)律

軟化點是瀝青高溫穩(wěn)定性的表征。瀝青軟化點越高，則其高溫穩(wěn)定性能越好，抗車轍能力越強。圖1和圖2分別是兩種瀝青A、B不同濃度SBS改性瀝青短期老化5h和10h軟化點的變化圖。

圖1 不同濃度SBS A型改性瀝青短期老化軟化點變化圖

圖2 不同濃度SBS B型改性瀝青短期老化軟化點變化圖

從圖1和圖2可以看出：隨著SBS改性劑的加入，兩種瀝青的軟化點都升高，軟化點的增大速度也在變大，表明改性瀝青的高溫性能有所提高。當(dāng)SBS濃度相同時，B型改性瀝青的軟化點總是略高于A型改性瀝青，表明就高溫性能而言此種SBS對B型瀝青的改善效果要優(yōu)于A型瀝青，這主要是因為兩種瀝青組分含量、結(jié)構(gòu)等不同且瀝青與SBS的相容性不同導(dǎo)致的。

兩種基質(zhì)瀝青老化時，軟化點升高，老化時間延長軟化點繼續(xù)升高，且B型瀝青軟化點的變化要大于A型瀝青。但改性瀝青則呈現(xiàn)了不同的老化規(guī)律：當(dāng)SBS濃度較低(2%)時，A型改性瀝青的軟化點略有降低，隨著老化時間延長，軟化點又呈現(xiàn)變大的趨勢；而B型改性瀝青軟化點則隨老化的進(jìn)行呈現(xiàn)出一直變大的趨勢；當(dāng)SBS濃度為3.5%時，老化5h，兩種瀝青的軟化點都明顯降低，老化時間延長，軟化點又呈現(xiàn)出變大的趨勢；當(dāng)SBS濃度較高時(5%)，改性瀝青的軟化點則呈現(xiàn)一直變小的趨勢，在老化5h時減小很明顯，老化時間延長，軟化點減小速度變慢，特別是A型改性瀝青。

SBS的加入，改性瀝青老化后軟化點出現(xiàn)了不一樣的變化規(guī)律：SBS濃度低時，短期老化5h，改性瀝青軟化點有升有降，隨老化時間延長，軟化點又呈現(xiàn)增大趨勢，軟化點變化不大；當(dāng)SBS濃度較高時，短期老化5h時，瀝青的軟化點大幅降低，隨老化時間的延長，軟化點又出現(xiàn)小幅升高的趨勢，而當(dāng)SBS濃度為5%時，時間延長，軟化點繼續(xù)減小，但是變化速度也減小。

2.2 延度的變化規(guī)律

瀝青的低溫延度在一定程度上反映了瀝青的低溫狀態(tài)下的抗開裂能力。對于聚合物改性瀝青而言，聚合物在瀝青中分散均勻，形成網(wǎng)狀彈性結(jié)構(gòu)，改性瀝青具有較高的低溫延度，低溫性能良好。圖3和圖4分別是兩種瀝青A、B不同濃度SBS改性瀝青短期老化5h和10h延度的變化圖。

圖3 不同濃度SBS A型改性瀝青短期老化5℃延度變化圖

圖4 不同濃度SBS B型改性瀝青短期老化5℃延度變化圖

從圖3、圖4可以看出：在研究的濃度范圍內(nèi)，SBS濃度越高，改性瀝青的低溫延度越好，表明SBS的濃度越大，改性瀝青低溫性能越好。

A型基質(zhì)瀝青老化5h時，延度變?yōu)榱悖鳥型基質(zhì)瀝青相對而言仍有較好的延度，為4.4cm，老化10h時變?yōu)榱?，表明就低溫延度而言，B型瀝青的低溫性能優(yōu)于A型瀝青。改性瀝青短期老化5h時延度大幅度減小，雖然SBS不同，A型改性瀝青的降低幅度相近，但B型瀝青2%和5%時降低幅度較小，反而在3.5%時降低較明顯。老化時間延長延度的降低速度變慢，且SBS濃度低時，延度變化較小，當(dāng)SBS濃度較高時，延度變化較明顯。

2.3 針入度的變化規(guī)律

針入度是瀝青稠度的反映，也是劃分瀝青標(biāo)號的比較常用的指標(biāo)。研究表明，當(dāng)瀝青25℃時的針入度小于20時，路面會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的開裂，而當(dāng)其大于30時，具有較好的抗開裂性能。圖5和圖6分別是兩種瀝青A、B不同濃度SBS改性瀝青短期老化5h和10h針入度的變化圖。

圖5 不同濃度SBS A型改性瀝青短期老化25℃針入度變化圖

圖6 不同濃度SBS B型改性瀝青短期老化25℃針入度變化圖

由圖5和圖6可以看出：改性瀝青和基質(zhì)瀝青老化后，25℃針入度都減小，老化時間延長，針入度繼續(xù)減小。老化初期變化較明顯，隨老化時間延長減小幅度都變小。相對于基質(zhì)瀝青，改性瀝青老化針入度減小較慢。延長老化時間對基質(zhì)瀝青的影響要大于改性瀝青。

當(dāng)SBS濃度較低時，短期老化5h時針入度減小明顯，老化時間延長，針入度減小幅度仍較大；當(dāng)SBS為3.5%時，老化初期針入度減小明顯，特別是A型改性瀝青，針入度從71(0.1mm)變化到59(0.1mm)，老化時間延長，減小速度變慢。當(dāng)SBS處于高濃度時，A型改性瀝青的針入度隨老化時間延長變化較小，而B型瀝青的針入度初期變化較大，后期較小。

3 不同濃度SBS改性瀝青長期老化規(guī)律

將TFOT試驗后的殘余瀝青采用壓力老化儀(PAV)，在100℃、2.1MPa條件下老化20h模擬瀝青路面使用7～10年的老化[5]。將經(jīng)壓力老化試驗后的瀝青進(jìn)行軟化點、針入度等各項性質(zhì)測定。

3.1 軟化點的變化規(guī)律

圖7和圖8是兩種不同濃度SBS改性瀝青經(jīng)TFOT老化再PAV老化后軟化點的變化圖。

圖7 不同濃度SBS A型改性瀝青長期老化軟化點變化圖

圖8 不同濃度SBS B型改性瀝青長期老化軟化點變化圖

從圖7、圖8可以看出，無論是基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，軟化點相對于短期老化又呈現(xiàn)出變大的趨勢且變化較大，表明瀝青經(jīng)過長期老化后高溫性能相對于短期老化又有明顯提高；主要是因為PAV過程是在高溫高壓下進(jìn)行，伴隨熱氧老化，相對于短期老化的熱老化，老化程度比較深，瀝青老化和SBS降解都比較厲害，所以相對于短期老化其指標(biāo)變化較大。當(dāng)SBS濃度較低時，長期老化后瀝青軟化點大于原樣瀝青的軟化點，而當(dāng)SBS濃度較高時，老化瀝青的軟化點要低于原樣瀝青，表明當(dāng)SBS濃度高時，雖然其對瀝青的高溫性能有很好的改善，但由于SBS的老化也較嚴(yán)重，導(dǎo)致老化后的改性瀝青高溫性能要遜于原樣改性瀝青。

對于兩種不同濃度的改性瀝青，SBS濃度對其長期老化軟化點的影響不是很明顯，主要取決于改性瀝青短期老化后的軟化點，基本上是SBS濃度越高，老化后瀝青軟化點也越高。對于A型改性瀝青，當(dāng)?shù)蜐舛萐BS(如2%和3.5%)改性瀝青長期老化軟化點相對短期老化變化要小于高濃度(如5%)SBS改性瀝青的。而對于B型改性瀝青當(dāng)SBS濃度為3.5%時瀝青軟化點變化較大。

3.2 延度的變化規(guī)律

圖9和圖10是兩種不同濃度SBS改性瀝青經(jīng)TFOT以及PAV老化后5℃延度的變化圖。

圖9 不同濃度SBS A型改性瀝青長期老化延度5℃變化圖

圖10 不同濃度SBS B型改性瀝青長期老化5℃延度變化圖

從圖9和圖10可以看出：經(jīng)過PAV后瀝青的低溫延度大幅降低，當(dāng)SBS濃度較低時，瀝青的低溫延度都降為0，表明經(jīng)過PAV后瀝青的低溫抗裂性能大大下降。雖然當(dāng)SBS濃度相同時，A型改性瀝青的低溫延度要小于B型改性瀝青，但對于A型改性瀝青只有當(dāng)SBS濃度為5%時經(jīng)過PAV后還有一定的延度，而3.5%的SBS B型改性瀝青經(jīng)PAV后仍有較好的低溫性能，表明原樣B型改性瀝青低溫性能不如A型改性瀝青，但是其老化后的低溫性能要優(yōu)于A型改性瀝青。

3.3 針入度的變化規(guī)律

圖11和圖12是兩種不同濃度改性瀝青經(jīng)TFOT以及PAV后25℃針入度的變化規(guī)律圖。

圖11 不同濃度SBS A型改性瀝青長期老化針入度(25℃)變化圖

圖12 不同濃度SBS B型改性瀝青長期老化針入度(25℃)變化圖

圖11和圖12表明：經(jīng)過PAV后無論是基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，瀝青的25℃針入度都明顯降低，表明瀝青的稠度明顯升高，仔細(xì)比較會發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青下降的幅度要大于改性瀝青，表明改性瀝青的抗老化性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青。雖然SBS濃度不同，但是經(jīng)過PAV后改性瀝青的針入度很接近，且和基質(zhì)瀝青老化后的針入度接近，表明經(jīng)過長期老化后，改性瀝青的針入度基本上是趨于一個定值。

4 總結(jié)

(1)相同SBS改性劑對不同品種瀝青性能改善效果不同，這是瀝青組分含量、結(jié)構(gòu)及其與SBS的相容性不同所導(dǎo)致的。

(2)改性瀝青的老化不僅存在著瀝青的老化，同時也存在著聚合物的降解。改性劑在一定程度上抑制或者分擔(dān)了瀝青的老化，其老化指標(biāo)變化要小于基質(zhì)瀝青，SBS濃度越高時這種作用越明顯。

(3)基質(zhì)瀝青老化時，軟化點升高，老化時間延長軟化點繼續(xù)升高，且B瀝青軟化點的變化要大于A瀝青；對于改性瀝青，短期老化后，聚合物降解，結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致瀝青的軟化點呈現(xiàn)不同變化規(guī)律。對于基質(zhì)瀝青短期老化時間延長對長期老化影響較大。而對于改性瀝青短期老化時間延長對其長期老化軟化點基本沒有影響。

(4)改性瀝青和基質(zhì)瀝青在老化后延度都下降，導(dǎo)致瀝青的低溫抗裂性能降低，老化時間延長，瀝青延度繼續(xù)下降；對于改性瀝青，SBS濃度越高，改性瀝青的低溫延度越好，表明SBS的濃度越大，改性瀝青低溫性能越好，就低溫延度而言，B瀝青的低溫性能優(yōu)于A瀝青；延長短期老化時間對改性瀝青長期老化后低溫延度的影響不大。

(5)改性瀝青和基質(zhì)瀝青老化后，25℃針入度都減小，老化時間延長，針入度繼續(xù)減小。老化初期變化較明顯，隨老化時間延長減小幅度都變小。相對于基質(zhì)瀝青，改性瀝青老化針入度減小較慢。延長老化時間對基質(zhì)瀝青的影響要大于改性瀝青。