隆艷梅

摘要：文章通過紅外分析、組分分析及DSC熱分析闡述了SBS改性瀝青的機理，分析了影響SBS改性瀝青工程性能的主要因素，并通過抗老化試驗研究了SBS改性瀝青的劈裂強度與SBS改性劑用量之間存在的對應(yīng)關(guān)系。試驗結(jié)果表明，當SBS改性劑用量在合理范圍內(nèi)時，可提高瀝青結(jié)構(gòu)的抗老化能力。

SBS;改性瀝青;抗老化試驗;改性劑

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)交通領(lǐng)域的工程也在加速推進，高速公路的總通車里程在逐年增加，為各地區(qū)的建設(shè)提供了重要保障。當前高速公路的路面多為瀝青結(jié)構(gòu)，這是由瀝青特有的耐用性等工程特點所決定的。然而，瀝青路面經(jīng)過長時間在環(huán)境中的暴露以及常年往復(fù)的車輛荷載作用后，會發(fā)生不同程度的開裂、結(jié)構(gòu)破壞等問題，對瀝青路面的使用壽命和行車安全性帶來了一定影響。通過對國內(nèi)多條高速公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行調(diào)研后可知，抗老化能力不足導(dǎo)致了高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的一系列質(zhì)量和安全問題。因此，研究瀝青結(jié)構(gòu)機理和抗老化性能具有重要意義[1]。

1 SBS改性瀝青機理分析

1.1 SBS改性瀝青制備

制備過程中選用AS70#基質(zhì)瀝青，石灰?guī)r作為集料，細石灰石粉作為礦粉，確保該型號基質(zhì)瀝青的各項參數(shù)滿足制備工藝要求。混合料級配如表1所示。

時間定為30min，SBS線型改性劑含量為5.0%[2]。SBS改性瀝青制備工藝流程如圖1所示。

1.2 紅外分析

工程應(yīng)用中通常使用紅外吸收光譜來分析改性瀝青的機理，包括瀝青改性前后的物理和化學(xué)特性。本試驗中采用了波數(shù)為500～4000cm的紅外吸收方案，通過率測定為120%以內(nèi)，通過紅外吸收光譜來分析瀝青改性前后的物化機理。瀝青改性前后的紅外吸收光譜對比如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)過改性后的瀝青比基質(zhì)瀝青多出兩個吸收峰，分別在780.5cm和920.3cm位置。通過對該紅外吸收光譜進行分析可知，920.3cm位置處于RCH=CH2中C-H鍵振動峰，而本次試驗所用到的苯乙烯等改性劑中均含有RCH=CH2結(jié)構(gòu)，而780.5cm位置的吸收峰屬于苯環(huán)代替C-H鍵的振動峰。因此，瀝青在SBS改性之后，其分子化學(xué)結(jié)構(gòu)和特性并沒有改變，即改性過程主要是物理改性[3]。

1.3 組分分析

從理論上講，改性劑能夠改善基質(zhì)瀝青的各類性能指標是基于改性劑對基質(zhì)瀝青組分的改變。為更加直觀地分析改性劑所引起的基質(zhì)瀝青組分的變化，試驗中選取了幾類主要的瀝青組分進行對比分析，包括飽和分、芳香分以及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)。上述四組分在加入改性劑后的變化情況如表2所示。

由表2中數(shù)據(jù)可知，改性劑使得基質(zhì)瀝青的四組分發(fā)生較為顯著的變化，具體情況如下：飽和分減少，芳香分變化不大，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)均有一定程度的增加，且膠質(zhì)增加效果更為明顯，表明飽和分和SBS具有較好的兼容性，可良好滲入到SBS內(nèi)部。而在四組分的實際測量中發(fā)現(xiàn)，無法將滲入到SBS中的飽和分沖洗掉，且改性后的飽和分大量減少，因此溶脹后SBS極性十分接近瀝青膠質(zhì)[4]。

1.4 DSC熱分析

DSC（DifferentialScanningCalorimeter）熱分析又被稱為差示掃描量熱法，通過相應(yīng)的程序?qū)囟冗M行控制，以測量試樣、參比物功率差和溫度之間的變化關(guān)系生成DSC動態(tài)曲線，依據(jù)測量方式的不同可分為功率補償型和熱流型DSC。由于參比物在試驗環(huán)境中不存在相態(tài)變化，因此，試樣在設(shè)定程序所控制的溫度條件下，其內(nèi)部將發(fā)生物理、化學(xué)變化，進而吸收一定的熱量，熱量的吸收差值在DSC曲線上顯示為曲線峰，通過峰值和基線具體位置，能夠求出峰值的實際面積。瀝青屬于一種較為復(fù)雜的混合物，其固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的相對比例將隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化。由于固態(tài)和液態(tài)的分子間作用力有一定差異，使得瀝青物理性質(zhì)發(fā)生改變，進而引起物理力學(xué)特性的變化[5]。

2 SBS改性瀝青性能影響因素分析

2.1 存放時間因素

存放時間將影響改性瀝青的性能（軟化點）?？蓪Ρ戎苯尤雍驮谑覝貤l件下存放一段時間的改性瀝青，一般存放時間為12h，通過對比兩種情況下的軟化點變化情況進而分析改性瀝青的性能。改性瀝青的制備工藝以及軟化點測量結(jié)果如表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可知，基質(zhì)瀝青在改性后的軟化點有所升高，且軟化點隨著剪切轉(zhuǎn)速的增加而升高;另一方面，在任意剪切轉(zhuǎn)速情況下的軟化點都隨著存放時間的增加而降低，且軟化點的對比差值隨剪切轉(zhuǎn)速的增加而變大。上述現(xiàn)象充分說明瀝青本體結(jié)構(gòu)是以瀝青膠質(zhì)為主要組成部分，膠質(zhì)與周圍物質(zhì)共同形成膠束，以此分散于芳香分及飽和分共同組成的介質(zhì)中。改性后的瀝青聚合物粒度較小且表面具有較高的能量，可在輕質(zhì)組分的作用下發(fā)生溶脹現(xiàn)象，從而降低瀝青結(jié)構(gòu)的表面能，生成一種新的吸附層。因此，改性過程中發(fā)生的溶脹和吸附現(xiàn)象可使瀝青本體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，增強了瀝青的凝膠特性。

2.2 加工條件因素

使用混合高剪切機械進行SBS改性瀝青制備時，在剪切時間不變的情況下，當增加剪切頻率時，改性劑離散的效果較好、粒度較小、接觸表面積更大。此時改性聚合物將吸收并吸附更多瀝青組分，使表面能顯著降低，最終使改性聚合物膠質(zhì)與瀝青本體膠質(zhì)間的距離變小，且彼此間作用力變大，使改性后所形成的三維網(wǎng)狀式結(jié)構(gòu)性能更為發(fā)達。該結(jié)構(gòu)對于瀝青結(jié)構(gòu)分子的移動、形變等可起到有效的約束作用，增大了改性瀝青結(jié)構(gòu)的軟化點。另外，在瀝青改性加工過程中，較高溫度對于聚合物粒度的溶脹也具有促進作用，并可提高聚合物和瀝青膠質(zhì)間的兼容性。

3 SBS改性瀝青抗老化試驗研究

3.1 劈裂試驗

通過劈裂試驗可綜合判斷瀝青老化各階段中SBS改性瀝青的劈裂強度，分析SBS改性劑用量對SBS改性瀝青抗老化性能的具體影響。SBS改性瀝青劈裂試驗數(shù)據(jù)如圖3所示。圖3中展示了SBS改性瀝青在老化前、短期老化以及中長期老化各階段的劈裂試驗數(shù)據(jù)，SBS用量范圍是1.0%～5.0%，測定的劈裂強度范圍是1.1～1.5MPa。

3.2 試驗結(jié)果分析

由圖3可知，無論是短期老化還是中長期老化過程，SBS改性瀝青的劈裂強度均大幅度提高，例如SBS改性劑用量為3%時，老化前瀝青混合料的劈裂強度為1.16MPa，經(jīng)過短期老化后的瀝青混合料的劈裂強度為1.25MPa，經(jīng)過中長期老化后，瀝青混合料的劈裂強度達到1.35MPa，即在經(jīng)過短期老化和中長期老化后，瀝青混合料的劈裂強度分別增加了0.09MPa和0.10MPa，增加率分別是7.76%和8%。主要是由于在短期和中長期老化過程中，瀝青膠質(zhì)中的輕質(zhì)組分在不斷揮發(fā)，使得瀝青質(zhì)的相對含量顯著增加，瀝青結(jié)構(gòu)的整體剛度和強度也得以增加，因此形成較大的劈裂強度。當SBS改性劑用量超過臨界值（4.0%）時，如果繼續(xù)增加則會使瀝青混合料的劈裂強度降低，SBS用量為4.0%時瀝青混合料老化后劈裂強度達到了峰值，約為1.37MPa，此時SBS改性瀝青結(jié)構(gòu)的抗老化能力最強。

4 結(jié)語

SBS改性瀝青在制備過程中對于SBS改性劑的用量、瀝青混合料的級配等具有嚴格的要求，SBS改性劑用量通?？刂圃?.0%以內(nèi)。本文使用了高速剪切方法進行SBS改性瀝青的制備，討論了存放時間和加工條件對于SBS改性瀝青性能的影響。劈裂試驗可良好反映SBS改性瀝青的抗老化能力，其中主要衡量老化前、短期老化和中長期老化過程中SBS改性瀝青的劈裂強度。試驗結(jié)果證明，在同等SBS改性劑用量情況下，SBS改性瀝青的劈裂強度隨著老化時間的增加而變大。而在同一階段的老化過程中，當SBS改性劑用量在4.0%以下時，SBS改性瀝青的劈裂強度隨改性劑用量的增加而變大;但當改性劑用量超過4.0%時，SBS改性瀝青的劈裂強度卻隨之變小。說明改性劑用量在合理范圍內(nèi)時，可提高SBS改性瀝青結(jié)構(gòu)的抗老化能力。

參考文獻：

[1]祝 偉.SBS摻量對改性瀝青混合料路用性能的影響[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]王 嵐，王子豪，李 超.多聚磷酸改性瀝青老化前后高溫流變性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2017，34（7）：1610-1616.

[3]馬慶豐，辛 雪，范維玉，等.多聚磷酸改性瀝青流變性能及改性機制研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，39（6）：165-170.

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