溫拌劑Sasobit對(duì)SBR改性瀝青短期老化后性能的影響

楊侶珍

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132)

瀝青作為一種黏彈性材料，其性能主要受環(huán)境溫度的影響。隨著溫度的降低，瀝青會(huì)變硬變脆，勁度增加，延展性變差，表現(xiàn)出彈性固體的行為，在外界荷載的作用下，極易發(fā)生開(kāi)裂。因此，瀝青路面的低溫開(kāi)裂是中國(guó)北方以及高寒地區(qū)極易出現(xiàn)的路面病害。

將聚合物丁苯橡膠(SBR)用于普通瀝青的改性以達(dá)到改善其抵抗低溫開(kāi)裂的能力已被較廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)際中。原因在于SBR是由丁二烯與苯乙烯共聚得到的高聚物，其綜合性能較好，強(qiáng)度較高、延伸率大，抗磨性和耐寒性亦較好，由其制備出的SBR改性瀝青低溫性能非常好。此外，SBR與瀝青之間相容性較好，基本不存在離析問(wèn)題。盡管SBR能夠明顯改善瀝青的低溫性能，但是SBR改性瀝青的低溫延度受熱氧老化的影響大，短期熱氧老化后SBR改性瀝青的低溫延度明顯降低，制約著SBR改性瀝青改性效果的充分發(fā)揮。

與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料不同，溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt, WMA)技術(shù)通過(guò)降低瀝青在給定溫度下的黏度，從而達(dá)到有效降低瀝青混合料的拌和及壓實(shí)溫度的目的。在實(shí)現(xiàn)溫拌的方法中，添加Sasobit溫拌劑是應(yīng)用較廣泛的一種。Sasobit是煤氣化過(guò)程中生產(chǎn)的長(zhǎng)鏈脂肪族烴，是一種固體石蠟，其熔點(diǎn)約為100 ℃。在超過(guò)其熔點(diǎn)的溫度時(shí)，Sasobit可完全溶于加熱后的瀝青膠結(jié)料中，從而降低瀝青的黏度，進(jìn)而降低瀝青的拌和溫度。溫拌技術(shù)對(duì)瀝青混合料拌和及壓實(shí)溫度的降低不僅有利于降低能耗、減少環(huán)境污染，還可以減少瀝青在拌和及鋪筑過(guò)程中受熱氧老化的影響。這一效果恰好與SBR改性瀝青需減少短期熱氧老化對(duì)其性能的影響高度契合。

基于此，該文將研究添加Sasobit溫拌劑對(duì)SBR改性瀝青短期老化后性能的影響，為SBR改性瀝青提供有效的抗短期熱氧老化措施。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

表1 70#基質(zhì)瀝青的基本物理性質(zhì)

表2 SBR的基本性質(zhì)

表3 Sasobit的基本指標(biāo)

1.2 瀝青制備

摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的制備過(guò)程：首先將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，再將3%的SBR加入基質(zhì)瀝青中，在160 ℃、4 000 r/min的條件下高速剪切40 min，制得SBR改性瀝青；然后再向SBR改性瀝青中摻入4%的Sasobit顆粒，在160 ℃、2 000 r/min的條件下剪切30 min，制得摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青。作為空白樣，未加溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青也經(jīng)歷上述相同的制備過(guò)程。

1.3 瀝青老化

試驗(yàn)室一般采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)或薄膜烘箱(TFO)試驗(yàn)來(lái)模擬瀝青膠結(jié)料在拌和及攤鋪過(guò)程中所發(fā)生的短期熱氧老化。兩種老化試驗(yàn)的溫度都規(guī)定為163 ℃。然而，該溫度的設(shè)定與瀝青膠結(jié)料在拌和及攤鋪過(guò)程中所受的實(shí)際老化條件并不十分相符，尤其是對(duì)于聚合物改性瀝青。因此，為了更好地模擬瀝青膠結(jié)料的短期熱氧老化，該文根據(jù)等黏度原則，將瀝青黏度為0.17 Pa·s時(shí)所對(duì)應(yīng)的拌和溫度設(shè)定為瀝青膠結(jié)料的短期熱氧老化溫度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)(RTFOT)，老化時(shí)間為85 min。圖1為根據(jù)式(1)繪制的瀝青樣品的黏溫曲線，由此所確定的添加和未添加溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的短期熱氧老化溫度分別為161和175 ℃。根據(jù)等黏度原則可得，溫拌劑Sasobit的摻入可顯著降低SBR改性瀝青的拌和溫度，降幅可達(dá)14 ℃。

loglog(η×103)=VTSlog(T+273.15)+A

(1)

式中：η為旋轉(zhuǎn)黏度(Pa·s)；VTS為黏溫曲線斜率；T為溫度(℃)。

1.4 性能測(cè)試

根據(jù)JTG E 20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定，分別對(duì)老化前后的瀝青樣品進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點(diǎn)及5 ℃延度測(cè)試。老化后的殘留針入度、軟化點(diǎn)增量和延度保留率分別按式(2)～(4)計(jì)算。

圖1 瀝青樣品的黏溫曲線

(2)

軟化點(diǎn)增量(℃)=老化后軟化點(diǎn)-老化前軟化點(diǎn)

(3)

(4)

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)老化前后的瀝青樣品進(jìn)行溫度掃描，掃描范圍為15～70 ℃，應(yīng)變控制為1%，頻率為10 rad/s，選用25 mm轉(zhuǎn)子，間隙設(shè)定為1 mm。

SBR改性瀝青老化后的顯著特征之一就是SBR改性劑也會(huì)隨之降解，具體表現(xiàn)為其包含的丁二烯(C=C)雙鍵會(huì)發(fā)生斷裂。該文利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)老化前后的瀝青樣品中所包含的丁二烯雙鍵按式(5)進(jìn)行定量測(cè)定，丁二烯指數(shù)越小，表明丁二烯(C=C)雙鍵含量越少，SBR改性瀝青老化越嚴(yán)重。

丁二烯指數(shù)(BI)=

亂世中大批士人選擇了南遷至南唐、西蜀等地，〔2〕(卷二六二，P9075) 其中的名士有羅隱 （五代初至吳越）、李元（后梁時(shí)避居湖南）等。隱逸為士人在世道污濁時(shí)保持人格的獨(dú)立提供了可能，是士人溫和地反抗現(xiàn)實(shí)的方式，是一種“不求兼濟(jì)，但求獨(dú)善”的逃避行為，所謂“明主既難謁，青山何不歸”正是這類(lèi)人心境的寫(xiě)照，隱士們走的是精神上的自我放逐之路。

(5)

紅外光譜試驗(yàn)的具體操作步驟為：先將溶于二硫化碳的瀝青試樣滴于溴化鉀(KBr)薄片上，待二硫化碳揮發(fā)后將薄片置于傅里葉變換紅外光譜儀中進(jìn)行掃描，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物理性能

2.1.1 針入度

針入度試驗(yàn)是測(cè)定瀝青稠度的標(biāo)準(zhǔn)方法。通常，瀝青針入度值越小，表明瀝青稠度越大，黏結(jié)力越強(qiáng)。圖2為摻入和未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青RTFOT老化前后針入度的變化情況。

圖2 溫拌劑Sasobit的摻入對(duì)SBR改性瀝青RTFOT老化前后針入度及殘留針入度的影響

由圖2可知：與未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青相比，摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的針入度明顯減小，說(shuō)明溫拌劑Sasobit的摻入可以提高SBR改性瀝青的稠度。此外，經(jīng)過(guò)RTFOT老化后，摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的殘留針入度顯著高于未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青，說(shuō)明溫拌劑Sasobit可以通過(guò)降低SBR改性瀝青的拌和溫度從而減弱SBR改性瀝青受短期熱氧老化的影響。

2.1.2 軟化點(diǎn)

瀝青軟化點(diǎn)可以反映瀝青在加熱升溫過(guò)程中逐漸變軟的過(guò)程，在一定程度上表示瀝青的高溫穩(wěn)定性能。軟化點(diǎn)越高，表示瀝青的耐熱性能越好，在高溫和車(chē)輛荷載的共同作用下越不容易發(fā)生變形。溫拌劑對(duì)SBR改性瀝青RTFOT老化前后軟化點(diǎn)的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：溫拌劑Sasobit的摻入使SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)由50.8 ℃增至61.2 ℃，顯著改善了SBR改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能，從而可以減少路面高溫車(chē)轍病害的發(fā)生。其原因主要是溫拌劑Sasobit的熔點(diǎn)約為100 ℃，在其熔點(diǎn)以下，Sasobit呈現(xiàn)出一種石蠟的網(wǎng)格狀晶體，該結(jié)構(gòu)能限制瀝青分子在高溫下的移動(dòng)，從而改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。但當(dāng)溫度超過(guò)其熔點(diǎn)時(shí)，Sasobit熔化為液體并能和瀝青完全相容，能大幅降低瀝青的黏度，實(shí)現(xiàn)降低瀝青拌和溫度的作用。此外，摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的軟化點(diǎn)增量低于未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青，再次證明溫拌劑Sasobit的摻入可以降低短期熱氧老化對(duì)SBR改性瀝青的影響。

圖3 溫拌劑Sasobit的摻入對(duì)SBR改性瀝青RTFOT老化前后軟化點(diǎn)及軟化點(diǎn)增量的影響

2.1.3 延度

瀝青的延度可以反映其在一定溫度下抵抗拉伸破壞的能力，尤其是老化后瀝青的低溫延度與瀝青路面的使用性能有著密切的關(guān)系。瀝青的低溫延度越大，表明瀝青低溫下的延展性越好，路面發(fā)生低溫開(kāi)裂的可能性越小。溫拌劑對(duì)SBR改性瀝青RTFOT老化前后延度的影響見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)：盡管溫拌劑Sasobit的摻入降低了SBR改性瀝青的延度值，但是經(jīng)過(guò)RTFOT老化后，摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的延度值卻高于未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青，延度保留率達(dá)到55.5%，顯著高于未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的29.3%。說(shuō)明盡管溫拌劑Sasobit對(duì)SBR改性瀝青的低溫性能有一定的不利影響，但由于溫拌劑Sasobit可以通過(guò)降低瀝青的拌和溫度來(lái)減少短期熱氧老化對(duì)SBR改性瀝青的影響，溫拌劑Sasobit的摻入反而改善了短期熱氧老化后SBR改性瀝青的低溫性能。

圖4 溫拌劑Sasobit的摻入對(duì)SBR改性瀝青RTFOT老化前后延度及延度保留率的影響

2.2 流變性能

復(fù)數(shù)模量可表示瀝青抵抗剪切變形的能力，而相位角能反映瀝青中黏性成分與彈性成分的占比情況。一般而言，給定溫度下，復(fù)數(shù)模量愈大，表明瀝青的勁度愈大，抵抗剪切變形的能力愈強(qiáng)；相位角愈小，表明瀝青中彈性成分占比愈多，變形恢復(fù)能力愈強(qiáng)，延遲變形能力愈弱。較理想的情況是：在高溫時(shí)，瀝青表現(xiàn)出較大的復(fù)數(shù)模量和較低的相位角，具有更好的抵抗高溫變形的能力；在低溫時(shí)恰好與之相反，表現(xiàn)出較好的低溫黏性變形能力。溫拌劑對(duì)復(fù)數(shù)模量和相位角的影響見(jiàn)圖5。

由圖5可知：溫拌劑Sasobit的摻入提高了SBR改性瀝青的復(fù)數(shù)模量、降低了其相位角，表明溫拌劑Sasobit的摻入改善了SBR改性瀝青的高溫穩(wěn)定性，該結(jié)果與軟化點(diǎn)結(jié)果一致。無(wú)論是否摻入溫拌劑Sasobit，RTFOT老化后，SBR改性瀝青的復(fù)數(shù)模量都增加而相位角都減小。但摻入溫拌劑Sasobit后的SBR改性瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角的變化幅度都小于未摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青，進(jìn)一步驗(yàn)證了溫拌劑Sasobit的摻入可以降低短期熱氧老化對(duì)SBR改性瀝青的影響。

2.3 紅外光譜結(jié)果

瀝青樣品RTFOT老化前后丁二烯指數(shù)的變化情況見(jiàn)圖6。

圖5 溫拌劑Sasobit的摻入對(duì)SBR改性瀝青RTFOT老化前后復(fù)數(shù)模量及相位角的影響

圖6 瀝青樣品RTFOT老化前后丁二烯指數(shù)(BI)的變化情況

由圖6可知：溫拌劑Sasobit的摻入對(duì)未老化的SBR改性瀝青中丁二烯(C=C)雙鍵的含量影響并不明顯。經(jīng)過(guò)RTFOT老化后，無(wú)論是否摻入溫拌劑Sasobit，SBR改性瀝青中的丁二烯(C=C)雙鍵的含量都減小。但老化后摻入溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青的丁二烯(C=C)雙鍵含量減少量明顯小于未摻溫拌劑Sasobit的SBR改性瀝青，說(shuō)明由于溫拌劑Sasobit的存在而使短期老化溫度的降低可有效緩解SBR改性劑在短期老化過(guò)程中的降解速度，從而維持了SBR改性瀝青的改性效果。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)等黏度原則可知，溫拌劑Sasobit的摻入可有效降低SBR改性瀝青的拌和溫度，降幅可達(dá)14 ℃。

(2) 溫拌劑Sasobit的摻入降低了SBR改性瀝青的針入度、延度和相位角，增加了其軟化點(diǎn)和復(fù)數(shù)模量，說(shuō)明溫拌劑Sasobit的摻入可提高SBR改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。

(3) 通過(guò)殘留針入度、軟化點(diǎn)增量、延度保留率以及老化前后復(fù)數(shù)模量、相位角和丁二烯指數(shù)變化情況可知，溫拌劑Sasobit可通過(guò)降低SBR改性瀝青的拌和溫度來(lái)減弱短期熱氧老化對(duì)SBR改性瀝青的不利影響，維持SBR改性瀝青的改性效果。尤其是老化后低溫性能的改善。

(4) 該文研究結(jié)果可以為緩解短期熱氧老化后SBR改性瀝青低溫性能的劣化，從而充分發(fā)揮SBR改性瀝青的改性效果提供參考和借鑒。