不同溫度下SBS 改性瀝青老化性能比對試驗

陳捷

(保利長大工程有限公司)

0 引言

為響應(yīng)國務(wù)院2019 年9 月印發(fā)實施《交通強國建設(shè)綱要》的要求，同時基于現(xiàn)代道路交通流量的迅速增長、重車的軸載明顯增加的因素影響，要求瀝青路面的高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力、抗水損害能力要滿足設(shè)計圖紙和行業(yè)技術(shù)規(guī)范要求[1-2]，為此對瀝青的性能提出更高的要求。改性瀝青作為現(xiàn)代交通尤其是高等級交通路用材料，通過對基質(zhì)瀝青的調(diào)控、改性劑摻量和改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性等途徑能夠改善改性瀝青的高溫變形能力，增強瀝青路面的抗車轍性能，提高瀝青的彈性恢復(fù)，增強瀝青的抗低溫和抗疲勞開裂性能。丁二烯-苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS)被公認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的分散體系，具有較好的儲存穩(wěn)定性，兼有較好的高溫性能和低溫延展性能，能同時改善瀝青的高溫、低溫性能和抗老化性能[3]。還有研究者發(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行，SBS 改性劑也會出現(xiàn)劣化，導(dǎo)致SBS 改性瀝青性能劣化，失去原有的改性性能[4]。此外，學(xué)者研究還發(fā)現(xiàn)：SBS 摻量為5%時，針入度和軟化點呈現(xiàn)兩階段老化特征，即隨著老化時間的延長，針入度降幅先大后小，軟化點先降后升，同時微觀分布狀態(tài)也呈現(xiàn)兩階段特征[5]。不少學(xué)者更是對比了旋轉(zhuǎn)薄膜加熱和薄膜加熱兩種試驗方法對不同改性劑摻量性能影響和試驗溫度對SBS 改性瀝青性能影響，并分析了瀝青短期和長期以及不同老化環(huán)境老化性能變化[6-8]。

SBS 改性瀝青老化性能越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但在溫度高于163℃條件下進行老化性能比對試驗較少，為更好服務(wù)于實際工程項目應(yīng)用，本文選取兩種不同品牌SBS 瀝青在不同溫度下老化性能指標試驗分析，為實際工程應(yīng)用提出試驗引導(dǎo)方向，為項目工程質(zhì)量和耐久性提供借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

A 品牌SBS 改性瀝青和B 品牌改性瀝青：基質(zhì)瀝青、出廠瀝青針入度、延度指數(shù)PI、延度（5℃，5cm/min）、軟化點、運動粘度、閃點、溶解度、彈性恢復(fù)、老化后質(zhì)量變化、殘留針入度比和殘留延度各項指標滿足設(shè)計和施工規(guī)范要求。

1.2 試驗儀器

電熱鼓風干燥箱，瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱，分析天平，感量不大于0.001g，電腦式瀝青針入度測定儀，瀝青針入度循環(huán)恒溫水浴：恒溫調(diào)速瀝青延伸度測定儀；多功能電腦全自動軟化點儀；超級低溫槽；溫度計，量程0～50℃，精度0.1℃。

1.3 準備工作

⑴檢查各個檢測儀器是否正常；

⑵兩種SBS 改性瀝青在160℃下加熱不低于3 小時，以排除瀝青中殘留水分；

⑶打開延度儀、超低溫槽、瀝青針入度循環(huán)恒溫水?。?/p>

⑷旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱在163℃±0.5℃下預(yù)熱不少于16小時；

⑸備好瀝青三大指標對應(yīng)模具并涂上隔離劑。

1.4 試驗依據(jù)

參照JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同品牌SBS 改性瀝青老化試驗

表1 為A 品牌SBS 改性瀝青老化前性能檢測。由表可知，A 品牌SBS 改性瀝青在老化前針入度、5℃延度、彈性恢復(fù)和軟化點檢測指標均符合設(shè)計和技術(shù)規(guī)范要求，滿足類型為I-D 型相關(guān)要求。

表1 A 品牌SBS 改性瀝青老化前性能指標

表2 為B 品牌SBS 改性瀝青老化前性能檢測。由表可知，B 品牌SBS 改性瀝青在老化前針入度、5℃延度、彈性恢復(fù)和軟化點檢測指標均符合設(shè)計和技術(shù)規(guī)范要求，滿足類型為I-D 型相關(guān)要求。

表2 B 品牌SBS 改性瀝青老化前性能指標

綜上所述，兩種品牌SBS 改性瀝青老化前針入度、5℃延度和和彈性恢復(fù)數(shù)據(jù)比較接近，表明基質(zhì)瀝青相同情況下，不同品牌SBS 改性瀝青在老化前檢測指標相近。

2.2 不同溫度下SBS 改性瀝青老化試驗

圖1 是A 品牌SBS 改性瀝青在163℃、173℃和183℃旋轉(zhuǎn)薄膜殘留物針入度、延度和軟化點檢測結(jié)果。針入度是表現(xiàn)瀝青粘滯性和稠度的指標，在國標中老化殘留瀝青25℃的針入度與老化前原樣瀝青針入度比是表征瀝青抗短期老化的主要指標之一。對于同一種瀝青，針入度比越高，表明瀝青的耐老化性能越好。由圖1和表1 可知，對于A 品牌SBS 改性瀝青，隨著溫度由163℃逐漸升至183℃，針入度比先由83%降至74%，再降至70%，針入度比均在設(shè)計和規(guī)范范圍之內(nèi)；軟化點增值分別為6.0℃、10.1℃和12.2℃，分別升高了7.0%、11.8%和14.3%；殘留物延度隨著溫度升高，分別為22cm、16.5cm 和13.1cm，分別降低了29.0%、46.8%和57.7%。

圖1 A 品牌改性瀝青不同溫度下瀝青老化指標

圖2 是B 品牌SBS 改性瀝青在163℃、173℃和183℃旋轉(zhuǎn)薄膜殘留物針入度、延度和軟化點檢測結(jié)果。由圖2 和表2 可知，對于B 品牌SBS 改性瀝青，隨著溫度由163℃逐漸升至183℃，針入度比先由76.5%降至62.7%，再降至50%；軟化點增值分別為2.5℃、5.5℃和11.9℃，分別升高了2.9%、6.4%和13.8%；殘留物延度隨著溫度升高（163℃、173℃和183℃），分別為21cm、15.5cm 和11.7cm，相比老化前分別降低了42.5%、57.5%和67.9%。

圖2 B 品牌改性不同溫度下瀝青老化指標

綜上所述，從針入度指標看，溫度升高，針入度比逐漸降低，溫度為183℃時，瀝青針入度比下降最快。殘留物軟化點隨著溫度增加逐漸降升高，A 品牌和B 品牌改性瀝青在183℃分別增加了14.3%和13.8%。殘留物延度隨著溫度升高逐漸降低，A 品牌和B 品牌改性瀝青在183℃分別降低了57.7%和67.9%，183℃溫度下嚴重影響瀝青低溫延展性，說明高溫下，瀝青抗老化性能下降明顯。主要是基于聚合物中基質(zhì)瀝青在高溫下自身發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；另外，由于SBS 改性瀝青改性劑化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有高分子長鏈，化學(xué)鏈在光、熱、養(yǎng)等作用下發(fā)生斷裂和氧化，在高溫下長鏈SBS 分子斷裂，變成小分子短鏈，導(dǎo)致SBS 改性瀝青的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生分解而產(chǎn)生破壞，進而影響高溫環(huán)境下瀝青殘留延度和軟化點以及針入度指標[9]。

圖3 為不同品牌SBS 改性瀝青在不同老化溫度下質(zhì)量變化。由圖可知，SBS 改性瀝青在不同溫度下進行旋轉(zhuǎn)薄膜試驗短期老化試驗，質(zhì)量隨溫度升高呈現(xiàn)負增長趨勢。A 品牌改性瀝青隨著溫度由163℃逐漸升至183℃，質(zhì)量負增長變化由-0.032%升至-0.084%；B 品牌改性瀝青隨溫度升高，質(zhì)量負增長變化由-0.065%升至-0.085%。

圖3 不同老化溫度下SBS 改性瀝青質(zhì)量變化

SBS 改性瀝青在163℃、173℃和183℃溫度下進行短期旋轉(zhuǎn)薄膜老化后，瀝青質(zhì)量呈現(xiàn)負增長變化主要是隨著溫度升高，瀝青聚合物高分子鏈出現(xiàn)不同程度解鏈，溫度越高，化學(xué)建越不穩(wěn)定，質(zhì)量損失越大[10]。瀝青作為高分子材料，在高等級道路施工中應(yīng)用已是大勢所趨，作為瀝青混合料中的膠結(jié)料，瀝青品質(zhì)高低對瀝青路用性能特別耐水性、耐高溫穩(wěn)定性影響明顯，但對于瀝青混合料耐久性能影響本文不作進一步深化。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)對兩種品牌改性瀝青進行短期不同溫度（163℃、173℃和183℃）老化比對試驗，主要得出如下結(jié)論：

⑴A 牌和B 牌兩種改性瀝青在163℃條件下進行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗，殘留物針入度比、殘留延度和殘留物軟化點增值均滿足瀝青路面施工要求。

⑵A 牌和B 牌兩種改性瀝青在不同溫度下老化指標變化趨勢一致，針入度隨溫度升高逐漸降低，軟化點增值逐漸升高，殘留延度逐漸下降，質(zhì)量損失呈現(xiàn)負增長變化趨勢。

⑶SBS 改性瀝青抗短期老化性能影響受溫度影響變化明顯,特別是溫度在183°變化明顯。