SBS改性瀝青改性劑含量對(duì)瀝青性能的影響

孫輝宇

(黑龍江省泰斯特森工程檢測(cè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 引 言

隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)交通水平的不斷進(jìn)步，交通運(yùn)輸要求迅猛發(fā)展，其對(duì)于公路的交通量和承載能力要求不斷提升，瀝青路面便是因此，使其在各等級(jí)的交通公路所占有的建設(shè)比例也越來(lái)越高。但我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)溫差差異大，在公路運(yùn)營(yíng)通車階段，交通量、溫度、老化等各類因素，都會(huì)對(duì)瀝青路面造成不同程度的危害，因此尋求綜合性能強(qiáng)、工作溫域?qū)挼母咝阅転r青成為交通行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。在各類各功能的瀝青不斷涌現(xiàn)的今天，因其良好的在高溫與低溫的適用性能、可適用于各等級(jí)瀝青公路的廣泛應(yīng)用性能以及簡(jiǎn)單的加工工藝的特點(diǎn)，使得SBS改性瀝青在其中脫穎而出，成為炙手可熱的寵兒。

然而，SBS改性瀝青在完成鋪設(shè)之后，雖然有著路面性能優(yōu)秀、高溫車轍較少、低溫抗裂性強(qiáng)、水穩(wěn)性能優(yōu)良、抗剝落效果好等優(yōu)點(diǎn)，但隨著對(duì)SBS與基質(zhì)瀝青這兩者之間的聯(lián)系，進(jìn)行不斷深入的研究，發(fā)現(xiàn)SBS的不同摻量會(huì)對(duì)改性瀝青的各類指標(biāo)產(chǎn)生較大的差異和影響。因此，探討SBS摻量對(duì)于改性瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)與SHRP計(jì)劃中的流變性能的相關(guān)性，對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析便是本研究的主要內(nèi)容。

2 SBS原材介紹與試驗(yàn)方法

2.1 SBS改性基理

SBS(Styrene-Butadiene-Styrene)是一種具有熱塑性的呈彈性表征的固體，它是嵌段共聚物，呈線型或星型狀態(tài)，由苯乙烯和丁二烯組成，其中丁二烯為軟段(即彈性段)，處于中間位置，使SBS改性劑變?yōu)楦邚棤顟B(tài)；而起固定和補(bǔ)強(qiáng)作用作為分散相的苯乙烯段，則是硬段，填充在軟段之間。在SBS改性劑這種結(jié)構(gòu)下，與瀝青混合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)生改性瀝青網(wǎng)兜效應(yīng)，使混合物具有良好的的延展性、塑性和彈性。

2.2 制備方法

本研究作為研究對(duì)象的是90#基質(zhì)瀝青和SBS改性劑，分別出于遼河油田重交和燕山石化，改性劑摻加劑量依次為2%、4%、6%、8%。選擇高速剪切機(jī)作進(jìn)行攪拌，攪拌溫度為160 ℃、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為6 500轉(zhuǎn)/分，持續(xù)攪拌時(shí)間共2 h。

在改性瀝青的制作工藝流程中，會(huì)摻雜一定量的空氣，空氣會(huì)影響試樣最終的檢測(cè)結(jié)果。因此，在制樣完成后，可以通過(guò)玻璃棒和真空干燥箱將改性瀝青中的空氣排除。

3 SBS改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)及分析

SBS作為一種彈性固體，因?yàn)閷儆谙鹉z類，所以與瀝青具有顯著的差異性，因此會(huì)與瀝青發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生性能變化，改性后瀝青結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凝膠化提升便是最具特色的變化之一，這會(huì)使瀝青造成溫度敏感性的改變。

通過(guò)制拌不同SBS含量的改性瀝青，將之按照J(rèn)TG E20-201l《公路工程瀝青及瀝青混合。料試驗(yàn)規(guī)程》中的要求，進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)、密度、135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度、彈性恢復(fù)參數(shù)均的試驗(yàn)檢測(cè)，其結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)

(1)在5 ℃、15 ℃、25 ℃的條件下，將不同含量的改性瀝青進(jìn)行針入度試驗(yàn)，得出圖1。

圖1 SBS不同含量下針入度與溫度的相關(guān)性

通過(guò)圖1可知，針入度在SBS含量逐漸遞增的情況下，其針入度有著先增大后減小的趨勢(shì)。而隨著試驗(yàn)溫度的改變，其化也不斷增大。

這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明改性瀝青中的SBS成分，并不會(huì)隨著SBS的含量不斷增加，提高參與材料性能改善作用的占比。因此，此次結(jié)果為先增大后減小。

通過(guò)表1中延度、軟化點(diǎn)、密度、135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度、彈性恢復(fù)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行歸類，統(tǒng)計(jì)為圖2。

圖2 不同改性劑含量下的常規(guī)性能參數(shù)圖

可以知其參數(shù)通過(guò)SBS含量的不斷增加，數(shù)據(jù)不斷增大。但其中的密度、延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)的增長(zhǎng)率逐漸平緩。這說(shuō)明雖然隨著SBS含量的不斷增大，其膠凝化的程度不斷提高，SBS粒子間的相互影響及作用力慢慢增大，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所造成的改性瀝青網(wǎng)兜效應(yīng)不斷增強(qiáng)，但隨著SBS含量慢慢達(dá)到一定界限，SBS改性劑的改性作用效率開始降低。

通過(guò)圖2可以看出，隨著改性劑含量的改變，運(yùn)動(dòng)粘度的增長(zhǎng)存在一定的規(guī)律性，所以將135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度數(shù)據(jù)結(jié)果做出趨勢(shì)圖，得到圖3。

圖3 SBS瀝青運(yùn)動(dòng)粘度數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

可以看出，135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度確實(shí)與改性劑的含量呈線性相關(guān)。雖然改性劑在超過(guò)一定含量后，理論上仍有大部分成分參與基質(zhì)瀝青的改性作用，但在運(yùn)動(dòng)粘度上造成顯著的影響。

4 SBS改性瀝青對(duì)SHRP性能指標(biāo)的影響

4.1 高溫性能

在改性劑不同含量下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變性能檢測(cè)，測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 SBS不同含量下的動(dòng)態(tài)剪切流變性能圖

其中，相位角的變化代表的是改性瀝青中粘性成分和彈性成分占比，通過(guò)圖4可以看到，溫度與相位角角度值呈正相關(guān)；而改性劑的含量則與其相位角呈負(fù)相關(guān)，且隨著含量的增加改變的幅度越發(fā)平緩。這說(shuō)明在溫度升高的情況下，瀝青中的粘性成分和它的彈性成分的比值在不斷加大，抵抗變形能力越來(lái)越差，而SBS含量的增加，則可以改善這一現(xiàn)象。

|G*|/sinδ的大小直接反應(yīng)改性瀝青在拌和攤鋪后抵抗車轍的能力。由圖4可知，隨著改性劑含量的增加，其|G*|/sinδ不斷增大，動(dòng)穩(wěn)定性不斷加強(qiáng)，且改變趨勢(shì)越發(fā)平緩；而隨著測(cè)試溫度的增加，|G*|/sinδ則開始開始顯現(xiàn)下降趨勢(shì)。

這整體的走向可以看出，在同等溫度，改性劑含量提升的情況下，SBS改性劑在不斷改善改性瀝青在高溫方面的性能，這是因?yàn)殡S著溫度的持續(xù)升高，在瀝青中能夠溶解的軟瀝青質(zhì)成分的能力不斷增強(qiáng)，SBS的作用不斷加大，其溶脹帶來(lái)了體積膨脹，使SBS間的相互作用能力增強(qiáng)，以此控制瀝青在除自身外的要素作用下的形變，減弱粘性形變，從而限制δ的增大，使改性性能越發(fā)明顯，進(jìn)而提高動(dòng)穩(wěn)定性。

4.2 低溫性能

在SBS改性劑不同含量下，進(jìn)行彎曲蠕變勁度檢測(cè)，-12～-14 ℃作為測(cè)試溫度區(qū)域，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 SBS不同含量下彎曲蠕變勁度性能圖

由圖5可知，蠕變勁度S因其升高的溫度、SBS含量的增加，在不斷減少，而m值則在不斷地升高。且在低溫狀態(tài)，例如在-24 ℃下，不同含量的S與m的差距最大。這是因?yàn)樵诘蜏厍闆r下，SBS對(duì)于瀝青的改性性能越發(fā)明顯。

4 結(jié) 論

通過(guò)將SBS改性瀝青在不同含量和外界要素下，進(jìn)行探討與分析，可以得到以下結(jié)果：

(1)SBS含量對(duì)常規(guī)性能參數(shù)指標(biāo)的影響：隨著含量的增加，改性瀝青延度、軟化點(diǎn)、密度、135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度、彈性恢復(fù)都在提高，而針入度則是先增大后減小。

(2)SBS含量對(duì)動(dòng)態(tài)剪切流變性能的影響：隨著含量的增加，相位角在不斷減小，|G*|/sinδ不斷增加，且兩者的改變趨勢(shì)都在越發(fā)平緩。

(3)SBS含量對(duì)低溫彎曲蠕變性能的影響：隨著含量的增加，蠕變勁度S試不斷減小、m不斷增加。

(4)隨著SBS改性含量的不斷增加，改性瀝青的高溫、低溫性能都會(huì)有所加強(qiáng)，在溫差大的地區(qū)，含量的改性作用明顯。但常溫下，其性能會(huì)隨含量的增加先增大后減小，因此選取SBS含量時(shí)，也應(yīng)考慮性能價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值等綜合因素的影響。