苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

陳 鵬, 鄒 玲, 莊 明, 侯洪超, 仲 丁, 張文剛

(1.北京中交橋宇科技有限公司， 北京 100000； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京 211189； 3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710075； 4.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 淄博 255000； 5.道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所)， 北京 100088)

苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS)改性瀝青的貯存穩(wěn)定性是影響其運(yùn)輸及存儲(chǔ)的重要性能，中外學(xué)者對(duì)貯存穩(wěn)定性也開(kāi)展了大量的研究工作。例如，孫建民[1]發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青在不同的貯存溫度下?lián)碛邢嗨频馁A存穩(wěn)定性變化規(guī)律；王立志等[2]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的納觀表面形態(tài)越粗糙，SBS改性瀝青的48 h離析軟化點(diǎn)差則越大；一些外加劑也可以影響SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性，相關(guān)研究表明ZnO和TMTD(二硫化四甲基秋蘭姆)均能夠起到提升SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的作用[3-4]；納米二氧化硅、納米黏土可以與SBS形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而起到阻止SBS與瀝青分離的作用[5-6]。但在SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)上，中外基本上都采取48 h離析軟化點(diǎn)差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。此外也有學(xué)者認(rèn)為離析指數(shù)、中溫離析率和降解率也可以作為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的可靠指標(biāo)[7]。但遺憾的是，采用上述指標(biāo)對(duì)SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的可靠性鮮有研究。近年來(lái)，動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheological，DSR)活躍在瀝青的研究領(lǐng)域，發(fā)揮著巨大的作用，復(fù)數(shù)剪切模量(G*)可以用于表征瀝青抵抗剪切變形的能力，相位角(δ)則代表著瀝青中黏性成分與彈性成分的比值關(guān)系，車(chē)轍因子(G*/sinδ)可以用于評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能[8-10]。有學(xué)者報(bào)道了DSR試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)與SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性可能存在某種聯(lián)系，但截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于這種猜測(cè)的詳細(xì)研究與報(bào)道[10-13]?；贒SR試驗(yàn)結(jié)果是否可以評(píng)價(jià)SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性便成為了擺在研究人員面前的一道難題。

基于上述背景，現(xiàn)選擇SBSΙ-D改性瀝青為研究對(duì)象，測(cè)試其在163 ℃下不同貯存時(shí)間的離析軟化點(diǎn)差，基于G*、δ及G*/sinδ，提出基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算模型，為基于DSR試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青貯存穩(wěn)定性提供新的思路。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

選擇山東高速物資儲(chǔ)運(yùn)有限公司生產(chǎn)的SBS Ι-D改性瀝青為原材料，該瀝青中SBS含量為4%，且線形SBS和星形SBS質(zhì)量比為1∶1，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示，除48 h離析軟化點(diǎn)差外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

表1 SBS Ι-D改性瀝青技術(shù)性能

圖1所示為SBSΙ-D改性瀝青在進(jìn)行離析試驗(yàn)前的熒光顯微圖，可以看出實(shí)驗(yàn)所用SBSΙ-D改性瀝青中，SBS發(fā)育良好，基本形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖1 SBSΙ-D改性瀝青熒光顯微圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將SBSΙ-D改性瀝青倒入直徑25 mm、長(zhǎng)度140 mm的鋁管(一端開(kāi)口)中，在163 ℃下進(jìn)行貯存，將貯存0～48 h(間隔2 h)的鋁管放入-18 ℃的環(huán)境箱中進(jìn)行冷卻，冷卻后取鋁管中上部1/3和下部1/3的瀝青備用，分別測(cè)取0～48 h(間隔2 h)的SBSΙ-D改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差。采用AR 1500ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)貯存不同時(shí)間的SBSΙ-D改性瀝青(上部1/3和下部1/3)分別進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，獲取G*、δ以及G*/sinδ。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析瀝青貯存穩(wěn)定性與G*、δ和G*/sinδ等參數(shù)間的關(guān)系，建立基于DSR的改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算模型。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 離析軟化點(diǎn)與貯存時(shí)間的關(guān)系

對(duì)不同貯存時(shí)間下的SBSΙ-D改性瀝青進(jìn)行離析軟化點(diǎn)差試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同貯存時(shí)間下SBSΙ-D改性瀝青離析軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖2顯示，隨著高溫貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，SBSΙ-D改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差也隨即增大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是由于SBS與瀝青之間存在密度差，導(dǎo)致SBS上浮，形成改性瀝青中上部SBS含量高，下部中的SBS含量降低，這種離析現(xiàn)象隨著高溫貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而越發(fā)明顯。

2.2 基于DSR試驗(yàn)結(jié)果的貯存穩(wěn)定性

選擇163 ℃貯存48 h的SBSΙ-D改性瀝青為研究對(duì)象，對(duì)其上部1/3及下部1/3的改性瀝青分別進(jìn)行溫度掃描，掃描溫度范圍為46～88 ℃，間隔6 ℃。為了研究方便，同時(shí)將163 ℃下貯存48 h的SBSΙ-D改性瀝青再次攪拌均勻后，利用DSR進(jìn)行溫度掃描。圖3所示為DSR溫度掃描結(jié)果。

圖3 DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果

圖3顯示，隨著掃描溫度的逐漸上升，SBSΙ-D改性瀝青的G*和G*/sinδ相應(yīng)降低，δ則逐漸升高。離析后的SBSΙ-D改性瀝青其上部1/3和下部1/3的G*、δ和G*/sinδ有著明顯的差值，而離析后再次攪拌均勻的SBSΙ-D改性瀝青G*、δ和G*/sinδ的數(shù)值則處于上部1/3和下部1/3之間。由于G*為復(fù)數(shù)剪切模量，其數(shù)值越大，表征瀝青的抗剪切變形能力也越高，可見(jiàn)離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的抗變形能力要強(qiáng)于下部1/3；δ通常用于表征瀝青中黏彈性成分的比值，一般認(rèn)為δ越大，瀝青中黏性成分的含量就越大，δ越小，瀝青中彈性成分的含量就越大，可見(jiàn)離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的彈性成分遠(yuǎn)多于下部1/3；G*/sinδ表征車(chē)轍因子，離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的車(chē)轍因子遠(yuǎn)大于下部1/3。上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因與上部1/3含有大量的SBS關(guān)系密切。

3 基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的提出與有效性檢驗(yàn)

上述分析表明，DSR的試驗(yàn)結(jié)果與SBS的離析關(guān)系密切，而SBS的離析則直接決定SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性?；谠囼?yàn)結(jié)果提出離析參數(shù)的概念，即以163 ℃下貯存th的SBS改性瀝青再次攪拌均勻后DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果(G*、δ和G*/sinδ)為基數(shù)，對(duì)同種SBS改性瀝青163 ℃下貯存th后，上部1/3與下部1/3的DSR溫度掃描結(jié)果差值的絕對(duì)值與基數(shù)比值，計(jì)算公式為

(1)

δ′=|(δ上-δ下)/δ原樣|

(2)

式(2)中：δ′為相位角離析參數(shù)，%；δ上為離析后SBS改性瀝青上部1/3的相位角，(°)；δ下為離析后SBS改性瀝青下部1/3的相位角，(°)；δ原樣為離析后再次攪拌均勻的SBS改性瀝青的相位角，(°)。

(G*/sinδ)′=(G*/sinδ)上-(G*/sinδ)下

(G*/sinδ)原樣

(3)

式(3)中：(G*/sinδ)′為車(chē)轍因子離析參數(shù)，%；(G*/sinδ)上為離析后SBS改性瀝青上部1/3的車(chē)轍因子，Pa；(G*/sinδ)下為離析后SBS改性瀝青下部1/3的車(chē)轍因子，Pa；(G*/sinδ)原樣為離析后再次攪拌均勻的SBS改性瀝青的車(chē)轍因子，Pa。

如圖4所示為DSR試驗(yàn)中離析參數(shù)的變化圖。圖4中蘊(yùn)含著兩個(gè)信息，一是各離析參數(shù)在不同溫度下的數(shù)值，二是各離析參數(shù)隨著溫度變化的斜率。需要注意的是，如果某種SBS改性瀝青不存在離析問(wèn)題，那么該SBS改性瀝青的各離析參數(shù)的數(shù)值便為0，離析參數(shù)隨掃描溫度的變化斜率也相應(yīng)為0。也就是說(shuō)離析參數(shù)的大小和離析參數(shù)隨掃描溫度的變化斜率越接近0，則該瀝青的貯存穩(wěn)定性也就越好。

圖4 不同掃描溫度下的離析參數(shù)

基于上述分析，提出基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算模型，模型假設(shè)前提條件為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性分值最大為100，最小為0。該計(jì)算模型為

SS(G*)=100-{a1[AVG(G*′)]b1+

c1[SLOP(G*′)]d1}

(4)

式(4)中：SS(G*)為基于復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(G*′)為復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)平均值，Pa；SLOP(G*′)為復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)與溫度所形成的線性關(guān)系斜率；a1、b1、c1、d1為系數(shù)。

SS(δ)=100+a2[AVG(δ′)]b2+

c2[SLOP(δ′)]d2

(5)

式(5)中：SS(δ)為基于相位角離析參數(shù)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(δ′)為相位角離析參數(shù)平均值，%；SLOP(δ′)為相位角離析參數(shù)與溫度所形成的線性關(guān)系的斜率；a2、b2、c2、d2為系數(shù)。

SS(G*/sinδ)=100-{a3[AVG(G*/sinδ)′]b3+

c3[SLOP(G*/sinδ)′]d3}

(6)

式(6)中：SS(G*/sinδ)為基于車(chē)轍因子的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(G*/sinδ)′為車(chē)轍因子離析參數(shù)平均值，%；SLOP(G*/sinδ)′為車(chē)轍因子離析參數(shù)與溫度所形成的線性關(guān)系的斜率；a3、b3、c3、d3為系數(shù)。

選取SS(G*)，基于復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)判貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性。為了貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與離析軟化點(diǎn)指標(biāo)具有可比性，依據(jù)模型假設(shè)前提條件對(duì)離析軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)作如下修訂：SBS改性瀝青最大離析軟化點(diǎn)差為100 ℃，記0分，最小離析軟化點(diǎn)差為0 ℃，記100分。則不同貯存時(shí)間下基于DSR的貯存穩(wěn)定性得分值與基于離析軟化點(diǎn)差的貯存穩(wěn)定性得分值試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 圖5基于DSR和離析軟化點(diǎn)差的貯存穩(wěn)定性得分值

從圖5可以看出，基于復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值與基于離析軟化點(diǎn)差的貯存穩(wěn)定性得分值具有高度的一致性。相比較于離析軟化點(diǎn)試驗(yàn)而言，基本復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值的評(píng)價(jià)方法可靠性更高，更重要的是，在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需高溫貯存48 h，可以選擇更短的貯存時(shí)間便可以計(jì)算出貯存48 h所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性得分值。

3.2 基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與現(xiàn)有指標(biāo)對(duì)比

中外普遍采取離析軟化點(diǎn)作為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)的獲取依托于軟化點(diǎn)試驗(yàn)。中國(guó)對(duì)于軟化點(diǎn)試驗(yàn)的相關(guān)方法和規(guī)定與美國(guó)及日本是完全相同的，在《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[14]中規(guī)定，軟化點(diǎn)試驗(yàn)允許的重復(fù)性誤差為：當(dāng)軟化點(diǎn)小于80 ℃時(shí)誤差為1 ℃，當(dāng)軟化點(diǎn)大于80 ℃時(shí)誤差為2 ℃，此外，在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]中規(guī)定，SBS改性瀝青的48 h離析軟化點(diǎn)差不大于2.5 ℃。所以離析軟化點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中誤差的影響是相對(duì)較大的，而本文中基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)則借助DSR試驗(yàn)的高度穩(wěn)定性及極低的誤差較好地彌補(bǔ)了離析軟化點(diǎn)的不足。表2所示為兩種指標(biāo)的對(duì)比。

表2 SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

(1)SBS改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差隨著高溫貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，兩者基本呈線性關(guān)系。

(2)由于SBS改性的上浮作用，離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的彈性成分也遠(yuǎn)多于下部1/3，上部1/3的抗變形能力及高溫性能明顯強(qiáng)于下部1/3。

(3)復(fù)數(shù)剪切模量離析參數(shù)G*′、相位角離析參數(shù)δ′、車(chē)轍因子離析參數(shù)(G*/sinδ)′以及3個(gè)參數(shù)與溫度所形成的線性斜率可以用于評(píng)價(jià)SBS改性瀝青離析程度的參數(shù)。

(4)本文所提出的基于DSR試驗(yàn)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)其計(jì)算模型可以很好地用于貯存穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果與基于離析軟化點(diǎn)差所獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果具有高度的一致性。