直投式SBS改性瀝青抗老化性能研究

摘 要：直投式SBS改性瀝青具有易于監(jiān)管質(zhì)量、成本低和污染小等優(yōu)勢(shì)，能夠解決常規(guī)濕法SBS改性瀝青的質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，近年來(lái)逐漸被廣泛應(yīng)用。為此，對(duì)不同摻量下直投式改性瀝青進(jìn)行短期老化，通過(guò)對(duì)老化后的直投式改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)、中溫疲勞性能測(cè)試、低溫流變性能測(cè)試及原子力顯微鏡測(cè)試，從宏觀到微觀尺度研究直投式SBS改性瀝青的抗老化性能。宏觀試驗(yàn)結(jié)果表明，直投式SBS改性瀝青在短期老化后彈性成分增加，疲勞壽命增加。國(guó)路直投式SBS改性瀝青在老化過(guò)程中存在二次發(fā)育現(xiàn)象。微觀試驗(yàn)結(jié)果表明，短期老化后，常規(guī)濕法SBS改性瀝青與遼河直投式SBS改性瀝青由于4組分含量的變化及SBS的裂解導(dǎo)致粗糙度減小，國(guó)路直投式SBS改性瀝青由于進(jìn)一步溶脹發(fā)育導(dǎo)致其表面粗糙度增大，與宏觀試驗(yàn)得到的結(jié)論一致。

關(guān)鍵詞：直投式； SBS改性劑； 瀝青； 老化； 性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2024.05.020

Research on the Aging Resistance Performance of Direct-Injection SBS Modified Asphalt

Abstract： Direct-injection SBS modified asphalt has advantages such as easy quality control， low cost， and minimal pollution. It can address the issue of unstable quality in conventional wet-process SBS modified asphalt and has been gradually widely applied in recent years. This study investigated the aging resistance performance of direct-injection SBS modified asphalt at different dosages through short-term aging. By conducting temperature scanning tests， mid-temperature fatigue performance tests， low-temperature rheological property tests， and atomic force microscope tests on the aged direct-injection modified asphalt， the aging resistance performance of the SBS modified asphalt was studied from macroscopic to microscopic scales. The macroscopic experimental results indicated that the direct-injection SBS modified asphalt exhibited an increase in elastic components and fatigue life after short-term aging. During the aging process， the Guolu direct-injection SBS modified asphalt showed a secondary development phenomenon. The microscopic test results revealed that， after short-term aging， both conventional wet-process SBS modified asphalt and Liaohe direct-injection SBS modified asphalt exhibited reduced roughness due to changes in the content of the four components and the degradation of SBS. In contrast， the Guolu direct-injection SBS modified asphalt exhibited increased surface roughness due to further swelling development， consistent with the conclusions drawn from the macroscopic tests.

Keywords： direct-injection； SBS modifier； asphalt； aging； performance

0 引言

在常規(guī)濕法SBS改性瀝青的施工過(guò)程中，項(xiàng)目管理一般通過(guò)測(cè)定其針入度、軟化點(diǎn)和延度等指標(biāo)來(lái)檢驗(yàn)成品瀝青的性能，這導(dǎo)致一些“無(wú)良商家”可通過(guò)加入一定廉價(jià)的添加劑替代SBS改性劑，使得SBS的摻量在施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法得到準(zhǔn)確的檢驗(yàn)［1-3］。直投式改性技術(shù)將SBS與瀝青分離使用，可在施工現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)投放入拌和鍋中，能夠保證各儲(chǔ)存材料不變質(zhì)，各材料的品質(zhì)和用量都透明開(kāi)發(fā)，能夠有效解決傳統(tǒng)濕法SBS改性瀝青的各種問(wèn)題［4-5］。

王正同等［6］對(duì)直投式SBS改性瀝青及其混合料的性能進(jìn)行了整體對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加直投式SBS改性劑后改性瀝青及其混合料的指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，且具有很大的應(yīng)用前景。馮海燕［7］對(duì)比了直投式SBS改性瀝青混合料與常規(guī)濕法SBS改性瀝青混合料的優(yōu)缺點(diǎn)，分析得出直投式SBS改性工藝比濕法SBS改性工藝更簡(jiǎn)單、環(huán)保，且具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。王淑華等［8］對(duì)不同摻量的直投式SBS改性瀝青進(jìn)行了基礎(chǔ)指標(biāo)及流變性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)6%～7%摻量下瀝青具有最好的性能，并通過(guò)混合料試驗(yàn)驗(yàn)證了直投式SBS改性劑對(duì)混合料性能具有明顯提高。陳坤等［9］通過(guò)試驗(yàn)確定了直投式SBS改性瀝青的最佳改性劑摻量為6%，在該摻量下混合料的高溫性能強(qiáng)于成品SBS改性瀝青混合料。周雄等［10］針對(duì)直投式SBS改性劑進(jìn)行了配伍性試驗(yàn)，并與濕法工藝進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)直投式SBS改性瀝青混合料瀝青用量較低，高低溫性能較好，有非常廣闊的應(yīng)用前景。李軍代［11］針對(duì)直投式工藝與預(yù)拌工藝的毒氣排放量進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)直投式工藝能夠降低51%的毒氣排放量，起到節(jié)能減排的作用。日本研發(fā)了適合于排水路面的TPS（TAFPACKSUPER）直投改性劑，倪富健等［12］對(duì)TPS改性瀝青的性能與瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在15%的改性劑最優(yōu)摻量下，改性瀝青的高低溫性能與抗老化性能均有明顯提高，TPS改性瀝青混合料的路用性能較好，適用于排水性瀝青路面的建設(shè)［13］。

綜上所述，現(xiàn)有研究大多集中在直投式改性瀝青的工藝及直投式改性瀝青本身性能的研究，對(duì)直投式改性瀝青的抗老化性能研究較少。本研究擬定了直投式SBS改性瀝青的制備工藝，并通過(guò)三大指標(biāo)試驗(yàn)、宏觀流變?cè)囼?yàn)及微觀原子力顯微鏡測(cè)試，對(duì)遼河、國(guó)路2種直投式SBS改性瀝青短期老化后的性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果能夠?qū)χ蓖妒絊BS改性瀝青的抗老化性能有更全面的掌握，能夠進(jìn)一步推動(dòng)直投式改性瀝青的規(guī)模化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的試驗(yàn)材料主要為：東北地區(qū)常用的遼河石化90#基質(zhì)瀝青、常規(guī)濕法SBS改性瀝青、國(guó)路高科直投式SBS改性劑（ZT-G）和遼河直投式SBS改性劑（ZT-L）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 直投式SBS改性瀝青的制備

為了得到更加接近真實(shí)摻量的直投式SBS改性瀝青，需要將瀝青和改性劑充分接觸。本研究采用的制備工藝為［14-15］：將預(yù)熱至165 ℃的粒徑大于9.5 mm的粗集料倒入160 ℃的拌和鍋中，將預(yù)熱至160 ℃的基質(zhì)瀝青與直投式SBS改性劑先后倒入拌和鍋中同時(shí)進(jìn)行攪拌，為了保證混合均勻攪拌，時(shí)間定為120 s，再將拌和完成后的直投式SBS改性瀝青盛于鐵網(wǎng)中，并置于180 ℃的烘箱里2 h，收集從鐵網(wǎng)上滴落的瀝青。該制備工藝既還原了制備混合料時(shí)石料對(duì)改性劑產(chǎn)生的擠壓、摩擦作用，又使得瀝青能夠與改性劑均勻拌和，以得到接近真實(shí)摻量的直投式SBS改性瀝青，具體操作步驟如圖1所示。

1.2.2 老化方法

采用薄膜烘箱（TFOT）對(duì)基質(zhì)瀝青、常規(guī)SBS改性瀝青、ZT-L改性瀝青和ZT-G改性瀝青進(jìn)行短期老化。TFOT試驗(yàn)老化盤(pán)內(nèi)徑140 mm，盤(pán)深9.5～10 mm，每盤(pán)盛樣質(zhì)量為50 g，試驗(yàn)溫度控制在163 ℃，老化時(shí)間為5 h。

2 直投式SBS改性瀝青抗老化性能分析

2.1 常規(guī)性能指標(biāo)

短期老化后各瀝青試樣的三大指標(biāo)見(jiàn)表1。

瀝青在經(jīng)歷短期老化時(shí)，其中的輕組分會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹刭|(zhì)組分，使瀝青的稠度變大導(dǎo)致針入度降低?；|(zhì)瀝青的針入度比最低，僅有65.3%，其他改性瀝青的針入度比均有很大提升，基本在80%～90%。

各瀝青試樣短期老化過(guò)后的軟化點(diǎn)變化規(guī)律不同，9%摻量的ZT-L出現(xiàn)了軟化點(diǎn)降低的情況，其他瀝青的軟化點(diǎn)則均有所提高。短期老化會(huì)使基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)提升，對(duì)于SBS改性瀝青來(lái)說(shuō)則較為復(fù)雜，基質(zhì)瀝青的老化與SBS分解同時(shí)進(jìn)行，且直投式改性瀝青還會(huì)存在“二次發(fā)育”的現(xiàn)象，3種情況均影響了軟化點(diǎn)指標(biāo)。短期老化對(duì)延度的影響較大，各瀝青試樣的殘留延度均降低。

三大指標(biāo)在一定程度上反映出了瀝青的性能，但由于誤差大、與性能的相關(guān)性差等原因無(wú)法精確地進(jìn)行性能對(duì)比分析，需要通過(guò)后續(xù)的流變?cè)囼?yàn)進(jìn)行老化性能評(píng)價(jià)。

2.2 流變性能研究

2.2.1 溫度掃描試驗(yàn)

對(duì)4種瀝青的黏彈特性進(jìn)行分析。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）溫度掃描中的復(fù)數(shù)模量和相位角對(duì)各原樣及短期老化后瀝青試樣進(jìn)行比較［16］，ZT-L與ZT-G以7%摻量為例進(jìn)行分析，各原樣瀝青試樣與短期老化試樣的復(fù)數(shù)模量與相位角如圖2所示。

通過(guò)圖2的復(fù)數(shù)模量結(jié)果可以看出，TFOT后各瀝青試樣的復(fù)數(shù)模量相比于原樣瀝青均有不同程度的提升，基質(zhì)瀝青在老化前和老化后的相位角均最大，表明其黏性成分比例最高。短期老化后基質(zhì)瀝青彈性組分增多，導(dǎo)致其相位角明顯降低。TFOT后各改性瀝青的相位角均較老化前有所降低，隨著溫度的升高TFOT后改性瀝青的相位角并沒(méi)有大幅度提高，而是基本保持不變或略有增減，這說(shuō)明TFOT后改性瀝青中的SBS仍然起到了很好的作用。ZT-L在82 ℃后出現(xiàn)了短期老化瀝青的相位角大于原樣瀝青的現(xiàn)象，說(shuō)明老化后的ZT-L在82 ℃以后反而表現(xiàn)出了更多的黏性，因?yàn)樵诟男詾r青短期老化過(guò)程中存在瀝青硬化和SBS裂解軟化的現(xiàn)象，2種現(xiàn)象同時(shí)進(jìn)行，有研究認(rèn)為，這是該改性瀝青具有較好的抗老化性的表現(xiàn)。幾種改性瀝青中ZT-G老化前后的復(fù)數(shù)模量與相位角差異最大，說(shuō)明短期老化對(duì)ZT-G的性能影響比較大，可能是ZT-G在短期老化過(guò)程中存在二次發(fā)育現(xiàn)象，同時(shí)基質(zhì)瀝青老化變硬共同影響其復(fù)數(shù)模量與相位角的變化。

為了研究短期老化對(duì)直投式SBS改性瀝青高溫性能的影響，將短期老化前后的基質(zhì)瀝青、濕法SBS改性瀝青、ZT-L與ZT-G車(chē)轍因子進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

通過(guò)對(duì)比幾種瀝青試樣的車(chē)轍因子發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青在經(jīng)過(guò)短期老化后車(chē)轍因子提升幅度最大，短期老化作用使其小分子組分揮發(fā)導(dǎo)致其變硬。其他改性瀝青的老化指數(shù)均在1～2，SBS的存在有效削弱了瀝青變硬帶來(lái)的影響。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)ZT-G的車(chē)轍因子增幅較大，原因可能是其抗老化性較弱，或是老化前改性劑中的SBS未充分與瀝青發(fā)生作用。

2.2.2 中溫疲勞性能

將短期老化后的各瀝青試樣進(jìn)行LAS試驗(yàn)，各老化試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線與疲勞損傷曲線如圖4和圖5所示。

觀察老化瀝青應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，老化后的幾種瀝青試樣中所有改性瀝青發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)變均大于基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青發(fā)生疲勞破壞時(shí)的剪切應(yīng)力較老化前增大10 kPa以上；其他改性瀝青發(fā)生破壞時(shí)的剪切應(yīng)力變化不大。從疲勞損傷曲線可以看出，短期老化后基質(zhì)瀝青的損傷速度最快，且短期老化后的2種直投式改性瀝青的損傷速度均小于SBS改性瀝青。

通過(guò)對(duì)比短期老化前后幾種瀝青的疲勞壽命可以發(fā)現(xiàn)，幾種瀝青在短期老化后的疲勞壽命增減規(guī)律并不相同，其中，基質(zhì)瀝青的疲勞壽命變化幅度不大，在5%應(yīng)變作用下提升了7.1%；SBS改性瀝青的疲勞壽命有所降低，在5%應(yīng)變作用下降低了14.02%；ZT-L的疲勞壽命則與摻量有關(guān)，當(dāng)摻量為5%和9%時(shí)，ZT-L的疲勞壽命減小，摻量為7%時(shí)疲勞壽命則有所提高；3個(gè)摻量ZT-G的疲勞壽命在經(jīng)歷短期老化后有大幅度的提高，參考5%應(yīng)變水平，5%、7%及9%摻量下其疲勞壽命分別增加21.6%、31.6%和61.8%，短期老化會(huì)增加ZT-G的疲勞壽命，推測(cè)是短期老化使殘留的SBS與瀝青進(jìn)一步溶脹，提高了其疲勞壽命。

2.2.3 低溫流變性能

為了對(duì)各瀝青短期老化試樣的低溫變形能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)各瀝青的短期老化試樣進(jìn)行BBR低溫蠕變?cè)囼?yàn)，以-18 ℃為參考溫度［17］，對(duì)比各瀝青試樣TFOT前后的勁度模量與蠕變速率，如圖6所示。

通過(guò)對(duì)比-18 ℃下各瀝青試樣的勁度模量（S）與蠕變速率（m），結(jié)果發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、9% ZT-L與9% ZT-G老化后的低溫變形能力均有不同程度的降低；而5%、7%摻量的ZT-L與ZT-G老化后的低溫變形能力均有不同程度的提升。

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，基質(zhì)瀝青在經(jīng)過(guò)短期老化后小分子成分較少，分子間的極性增強(qiáng)，老化后瀝青的松弛性能下降；SBS改性瀝青在短期老化期間伴隨著基質(zhì)瀝青的老化與SBS的降解，導(dǎo)致其低溫蠕變性能也隨之下降；5%與7%摻量的2種直投式SBS改性瀝青的m/S變大，表現(xiàn)為低溫變形能力提升，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是直投式SBS改性劑中含有星形和線形2種SBS改性劑，且星形SBS與線形SBS的比例在1∶3左右，星形SBS改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性不足，導(dǎo)致星形SBS在瀝青中存在較多殘留進(jìn)而影響了改性效果。隨著老化的進(jìn)行，改性瀝青中殘留的星形SBS與基質(zhì)瀝青進(jìn)一步溶脹，改性劑溶脹發(fā)育作用帶來(lái)的低溫改性效果抵消了老化產(chǎn)生的不利影響，進(jìn)而使改性瀝青的低溫性能得到提升。9%摻量的ZT-L與ZT-G在老化后出現(xiàn)了低溫變形能力下降的情況，這可能是因?yàn)樵诮?jīng)歷短期老化后，殘留的改性劑與基質(zhì)瀝青溶脹更多導(dǎo)致改性劑摻量增大，過(guò)多改性劑在瀝青中產(chǎn)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，不利于瀝青低溫變形能力的提高。

以工程中常規(guī)濕法5% SBS改性瀝青作為參照， 5%摻量的ZT-L與ZT-G的各項(xiàng)性能較SBS改性瀝青均有一定差距；7%摻量的ZT-L與ZT-G除高溫性能較SBS改性瀝青略差外，中溫抗疲勞能力及低溫變形能力均與SBS改性瀝青相當(dāng)，且考慮到7%摻量的ZT-L與ZT-G在短期老化后各項(xiàng)性能均有一定程度的提升，故選擇7%為本研究的ZT-L與ZT-G最優(yōu)摻量。雖然9%摻量的ZT-L與ZT-G的性能較SBS改性瀝青更好，但本研究的設(shè)計(jì)思路是以盡量少的改性劑摻量達(dá)到或接近常規(guī)濕法SBS改性瀝青的性能要求，且考慮到成本因素，故不選擇9%作為本研究的最優(yōu)摻量。

2.3 微觀性能研究

采用德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的Dimension Fastscan 03040155型原子力顯微鏡（AFM），選用峰值力輕敲模式PeakForce Quantitative Nano-Mechanics（PF-QNM），對(duì)基質(zhì)瀝青、5%常規(guī)濕法SBS改性瀝青、7%直投式SBS改性瀝青進(jìn)行掃描測(cè)試，每個(gè)掃描點(diǎn)的掃描范圍選為20 μm×20 μm［18］。得到的老化前瀝青形貌如圖7所示，老化后瀝青形貌如圖8所示。

4種瀝青在老化前后均存在明顯的“蜂狀結(jié)構(gòu)”，經(jīng)過(guò)短期老化后均出現(xiàn)了蜂狀結(jié)構(gòu)數(shù)量減少、單個(gè)蜂狀結(jié)構(gòu)面積增大的情況，老化過(guò)程使瀝青質(zhì)產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，“蜂狀結(jié)構(gòu)”從短粗形向細(xì)長(zhǎng)形過(guò)渡。比較上述幾種瀝青試樣的均方根粗糙度，如圖9所示。

瀝青中各組分含量的不同以及各組分間的膠結(jié)力差異是導(dǎo)致粗糙度不同的原因。對(duì)比圖9中各瀝青老化前后的粗糙度可以發(fā)現(xiàn)，老化前基質(zhì)瀝青的粗糙度均方根最小，表面比較平整。常規(guī)SBS的加入使基質(zhì)瀝青的均方根粗糙度提高了50.6%，ZT-L的加入使基質(zhì)瀝青的均方根粗糙度提高了67.09%，ZT-G改性劑的加入使基質(zhì)瀝青的均方根粗糙度提高了13.5%，ZT-L與SBS對(duì)瀝青的表面粗糙度提高幅度較明顯，ZT-G的加入對(duì)瀝青的表面粗糙度也有一定的提升，證明改性劑的加入使瀝青的相態(tài)差異性變大。短期老化后幾種瀝青試樣的粗糙度均方根變化情況不同，其中，基質(zhì)瀝青經(jīng)過(guò)短期老化后小分子物質(zhì)含量減少，大分子瀝青質(zhì)增多導(dǎo)致表面粗糙度增大。濕法SBS改性瀝青與ZT-L在短期老化期間瀝青4組分含量的變化與SBS大分子裂解為小分子的2個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，最終導(dǎo)致的結(jié)果是SBS改性瀝青的粗糙度減小。ZT-G短期老化前后的表面粗糙度增大，由圖7和圖8可以看出，其老化前后表面形貌變化較大，推測(cè)是短期老化過(guò)程使SBS進(jìn)一步溶脹發(fā)育導(dǎo)致其表面粗糙度增大，這也與宏觀試驗(yàn)得到的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

1）直投式SBS改性瀝青在短期老化后彈性成分增加，直投式SBS改性劑能夠降低瀝青的溫度敏感性。國(guó)路直投式SBS改性瀝青在老化過(guò)程中存在二次發(fā)育現(xiàn)象。

2）短期老化能夠使殘留的SBS與瀝青進(jìn)一步溶脹，適當(dāng)摻量的直投式SBS改性瀝青在短期老化后疲勞壽命會(huì)有所增加。

3）9% ZT-L與9% ZT-G老化后的低溫變形能力均有不同程度的降低，而5%、7%摻量的ZT-L與ZT-G老化后的低溫變形能力均有不同程度的提升。

4）在短期老化后，常規(guī)濕法SBS改性瀝青與ZT-T改性瀝青由于四組分含量變化及SBS的裂解導(dǎo)致粗糙度減小，ZT-G改性瀝青由于進(jìn)一步溶脹發(fā)育導(dǎo)致其表面粗糙度增大，與宏觀試驗(yàn)得到的結(jié)論一致。

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