SBS改性瀝青車轍因子影響因素分析

筵玉濤（甘肅路橋建設集團第一公路工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

現代交通軸載重、交通量大、胎壓高，對路面質量提出了更高的要求，而優質瀝青是確保瀝青路面使用性能的關鍵。由于我國優質油源緊缺、氣候環境復雜，使得大部分的基質瀝青不能適應高等級公路建設的需求，對瀝青進行改性成為必然的選擇。SBS（熱塑性丁苯橡膠）改性劑由于其特有的兩相嵌段共聚結構，使用SBS作為瀝青改性劑可以同時提高瀝青的高溫穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞特性及耐老化性能。盡管SBS改性瀝青在試驗室表現出優異的性能，但其在路面工程中的表現并不盡如人意，在使用過程中，改性瀝青性能出現很大的變異性。這就需要科研工作者對影響SBS改性瀝青性能的各個因素進行系統、細致的研究。本文通過動態剪切流變試驗研究SBS改性瀝青組成材料對瀝青高溫性能的影響。

1 試驗材料

1.1 基質瀝青的基本性能

瀝青的性能主要與其化學組成、結構及各個成分之間相互作用狀態相關。為了研究瀝青組分與其性能的關系。本課題采用SK90#、SHELL90#、昆侖90#、鎮海90#和埃索70# 5種基質瀝青分別與不同SBS改性劑相混合制備改性瀝青。現對5種基質瀝青做4組分分析，結果如表1所示。

表1 基質瀝青4組分分析結果

1.2 改性劑的技術性質

本課題使用道改2#、T161B、1320-115、4303及YH791 5種改性劑制備改性瀝青。其中的道改2#、T161B和4303為星型，1320-115與YH791是線型改性劑。

1.3 抽出油和穩定劑

在SBS改性瀝青的制備過程中，為了改善SBS在基質瀝青中的分散性，改性劑與基質瀝青之間的相容性、調節其粘度和低溫延展性，往往需要加入一定數量的助劑材料。主要是環烷烴精煉油，由于其與SBS改性劑有很好的相溶性且引起強度下降幅度不大[2]。本課題采用環烷烴含量較高的高芳烴油。

為了提高SBS改性瀝青的粘結力、改性劑與瀝青的相容性，改善瀝青的儲存穩定性，可以在瀝青中加入交聯劑，對改性劑表面和瀝青進行化學交聯，增強SBS改性劑的網絡結構，提高改性瀝青的抗變形能力和強度。同時，由于改性劑與瀝青密度的差異，在儲存過程中，由于重力的作用，改性劑容易發生上浮現象。因此，在制備改性瀝青的過程中，往往需要加入一定質量的穩定劑。本項目采用性能穩定的無機類穩定劑。

2 試驗及結果分析

2.1 SBS改性瀝青高溫性能評價方法

瀝青結合料在高溫下抵抗車轍變形的能力不僅與其粘彈性性能相關，還與其勁度模量相關，瀝青的粘性越大，抵抗車轍變形的能力越弱；而瀝青的勁度模量越大，抵抗車轍變形的能力越強。因此，其車轍因子定義為G*/sinδ。

2.2 SBS改性瀝青的高溫抗車轍因子

使用正交試驗設計方法，對以上5種基質瀝青、5種改性劑及其在5個不同摻量下制備的SBS改性瀝青進行車轍因子的測試。為了便于分析，采用老化后70℃車轍因子；根據SHRP瀝青結合料分級標準，高溫以6℃為一個間隔，如果采用這樣的分級標準則不同改性瀝青之間的差異性很小，因此對其高溫等級的界定統一采用老化后車轍為2.2kPa的溫度點。改性瀝青車轍因子測試結果如表2所示。

對以上正交試驗結果分析看出，改性劑摻量是影響SBS改性瀝青車轍因子的主要因素，其次是基質瀝青和改性劑類型。以下分別對各個因素的影響趨勢進行探討。

2.3 改性劑摻量對SBS改性瀝青車轍因子的影響

由圖1可以看出，在70℃測試條件下，在改性劑摻量從3.6%～5.2%的增加過程中，SBS改性瀝青的車轍因子整體呈增大趨勢。首先，SBS改性劑在瀝青中吸收瀝青輕質組分的溶脹過程，使基質瀝青中原有的組分比例發生變化，其中飽和分和芳香分含量降低，而瀝青質與膠質含量相對增加，組分比例變化的結果是瀝青變硬，瀝青抵抗高溫流動變形的能力增強；SBS改性劑經過高速剪切的過程后，以細小塑性顆粒的形式分散在瀝青中，盡管由于其吸收了瀝青中的輕質組分聚苯乙烯硬度變小 ，但相對于瀝青而言，溶脹了的聚苯乙烯鏈段仍然有較高的強度，即隨聚苯乙烯含量的增加，改性瀝青復數模量增大，抵抗高溫變形能力增強；同時聚丁二烯的高彈特性，改善了瀝青的彈性性能，使結合料在變形過程中儲存能量增加，而損失能量相對減小，表現為sinδ值減小，G*/sinδ值增大，即車轍因子增大。

表2 SBS改性瀝青車轍因子分析

圖1 改性劑摻量對SBS改性瀝青車轍因子的影響

2.4 基質瀝青對SBS改性瀝青抗車轍因子的影響

分析圖2看出，盡管前4種基質瀝青同為90#，其高溫PG分級也同為58℃，埃索70#PG高溫分級為64℃，但其對改性瀝青車轍因子的影響卻各不相同，基質瀝青有較高的高溫等級不一定在對其進行改性處理后其車轍因子仍然高于其它瀝青。其原因主要有以下幾方面：首先，基質瀝青的四組分構成比例存在很大差異，分析基質瀝青四組分構成表，發現4種高溫等級相同的基質瀝青中瀝青質含量由高到低分別是昆侖 90#、SK90#、shell90#、 鎮海90#，正好與改性瀝青的高溫抗車轍性能相同，反應出瀝青質與改性劑抗車轍性能有很好的相關性；而高溫抗車轍性能很難與瀝青其它組分建立直接的相關關系，但這并不能說改性瀝青的抗車轍性能只與瀝青質相關，因為埃索70#盡管有很高的瀝青質含量，其改性后高溫特性并不理想；瀝青是極其復雜的化合物，其每一種組分都包含了幾百種化合物，僅以芳香分來說，又有輕芳、中芳和重芳之分，三者比例不同瀝青對改性劑的溶脹特性也不同。從基質瀝青的角度出發，為了制備高溫性能優良的改性瀝青，首先要通過試驗確定改性劑與基質瀝青之間的相容性，而不是簡單選擇瀝青質含量高的瀝青。

圖2 基質瀝青對SBS改性瀝青車轍因子的影響

圖3 改性劑類型對SBS改性瀝青車轍因子的影響

2.5 改性劑類型對SBS改性瀝青車轍因子的影響

分析圖3 5種改性劑對改性瀝青車轍因子的影響發現，星型SBS改性劑對瀝青高溫特性的改善作用顯著優于線型改性劑。從改性劑的化學結構分析，線型改性劑呈條形，各結構層之間在外力的作用下易于發生滑移，而星型改性劑是以Si原子為核心，每個鍵連接一個SBS聚合體，從空間結構來看，聚合物處于相互纏繞的網狀結構中，結構更加致密，有較強的抵抗外力變形的能力。但是正是由于星型改性劑的這種結構特性，使用星型改性劑制備改性瀝青時工藝較線型更加復雜。

3 結 語

1）正交試驗結果的相關系數表明，改性劑摻量是影響改性瀝青車轍因子的最主要因素，基質瀝青次之，改性劑類型的影響最小；

2）改性瀝青車轍因子隨改性劑摻量增加而增大；

3）基質瀝青對車轍因子的影響通過與改性劑的相容性體現，與基質瀝青中的組分比例沒有直接關系；

4）星型SBS改性瀝青車轍因子明顯大于線型SBS改性瀝青，但星型SBS改性瀝青較線型SBS改性瀝青加工困難。

[1]孫志林, 黃曉明, 張銳. 瀝青改性劑對瀝青混合料疲勞性能影響研究[J]. 公路交通科技，2008，25:33—36

[2]沙慶林.多碎石瀝青混凝土設計與施工[M].北京:人民交通出版社

[3]陳華鑫.SBS改性瀝青路用性能與機理研究[D].西安:長安大學，2006

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[5]沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社，2009:128-129