紫外老化對SBR改性瀝青性能的影響

劉敬東

(河北省高速公路管理局　石家莊　050000)

紫外老化對SBR改性瀝青性能的影響

劉敬東

(河北省高速公路管理局石家莊050000)

摘要通過瀝青基本性能分析方法，研究了實驗室制備SBR改性瀝青的最佳改性攪拌時間和最佳改性溫度等,并利用室內紫外老化加速設備，研究在不同紫外光條件下，老化前后SBR改性瀝青的性能變化。研究發現，隨著紫外老化時間的增加，SBR改性瀝青的復合模量有增大的趨勢，同時相位角減小，說明瀝青的粘性成分減小，瀝青老化變硬。高溫溫度掃描時，SBR改性后復合模量明顯增大，相位角差別不大但增速變緩，可知改性瀝青更硬，抗車轍能力更好。SBR改性瀝青與基質瀝青相比，有更好的抗紫外老化性能。

關鍵詞紫外老化加工工藝SBR改性瀝青

強烈的紫外線輻射會導致瀝青材料的老化。近年來，隨著我國瀝青路面的比例日益增大，老化引起瀝青路面結構損害的現象逐漸為人們所重視[1-3]。丁苯橡膠(SBR)是出現較早并廣泛應用的聚合物改性劑，一般認為，SBR可以增加瀝青的彈性和粘性并降低瀝青的溫度敏感性[4-6]。本研究分別對SBR改性瀝青和基質瀝青進行不同時間的模擬老化試驗，采用動態剪切流變儀(DSR)高低溫掃描來評價紫外老化對SBR改性瀝青性能的影響,分析實驗結果以此探明紫外老化對SBR改性瀝青性能的影響規律。

1原材料

1.1　瀝青

本研究采用韓國SK公司生產的SK-90基質瀝青，其基本性能參數見表1。

表1　SK-90號道路石油瀝青性能指標

1.2　改性劑

本研究采用丁苯橡膠(SBR)對瀝青進行改性，其基本性能參數見表2。

表2　SBR基本參數

2實驗設計

2.1　改性時間選擇

在單純機械攪拌法和單純剪切法中，每隔20 min取樣進行軟化點、針入度、延度實驗，通過試驗結果來評價SBR改性劑隨改性時間在瀝青中的分散情況。SBR的摻量為3%(質量百分比)；機械攪拌轉速為800 r/min,剪切攪拌速率為4 000 r/min，改性溫度為160 ℃。針入度和延度測試依據《JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行，其測試溫度分別為25 ℃和5 ℃。

試驗后，所測得的延度均大于1 500 mm，因此無法判斷SBR改性劑在瀝青中的分散情況。軟化點和針入度隨攪拌時間的變化見圖1~圖3。

a)　軟化點與機械攪拌時間變化圖

b)　軟化點與剪切時間變化圖

a)　針入度與機械攪拌時間變化圖

b)　針入度與剪切時間變化圖

圖3　改性時間-方差δ

軟化點曲線隨添加劑混合攪拌時間的延長呈現先波動再平緩的過程。在機械攪拌中，軟化點在前80 min上下波動較大，之后軟化點曲線呈現一條直線的趨勢，因此認為在80 min后，SBR在瀝青中混合均勻。在剪切攪拌中，軟化點在前80 min同樣呈現波動的趨勢，表明SBR含量在軟化點樣品中并不相同，因此認為在80 min以前SBR在瀝青中沒有混合均勻，在80 min后，軟化點均一，認為SBR在瀝青中分散良好。

由于針入度是對樣品大范圍取樣進行分析，在SBR分布不均勻的情況下，不同取樣點的SBR含量勢必不同，測得的針入度不同，因而采用方差處理數據進行分析。針入度的方差曲線隨混合時間的延長呈現逐漸穩定在較小值的過程。在機械攪拌中，方差在前60 min有較大下降趨勢，之后方差曲線保持在較小值，因此在60 min后，SBR在瀝青中混合更為均勻。在剪切攪拌中，方差在前60 min呈現波動的趨勢，表明SBR含量在針入度樣品中分布或者含量并不相同，該實驗數據表明在60 min以前SBR在瀝青中沒有混合均勻。在80 min后，方差保持在較低水平，認為SBR添加劑經過80 min攪拌后在瀝青中分散良好。在保證SBR改性劑在瀝青中分散均勻的情況下，應盡量防止瀝青因加熱時間過長而老化，故選擇合理改性時間為90 min。

2.2　改性溫度選擇

通過改變SBR改性劑的添加溫度，研究120,140,160,180℃ 4種溫度下改性瀝青的性能變化，分析改性溫度與改性瀝青性能的關系，研究最佳SBR改性劑添加溫度。試驗SBR摻量為3%，機械攪拌轉速800 r/min。得到針入度和軟化點隨改性溫度變化曲線見圖4和圖5。

圖4　SBR改性瀝青針入度-時間變化圖

圖5　SBR改性瀝青軟化點-時間變化圖

由圖可知，針入度隨改性溫度升高有下降趨勢，可見改性溫度過高，會加速瀝青的老化，從而導致針入度有下降。在140 ℃和160 ℃改性溫度條件下，針入度無太大改變，為了盡量避免瀝青在高溫下的老化，選擇最佳改性溫度為150 ℃。所測軟化點在120,140和160 ℃時沒有明顯的變化，而在180 ℃改性溫度下，軟化點有明顯的增加，說明在此溫度下，改性過程中產生較明顯的瀝青老化現象。故改性溫度選為150 ℃是合適的。

3改性瀝青性能

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，粘彈性會隨著溫度的升高或降低而產生較大的變化。低溫時瀝青處于高彈態，隨著溫度升高，瀝青向高溫時的粘流態轉化，瀝青材料中的粘性成分不斷增多，彈性成分不斷減少；瀝青在剪切試驗中所受的最大剪切應力變小，同時最大剪切應變不斷增大，表現為瀝青的復合剪切模量隨著溫度的升高逐漸下降，而相位角隨著溫度的升高逐漸增大，瀝青流動性逐漸增強，宏觀上會變得更加柔軟。本研究通過動態剪切流變儀(DSR)對實驗室制備得到的SBR改性瀝青進行溫度掃描，研究SBR改性瀝青的性能，以及紫外老化對其性能的影響規律。

圖6，圖7為基質瀝青與SBR摻量為3%(質量比)的改性瀝青，在老化前后復合模量和相位角隨溫度變化的關系。

圖6　高溫下SK90號瀝青和SBR改性瀝青老化前后復合模量和相位角變化圖

圖7　低溫下SK90號瀝青和SBR改性瀝青老化前后復合模量和相位角變化圖

由圖6、圖7可見，復合剪切模量G*隨溫度的升高而降低，相位角δ隨溫度的升高而增大。隨著溫度的升高，瀝青材料的粘彈性中的粘性成分不斷增加，彈性成分不斷減小，因而復合模量不斷減小。由于在應力的頻率一定時，當試驗從低溫溫度開始時，δ比較小，表明應變相對于應力的滯后現象不明顯，是因為瀝青內部鏈段運動速度緩慢，因此，造成的內耗低。隨著溫度不斷升高，瀝青在慢慢向高彈態轉變時，瀝青內部的粘度仍然較大，但鏈段卻開始產生運動，所以鏈段運動時受到的摩擦阻力較大，因此應變相對于應力的滯后程度加深，從而δ增大，內耗也隨之增大。當溫度進一步升高，瀝青由高彈態向粘流態轉變，粘性成分增大，因而內耗增加，δ增大。

隨著紫外老化時間的增加，復合模量有增大的趨勢，同時相位角減小。SBR的加入未改變瀝青的復合模量和相位角的基本趨勢，所以也沒有改變瀝青的基本性質；趨勢雖是一樣的，但是復合模量、相位角變化的幅度是不一樣的。在使用DSR對瀝青進行高溫溫度掃描時，SBR改性后復合模量明顯增大，相位角差別不大但增大變緩，可知改性瀝青更硬，且粘性成分更少，因此其抗車轍能力更好。

在使用DSR對瀝青進行低溫溫度掃描時，與基質瀝青相比，摻加了SBR后，低溫下的復合模量減小和相位角增大趨勢均變緩。由圖可知，初始-5 ℃下，SBR改性前后瀝青的復合模量和相位角差別不大，則在之后的變化中，同溫下改性后瀝青的復合模量更大，相位角更小，即相應具有更少的粘性成分，則瀝青低溫抗變形、抗開裂能力提高。

無論是高溫還是低溫掃描，SBR改性瀝青的復合模量和相位角的變化幅度均變緩，短期老化及紫外老化之后，SBR改性瀝青的復合模量和相位角差別較基質瀝青要小得多，即抗高溫老化和抗紫外光老化能力更強。

4結論

(1) SBR改性瀝青的最佳制備條件為：溫度150℃，純機械攪拌90 min，轉速800 r/min。

(2) SBR改性劑的添加可降低改性瀝青針入度，升高軟化點，增加延度值。即經SBR改性后瀝青的熱穩定性得到改善，硬度變大，低溫抗裂性能有明顯提升。

(3) 隨著紫外老化時間的增加，復合模量有增大的趨勢，同時相位角減小，說明瀝青經紫外老化后其粘性成分減小，瀝青老化變硬。高溫溫度掃描實驗結果顯示，SBR改性后復合模量明顯增大，相位角雖然差別不大但增速變緩，可知改性瀝青更硬，且粘性成分更少，則其抗車轍能力更好。

(4) 紫外老化后，SBR改性瀝青的模量曲線和相位角曲線隨溫度的變化趨勢變緩，表明SBR改性瀝青的溫度敏感性降低。因此，與基質瀝青相比，其材料性能更穩定，有著更好的抗紫外老化性能。

參考文獻

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[6]王佳妮,薛忠軍,譚憶秋,等.幾種瀝青抗紫外老化措施性能對比試驗研究[J].公路交通科技:應用技術版,2013(5):140-142.

Effect of Ultraviolet Aging on Performance of SBR Modified Asphalt

LiuJingdong

(Hebei Province Expressway Management Bureau, Shijiazhuang 050000, China)

Abstract：According to the analytical method of the asphalt's fundamental characteristics, we researched the optimum modified mixing time and the optimum modified temperature of SBR modified asphalt in the laboratory. Using the indoor UV accelerated aging equipment, we studied the performance variation of SBR modified asphalt to simulate different acting time of UV. The influence of UV light on the performance of SBR modified asphalt was then investigated. Research data showed that the shear complex modulus of SBR modified asphalt increased and phase angle decreased with the increasing of UV ageing time. This indicated that the viscidity ingredient of asphalt would decrease and the asphalt would get harder during ageing. The complex modulus obviously increased and the phase angle increased very slowly, when we scanned high temperature. We could get to know the modified asphalt became harder and the anti-rut capacity became better. Research results also illustrate that the investigated SBR modified asphalt has better ultraviolet aging resistance than traditional unmodified asphalt.

Key words:ultraviolet aging; processing technic; SBR; modified asphalt