SBS改性瀝青機理分析與抗老化試驗研究

隆艷梅

摘要：文章通過紅外分析、組分分析及DSC熱分析闡述了SBS改性瀝青的機理，分析了影響SBS改性瀝青工程性能的主要因素，并通過抗老化試驗研究了SBS改性瀝青的劈裂強度與SBS改性劑用量之間存在的對應關系。試驗結果表明，當SBS改性劑用量在合理范圍內時，可提高瀝青結構的抗老化能力。

SBS;改性瀝青;抗老化試驗;改性劑

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，基礎交通領域的工程也在加速推進，高速公路的總通車里程在逐年增加，為各地區的建設提供了重要保障。當前高速公路的路面多為瀝青結構，這是由瀝青特有的耐用性等工程特點所決定的。然而，瀝青路面經過長時間在環境中的暴露以及常年往復的車輛荷載作用后，會發生不同程度的開裂、結構破壞等問題，對瀝青路面的使用壽命和行車安全性帶來了一定影響。通過對國內多條高速公路的瀝青路面結構質量進行調研后可知，抗老化能力不足導致了高速公路瀝青路面結構的一系列質量和安全問題。因此，研究瀝青結構機理和抗老化性能具有重要意義[1]。

1 SBS改性瀝青機理分析

1.1 SBS改性瀝青制備

制備過程中選用AS70#基質瀝青，石灰巖作為集料，細石灰石粉作為礦粉，確保該型號基質瀝青的各項參數滿足制備工藝要求。混合料級配如表1所示。

時間定為30min，SBS線型改性劑含量為5.0%[2]。SBS改性瀝青制備工藝流程如圖1所示。

1.2 紅外分析

工程應用中通常使用紅外吸收光譜來分析改性瀝青的機理，包括瀝青改性前后的物理和化學特性。本試驗中采用了波數為500～4000cm的紅外吸收方案，通過率測定為120%以內，通過紅外吸收光譜來分析瀝青改性前后的物化機理。瀝青改性前后的紅外吸收光譜對比如圖2所示。由圖2可知，經過改性后的瀝青比基質瀝青多出兩個吸收峰，分別在780.5cm和920.3cm位置。通過對該紅外吸收光譜進行分析可知，920.3cm位置處于RCH=CH2中C-H鍵振動峰，而本次試驗所用到的苯乙烯等改性劑中均含有RCH=CH2結構，而780.5cm位置的吸收峰屬于苯環代替C-H鍵的振動峰。因此，瀝青在SBS改性之后，其分子化學結構和特性并沒有改變，即改性過程主要是物理改性[3]。

1.3 組分分析

從理論上講，改性劑能夠改善基質瀝青的各類性能指標是基于改性劑對基質瀝青組分的改變。為更加直觀地分析改性劑所引起的基質瀝青組分的變化，試驗中選取了幾類主要的瀝青組分進行對比分析，包括飽和分、芳香分以及膠質、瀝青質。上述四組分在加入改性劑后的變化情況如表2所示。

由表2中數據可知，改性劑使得基質瀝青的四組分發生較為顯著的變化，具體情況如下：飽和分減少，芳香分變化不大，膠質與瀝青質均有一定程度的增加，且膠質增加效果更為明顯，表明飽和分和SBS具有較好的兼容性，可良好滲入到SBS內部。而在四組分的實際測量中發現，無法將滲入到SBS中的飽和分沖洗掉，且改性后的飽和分大量減少，因此溶脹后SBS極性十分接近瀝青膠質[4]。

1.4 DSC熱分析

DSC（DifferentialScanningCalorimeter）熱分析又被稱為差示掃描量熱法，通過相應的程序對溫度進行控制，以測量試樣、參比物功率差和溫度之間的變化關系生成DSC動態曲線，依據測量方式的不同可分為功率補償型和熱流型DSC。由于參比物在試驗環境中不存在相態變化，因此，試樣在設定程序所控制的溫度條件下，其內部將發生物理、化學變化，進而吸收一定的熱量，熱量的吸收差值在DSC曲線上顯示為曲線峰，通過峰值和基線具體位置，能夠求出峰值的實際面積。瀝青屬于一種較為復雜的混合物，其固態和液態物質的相對比例將隨著環境溫度發生變化。由于固態和液態的分子間作用力有一定差異，使得瀝青物理性質發生改變，進而引起物理力學特性的變化[5]。

2 SBS改性瀝青性能影響因素分析

2.1 存放時間因素

存放時間將影響改性瀝青的性能（軟化點）。可對比直接取樣和在室溫條件下存放一段時間的改性瀝青，一般存放時間為12h，通過對比兩種情況下的軟化點變化情況進而分析改性瀝青的性能。改性瀝青的制備工藝以及軟化點測量結果如表3所示。

由表3中數據可知，基質瀝青在改性后的軟化點有所升高，且軟化點隨著剪切轉速的增加而升高;另一方面，在任意剪切轉速情況下的軟化點都隨著存放時間的增加而降低，且軟化點的對比差值隨剪切轉速的增加而變大。上述現象充分說明瀝青本體結構是以瀝青膠質為主要組成部分，膠質與周圍物質共同形成膠束，以此分散于芳香分及飽和分共同組成的介質中。改性后的瀝青聚合物粒度較小且表面具有較高的能量，可在輕質組分的作用下發生溶脹現象，從而降低瀝青結構的表面能，生成一種新的吸附層。因此，改性過程中發生的溶脹和吸附現象可使瀝青本體結構發生改變，增強了瀝青的凝膠特性。

2.2 加工條件因素

使用混合高剪切機械進行SBS改性瀝青制備時，在剪切時間不變的情況下，當增加剪切頻率時，改性劑離散的效果較好、粒度較小、接觸表面積更大。此時改性聚合物將吸收并吸附更多瀝青組分，使表面能顯著降低，最終使改性聚合物膠質與瀝青本體膠質間的距離變小，且彼此間作用力變大，使改性后所形成的三維網狀式結構性能更為發達。該結構對于瀝青結構分子的移動、形變等可起到有效的約束作用，增大了改性瀝青結構的軟化點。另外，在瀝青改性加工過程中，較高溫度對于聚合物粒度的溶脹也具有促進作用，并可提高聚合物和瀝青膠質間的兼容性。

3 SBS改性瀝青抗老化試驗研究

3.1 劈裂試驗

通過劈裂試驗可綜合判斷瀝青老化各階段中SBS改性瀝青的劈裂強度，分析SBS改性劑用量對SBS改性瀝青抗老化性能的具體影響。SBS改性瀝青劈裂試驗數據如圖3所示。圖3中展示了SBS改性瀝青在老化前、短期老化以及中長期老化各階段的劈裂試驗數據，SBS用量范圍是1.0%～5.0%，測定的劈裂強度范圍是1.1～1.5MPa。

3.2 試驗結果分析

由圖3可知，無論是短期老化還是中長期老化過程，SBS改性瀝青的劈裂強度均大幅度提高，例如SBS改性劑用量為3%時，老化前瀝青混合料的劈裂強度為1.16MPa，經過短期老化后的瀝青混合料的劈裂強度為1.25MPa，經過中長期老化后，瀝青混合料的劈裂強度達到1.35MPa，即在經過短期老化和中長期老化后，瀝青混合料的劈裂強度分別增加了0.09MPa和0.10MPa，增加率分別是7.76%和8%。主要是由于在短期和中長期老化過程中，瀝青膠質中的輕質組分在不斷揮發，使得瀝青質的相對含量顯著增加，瀝青結構的整體剛度和強度也得以增加，因此形成較大的劈裂強度。當SBS改性劑用量超過臨界值（4.0%）時，如果繼續增加則會使瀝青混合料的劈裂強度降低，SBS用量為4.0%時瀝青混合料老化后劈裂強度達到了峰值，約為1.37MPa，此時SBS改性瀝青結構的抗老化能力最強。

4 結語

SBS改性瀝青在制備過程中對于SBS改性劑的用量、瀝青混合料的級配等具有嚴格的要求，SBS改性劑用量通常控制在5.0%以內。本文使用了高速剪切方法進行SBS改性瀝青的制備，討論了存放時間和加工條件對于SBS改性瀝青性能的影響。劈裂試驗可良好反映SBS改性瀝青的抗老化能力，其中主要衡量老化前、短期老化和中長期老化過程中SBS改性瀝青的劈裂強度。試驗結果證明，在同等SBS改性劑用量情況下，SBS改性瀝青的劈裂強度隨著老化時間的增加而變大。而在同一階段的老化過程中，當SBS改性劑用量在4.0%以下時，SBS改性瀝青的劈裂強度隨改性劑用量的增加而變大;但當改性劑用量超過4.0%時，SBS改性瀝青的劈裂強度卻隨之變小。說明改性劑用量在合理范圍內時，可提高SBS改性瀝青結構的抗老化能力。

參考文獻：

[1]祝 偉.SBS摻量對改性瀝青混合料路用性能的影響[D].西安：長安大學，2012.

[2]王 嵐，王子豪，李 超.多聚磷酸改性瀝青老化前后高溫流變性能[J].復合材料學報，2017，34（7）：1610-1616.

[3]馬慶豐，辛 雪，范維玉，等.多聚磷酸改性瀝青流變性能及改性機制研究[J].中國石油大學學報（自然科學版），2015，39（6）：165-170.

[4]曹衛東，劉樂民，劉兆平，等.多聚磷酸改性瀝青的試驗研究[J].中外公路，2010，30（3）：252-255.

[5]劉紅瑛，張銘銘，黃凌輝，等.多聚磷酸復合SBS改性瀝青流變性能及抗老化特性[J].東南大學學報（自然科學版），2016，46（6）：1290-1295.