SBS改性瀝青短期老化性能研究

高 磊，喻金樓，聶桂海，羅雪平

(廣州大學(xué) 廣州市 510006)

0 引言

SBS改性瀝青因其優(yōu)異的綜合性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于瀝青路面工程和建筑防水工程，但氣候環(huán)境、重載交通、工況介質(zhì)等眾多因素會(huì)加劇SBS改性瀝青的性能劣化，對(duì)構(gòu)筑物的使用壽命產(chǎn)生不利影響，瀝青的熱氧老化是其主要原因之一[1-2]。祁文洋[3-4]認(rèn)為SBS改性瀝青老化存在兩個(gè)明顯老化階段：第一階段：瀝青吸氧率低，小分子比例基本不變；第二階段：瀝青吸氧速率逐漸增大，小分子比例減少，并用測(cè)力延度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青老化。徐歐明[5]等研究了紫外線對(duì)SBS改性瀝青的老化特性。陳靜云[6]等通過(guò)紅外光譜對(duì)SBS改性瀝青的老化進(jìn)行微觀分析，從官能團(tuán)的角度探索瀝青老化過(guò)程。

雖然目前已有很多關(guān)于SBS改性瀝青老化前后的性能研究，但大部分側(cè)重老化機(jī)理和組分變化，缺少對(duì)不同SBS摻量改性瀝青的老化規(guī)律研究。因此，有必要對(duì)不同SBS摻量改性瀝青進(jìn)行較為深入的研究，為實(shí)際道路施工確定SBS最佳摻量，使SBS改性瀝青的抗老化性能最佳，從而提高路面使用壽命。

1 原材料

(1)瀝青

本實(shí)驗(yàn)所用瀝青為殼牌新粵瀝青有限公司提供的70號(hào)基質(zhì)瀝青，其基本性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1。經(jīng)檢驗(yàn)其性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)。

表1 試驗(yàn)瀝青基本指標(biāo)

(2)改性劑

本研究選用星型LG-411SBS改性劑，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示，試樣如圖1所示。

圖1 SBS改性劑

表2 試驗(yàn)改性劑基本指標(biāo)

(3)穩(wěn)定劑

本研究選用的穩(wěn)定劑是硫化物穩(wěn)定劑，其為墨綠色粉末狀，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定劑

2 改性瀝青制備

SBS改性瀝青的制備包括溶脹、剪切及發(fā)育三個(gè)部分。首先將預(yù)熱的70號(hào)基質(zhì)瀝青與SBS改性劑混合，放入163℃的烘箱內(nèi)溶脹30min；剪切階段采用HR-6高速手持剪切分散機(jī)，在175℃的條件下，首先低速剪切15min，剪切速度為3000rad/min；然后高速剪切45min，剪切速度為10000rad/min，使改性劑均勻分散在基質(zhì)瀝青中；然后加入1‰的穩(wěn)定劑，充分?jǐn)嚢瑁湃?75℃的烘箱內(nèi)發(fā)育1h，完成SBS改性瀝青的制備。流程圖如圖3所示。

圖3 SBS制備工藝流程圖

3 抗短期老化性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 針入度

瀝青針入度是瀝青主要質(zhì)量指標(biāo)之一，是表示瀝青軟硬程度、稠度的指標(biāo)。本研究對(duì)不同摻量的SBS改性瀝青進(jìn)行短期老化，對(duì)比老化前后針入度、軟化點(diǎn)，并計(jì)算針入度比和軟化點(diǎn)增量，分析SBS改性瀝青抗短期老化能力。SBS改性瀝青25℃針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 SBS改性瀝青25℃針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3可知，在同一SBS改性劑摻量下，短期老化后的SBS改性瀝青的針入度減小，軟化點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的增大。隨著SBS改性劑摻量的增加，針入度逐漸較小，這是因?yàn)镾BS摻入瀝青中形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青黏度增加，限制了瀝青的流動(dòng)。軟化點(diǎn)開始逐漸增大，在5%摻量時(shí)突然下降，這是因?yàn)镾BS摻量過(guò)大，分散不均勻，產(chǎn)生離析，使得軟化點(diǎn)降低[1]。

根據(jù)表3，計(jì)算得到SBS改性瀝青25℃針入度比和軟化點(diǎn)增量公式為：

ΔT=Tt-T0

其中：Kp—試樣TFOT老化后殘留物針入度比(%)；

Pt—試樣TFOT老化5h后殘留物針入度(0.1mm)；

p0—試樣TFOT老化前殘留物針入度(0.1mm)；

ΔT—試樣TFOT老化5h后軟化點(diǎn)增量(℃)；

Tt—試樣TFOT老化5h后軟化點(diǎn)(℃)；

T0—試樣TFOT老化前軟化點(diǎn)(℃)。

25℃ SBS改性瀝青針入度比和軟化點(diǎn)增量隨SBS改性劑摻量變化關(guān)系如圖4。

圖4 25℃SBS改性瀝青針入度比和軟化點(diǎn)增量隨SBS改性劑摻量變化關(guān)系

由圖4可知：針入度比隨著SBS改性劑摻量的增加而增加，當(dāng)SBS改性劑摻量超過(guò)3%后，針入度比增大趨勢(shì)變緩；3%、4%摻量時(shí)溫度敏感性最低，軟化點(diǎn)增量最小，有較好的抗老化性能。

3.2 旋轉(zhuǎn)黏度

本試驗(yàn)采用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)探究SBS摻量對(duì)SBS改性瀝青黏度的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)其抗老化性能。在60℃條件下，選用29號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為1rad/min；在135℃條件下，選用21號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為30rad/min。圖5、圖6為不同摻量SBS在60℃、135℃條件下老化前后的黏度變化情況。

圖5 不同SBS摻量60℃下老化前后黏度

圖6 不同SBS摻量135℃下老化前后黏度

從圖5、圖6可以看出，SBS改性瀝青老化前黏度均隨SBS摻量的增加而增加，這主要是因?yàn)殡S著SBS改性劑的增加，分散在瀝青中的組分增加，形成了密實(shí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得SBS改性瀝青黏度增加；當(dāng)SBS改性劑摻量小于4%時(shí)，老化后的SBS改性瀝青黏度增長(zhǎng)幅度較小，抗老化性能較好；當(dāng)SBS改性劑摻量大于4%時(shí)，老化后的SBS改性瀝青黏度增幅變大，抗老化性能減弱。

3.3 延度

延度是瀝青在外力作用下發(fā)生拉伸變形而不破壞的能力指標(biāo)，反映瀝青的柔韌性。延度的大小直接影響瀝青的低溫變形能力，延度越大，低溫變形能力越強(qiáng)。本研究采用試驗(yàn)溫度為10℃、拉伸速度為50mm/min±2.5mm/min。不同摻量SBS改性瀝青老化前后10℃延度試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同摻量SBS改性瀝青老化前后10℃延度試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知：當(dāng)SBS改性劑摻量低于4%時(shí)，老化前后的瀝青延度均隨SBS改性劑摻量的增加而增加，這是因?yàn)榛|(zhì)瀝青與SBS逐漸交聯(lián)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加SBS改性瀝青的延展性；當(dāng)SBS改性劑摻量為5%時(shí)，老化前后的延度出現(xiàn)不同程度的下降，這是因?yàn)楫?dāng)SBS改性劑摻量為4%時(shí)，瀝青延度已經(jīng)達(dá)到最大值，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成，繼續(xù)增加SBS改性劑，僅能增加瀝青稠度，而無(wú)法提高其延展性，使得瀝青脆性增加[2]。可見(jiàn)，SBS改性劑摻量為4%時(shí)抗老化性能最佳。

3.4 彈性恢復(fù)

彈性恢復(fù)用于評(píng)價(jià)熱塑性橡膠類聚合物改性瀝青的彈性恢復(fù)性能，即測(cè)定用延度試驗(yàn)儀拉長(zhǎng)一定長(zhǎng)度后的可恢復(fù)變形的百分率。本研究試驗(yàn)溫度為25℃，拉伸速率為50mm/min±2.5mm/min。不同摻量的SBS改性瀝青老化前后彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

圖8 不同摻量的SBS改性瀝青老化前后彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

如圖8所示：隨著改性劑摻量的增加，老化后的SBS改性瀝青彈性恢復(fù)率逐漸升高，這是因?yàn)樵诶匣^(guò)程中SBS改性劑與基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分能夠很好相融，從而改善SBS改性瀝青的韌性[3]；老化前的SBS改性瀝青彈性恢復(fù)率先增大后減小，與老化后改性瀝青的彈性恢復(fù)率無(wú)明顯規(guī)律，所以無(wú)法有效評(píng)價(jià)不同摻量SBS改性瀝青的抗短期老化性能。

4 結(jié)論

通過(guò)本文研究可以得出以下結(jié)論：

(1)隨著SBS改性劑摻量的增加，老化前后不同摻量的SBS改性瀝青針入度逐漸減小，軟化點(diǎn)逐漸升高，60℃動(dòng)力粘度、135℃旋轉(zhuǎn)黏度逐漸升高，延度先升高后減小。

(2)當(dāng)SBS改性劑摻量為4%時(shí)，SBS改性瀝青老化前后軟化點(diǎn)最大，高溫性能最好；殘留針入度比和軟化點(diǎn)增量較小，老化前后10℃延度最大，具有較低的溫度敏感性，抗老化性能最佳。

(3)當(dāng)SBS改性劑摻量超過(guò)4%時(shí)，老化后黏度迅速增大，延度下降，抗短期老化能力略有降低。