SBS改性瀝青現(xiàn)場加工參數(shù)優(yōu)化及性能研究

黃曉研

文章借鑒南寧吳圩機場第二高速公路橡膠瀝青路面施工技術(shù)總結(jié)經(jīng)驗，利用現(xiàn)場加工方法得到最佳剪切速率、剪切時間、剪切溫度及發(fā)育時間，制備SBS改性瀝青，分組后對其進行檢測分析，結(jié)果表明：三大指標(biāo)都能滿足規(guī)范要求;SHRP試驗分析得知3#原樣改性瀝青比RTFOT后的改性瀝青短期抗老化性能好、1#抗疲勞性能好、試樣低溫等級均為PG-29;EDS法檢測改性瀝青比紅外光譜法測的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn);現(xiàn)場加工SBS改性瀝青生產(chǎn)老化后的質(zhì)量損失處于穩(wěn)定狀態(tài)。

道路工程;SBS改性瀝青;瀝青現(xiàn)場加工;EDS法

U416.02A120425

0 引言

公路運輸作為交通系統(tǒng)組成部分之一，是最便捷、最直接的運輸方式。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，公路里程也實現(xiàn)跨越式增長。隨著我國高速公路里程不斷增加，每年養(yǎng)護里程也在不斷攀升，致使對瀝青的需求呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢[1]。瀝青是一種復(fù)雜的高分子烴類聚合物，也是路面施工最重要的材料，就目前的交通量而言，普通的瀝青路面難以達到合格的標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究改性瀝青對提高路面承載能力、抗擠壓變形能力以及路面抗老化性等方面具有特殊意義，SBS改性劑能大幅度提升瀝青在高溫、低溫下的穩(wěn)定性，很好地適應(yīng)我國當(dāng)前的交通情況[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對SBS改性瀝青進行了大量研究：Yan Wang等[3]通過試驗得出SBS改性瀝青制備的最佳條件和SBS改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)等級以及性能應(yīng)用;D.Q.Sun等[4]結(jié)合了改性瀝青聚合物的含量定量來測定，研究基于性能、紅外光譜等方法，在這些方法中紅外光譜法是檢測改性瀝青中聚合物含量最常用的方法，也是較為合適的測試方法之一;曹貴等[5]通過對改性瀝青性能和工藝參數(shù)的研究，得出了新的復(fù)配SBS改性瀝青生產(chǎn)材料比例和新工藝參數(shù)，得出工廠化生產(chǎn)的SBS改性瀝青質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠的結(jié)論;于艷杰等[6]通過高速剪切制備改性瀝青試驗表明，SBS改性瀝青具有儲存穩(wěn)定性好、溫度敏感性小的優(yōu)點。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，基質(zhì)瀝青中加入SBS改性劑可以改變?yōu)r青的各項性能[7]，同時SBS改性瀝青具有在施工現(xiàn)場加工方便、加工過程質(zhì)量參數(shù)可控等特點。為此，本文借鑒南寧吳圩機場第二高速公路橡膠瀝青路面施工技術(shù)經(jīng)驗，針對SBS改性瀝青現(xiàn)場加工工藝及質(zhì)量控制不足等問題，試圖通過熔融研磨法這一現(xiàn)場施工方式找到最佳剪切速率、剪切時間、剪切溫度及發(fā)育時間參數(shù)，以常規(guī)性能測試、SHRP試驗、改性劑含量測試及性能穩(wěn)定性試驗分析等方式，驗證最佳參數(shù)的正確性。

1 最佳現(xiàn)場加工方法的確定

1.1 現(xiàn)場加工方式及工藝

本項目使用熔融研磨法來現(xiàn)場加工SBS改性瀝青，將比例調(diào)配好的瀝青先加熱到一定溫度后，加入SBS改性劑，再將熱瀝青放入高速剪切機，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將熱瀝青和SBS改性劑充分地研磨并分散。

由此研究不同的剪切速率、時間、溫度和發(fā)育時間對改性瀝青的影響，得出現(xiàn)場加工改性瀝青的最佳工藝參數(shù)，并通過三大指標(biāo)、SHRP指標(biāo)、改性劑含量的試驗來驗證成品改性瀝青的性能。

1.2 最佳參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場加工改性瀝青生產(chǎn)的實際狀況，基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，改性劑技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

在改性瀝青的制備過程中，剪切速率、剪切時間、剪切溫度以及發(fā)育時間是主要的工藝參數(shù)。根據(jù)分析微觀條件下產(chǎn)生的因素和基本性能對瀝青性能影響，研究不同的參數(shù)對改性瀝青的影響，從而探索其規(guī)律并從中得出改性瀝青制備的最佳方案。

1.2.1 剪切速率的確定

本試驗將選取5個剪切速率進行檢測，范圍為2 000～6 000 r/min，三大指標(biāo)結(jié)果如表3所示。

通過對表3中不同軟化點、針入度及延度進行分析可以得出，剪切速率>4 000 r/min時改性劑會影響基質(zhì)瀝青的改性效果;改性瀝青在抗剪切性能和高溫流變性適合時的剪切速率在4 000 r/min;為有效防止快速剪切產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致局部老化，最后選取剪切速率4 000 r/min作為改性劑加工最佳剪切速率。

1.2.2 剪切時間的確定

本試驗將選取20 min、30 min、 40 min 、50 min四個剪切時間，研究加工改性瀝青的三大指標(biāo)。結(jié)果如表4所示。

通過對表4中不同軟化點、針入度及延度進行分析可以得出，剪切時間在40 min的改性瀝青軟化點值最高;剪切時間對改性瀝青針入度影響不顯著;當(dāng)剪切時間超過40 min后改性瀝青低溫延度下降，因此剪切時間應(yīng)控制在35 min左右為最佳時間。

1.2.3 剪切溫度確定

本實驗選取165 ℃、175 ℃、185 ℃、195 ℃四個剪切溫度，研究加工改性瀝青的三大指標(biāo)，結(jié)果如下頁表5所示。

通過對表5中不同軟化點、針入度、延度進行分析可以得出，剪切溫度控制在185 ℃時成品瀝青的軟化點最高;剪切溫度在165 ℃～185 ℃時延度相差不大，剪切溫度>185 ℃后，延度隨剪切溫度升高而降低，軟化度最高，低溫延度和針入度指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)，因此剪切溫度控制在185 ℃為最佳溫度。

1.2.4 改性瀝青發(fā)育時間的確定

本實驗選取2 h、3 h、4 h、5 h、6 h五個發(fā)育時間，研究加工改性瀝青的三大指標(biāo)，結(jié)果如表6所示。

通過對表6中不同軟化點、針入度及延度進行分析可以得出，發(fā)育時間在4 h時候達到軟化點頂點， 對4 h為改性瀝青最優(yōu)發(fā)育時間，但考慮到現(xiàn)場瀝青罐容量過大，發(fā)育時間緩慢，因此，瀝青發(fā)育時間延長至6 h左右，不宜超過6 h。

2 SBS改性瀝青性能研究

針對上文得到的最佳剪切速率、剪切時間和剪切溫度以及發(fā)育時間制備SBS改性瀝青，并對其進行常規(guī)性能、SHRP試驗、改性劑含量及性能穩(wěn)定性的分析。

2.1 常規(guī)性能分析

將三組瀝青分別編號為1#、2#、3#，再用此三組成品改性瀝青進行三大指標(biāo)以及經(jīng)過RTFOT后的延度、質(zhì)量損失與殘留針入度比試驗，得到結(jié)果如表7所示。

由表7可知， SBS改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)可通過此加工工藝制出并都能符合規(guī)范要求，性能穩(wěn)定。

2.2 SHRP試驗分析

2.2.1 動態(tài)剪切流變試驗

采用動態(tài)剪切流變儀，分別對原樣、RTFOT后殘渣進行試驗，探究加工現(xiàn)場改性瀝青的疲勞性與高溫穩(wěn)定性。其中車轍因子G*/sinδ為評價參數(shù)，δ為滯后角。動態(tài)荷載作用下G*為應(yīng)變之比和應(yīng)力，若瀝青擁有較強的抗車轍能力，則需確保較大的G*值與較小的δ值。分別對原樣瀝青、RTFOT短期老化后的殘渣瀝青進行驗證，如表8、表9所示。

SHRP規(guī)范要求RTFOT后殘留瀝青的G*/sinδ≥1.1 kPa，RTFOT后的殘渣瀝青G*/sinδ≥2.3 kPa。通過表8、表9可以看出，三個原樣品瀝青高溫都≥PG77，具有較強的抗車轍能力、較強的抵抗剪切變形能力、高溫穩(wěn)定性及抗老化性。

2.2.2 彎曲梁流變試驗

對瀝青低溫性能進行評價，BBR試驗中，瀝青處于低溫條件下時，通過蠕變勁度S來反映抵抗恒載能力，勁度S在荷載作用下變動的速率用蠕變速率m來表現(xiàn)。結(jié)果如表10所示。

由表10改性瀝青BBR試驗結(jié)果得出，按照PG分級評價標(biāo)準(zhǔn)，三個試樣的低溫級別均為PG-29。

2.2.3 瀝青疲勞耐久性試驗

在評估現(xiàn)場加工的SBS改性瀝青疲勞性能時，將疲勞因子G*/sinδ作為評價指標(biāo)，在29 ℃的試驗溫度下，使用DSR對SBS改性瀝青進行低溫剪抗疲勞試驗，結(jié)果如表11所示。

同溫度下，G*/sinδ 值越小表示能力損失較少，通過表11看出1#抗疲勞性能好。

2.3 改性劑含量分析

2.3.1 EDS檢測原理

本次采用南寧吳圩機場第二高速公路橡膠瀝青，反應(yīng)方程式為：

nSB-Li++SiCl4→（SB）nSiCl4-n+nLiCl （1）

式中：n——單根分子鏈的偶聯(lián)度，理想情況下為4;

SB-——活性雙嵌段聚合物。

2.3.2 樣品制備

樣品制備的材料采用南寧吳圩機場第二高速公路橡膠瀝青，分析星型SBS改性瀝青的加工參數(shù)，制作出1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%五種不同含量的SBS改性瀝青。

2.3.3 不同摻量改性瀝青的元素分析

分別采用1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的改性劑摻量對星型SBS改性瀝青進行試驗并對試驗結(jié)果進行分析，如表12所示。

通過表12可以看出Si元素的含量隨著改性劑摻量的增加而增加。

2.3.4 繪制星型SBS改性劑摻量和Si元素含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

對不同的星型SBS改性劑摻量瀝青樣品進行能譜儀掃描實驗，得出各改性瀝青的Si元素含量，如圖2所示。

通過圖2可知，Si元素含量和星型SBS改性劑摻量之間成一種線性關(guān)系，Si元素的含量隨著改性劑摻量的增加而增加，回歸方程如式（2）所示。還可以看出R2=0.998 7為回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)，表明回歸方程的擬合結(jié)果相近，從而證明了Si元素含量與星型SBS改性劑含量之間的線性關(guān)系。

y=0.091+0.101x （2）

2.3.5 能譜儀法和紅外光譜法對比

用不同摻量SBS改性瀝青進行能譜儀試驗，與陳穎娣等[8]多位學(xué)者對SBS的不同參數(shù)用紅外光譜法試驗的結(jié)果進行對比分析，得出能譜儀法檢測改性瀝青中新型SBS改性劑中元素含量更為精確。

2.4 性能穩(wěn)定性分析

通過研究針入度比、針入度、老化后的質(zhì)量損失、延度、軟化點這5項指標(biāo)的數(shù)據(jù)，得出現(xiàn)場加工SBS改性瀝青的質(zhì)量穩(wěn)定性。本節(jié)采用系統(tǒng)抽樣方式，現(xiàn)場施工每生產(chǎn)出一批瀝青即從中抽樣進行檢測，用計算平均值來確定瀝青的指標(biāo)值，通過抽樣現(xiàn)場加工SBS改性瀝青成品的試驗數(shù)據(jù)進行性能分析。

表13為采用系統(tǒng)抽樣對施工期現(xiàn)場加工的SBS改性瀝青成品的試驗數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場加工質(zhì)量穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖3～7。

通過分析現(xiàn)場加工SBS改性瀝青中25 ℃針入度、軟化點、5 ℃延度和老化后針入度比的數(shù)據(jù)，可以看出試驗結(jié)果的柱形圖呈現(xiàn)中間高兩邊低，符合正態(tài)分布函數(shù)圖形，表明現(xiàn)場加工SBS改性瀝青性能穩(wěn)定。

由圖8可以看出，現(xiàn)場加工SBS改性瀝青生產(chǎn)老化后的質(zhì)量損失處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文通過熔融研磨法對SBS改性瀝青進行現(xiàn)場加工，得到最佳的剪切速率、剪切時間、剪切溫度以及發(fā)育時間參數(shù)，制備了SBS改性瀝青，分別對得到的SBS改性瀝青進行常規(guī)性能、SHRP試驗、改性劑含量及性能穩(wěn)定性試驗分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過現(xiàn)場加工方法確定最佳剪切速率為4 000 r/min、剪切時間為35 min、剪切溫度為185 ℃、發(fā)育時間為6 h。

（2）應(yīng)用最佳參數(shù)制備的成品改性瀝青，在三大指標(biāo)、延度、質(zhì)量損失和殘留針入度上，均能滿足規(guī)范要求。

（3）通過SHRP試驗得到原樣改性瀝青3#，具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗車轍能力及較強的抵抗剪切變形能力。RTFOT后的改性瀝青短期抗老化性能好;改性瀝青1#抗疲勞性能好;三個試樣的低溫等級均為PG-29。

（4）對比EDS法與紅外光譜法，證明EDS法檢測改性瀝青中新型SBS 改性劑中元素含量的數(shù)據(jù)更為精確。

（5）通過研究針入度比、針入度、老化后的質(zhì)量損失、延度、軟化點指標(biāo)的數(shù)據(jù)，得出現(xiàn)場加工SBS改性瀝青性能處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]李 慧.公路橋梁的日常維護與橋梁養(yǎng)護技術(shù)[J].四川建材，2021，47（6）：147，151.

[2]牛冬瑜，馬英新，仁乾龍珠，等.加工參數(shù)對地溝油/廢舊橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響[J].江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，39（3）：355-361.

[3]Yan Wang，Bo Chuan Zhan，Jian Cheng.Study on Preparation Process of SBS / CrumbRubber Composite Modified Asphalt[J].Advanced Materials Research，2012，1616（450）：417-422.

[4]D.Q.Sun，L.W.Zhang.A Quantitative Determination of Polymer Content in SBS Modified Asphalt.Part l： State ofthe Art[J].Petroleum Science andTechnology，2013，31（24）：2 636-2 642.

[5]曹 貴.SBS改性瀝青質(zhì)量控制技術(shù)及應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[6]于艷杰.SBS分散狀態(tài)及其對改性瀝青性能影響的研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2014.

[7]歐陽旻奇.SBS改性瀝青現(xiàn)場加工關(guān)鍵參數(shù)及質(zhì)量控制研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2019.

[8]陳穎娣，涂 娟，章 波，等.紅外光譜法分析 SBS 改性瀝青的影響因素探討[J].石油瀝青，2014，28（1）：67-72.