苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價方法

陳 鵬, 鄒 玲, 莊 明, 侯洪超, 仲 丁, 張文剛

(1.北京中交橋宇科技有限公司， 北京 100000； 2.東南大學交通學院， 南京 211189； 3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司， 西安 710075； 4.山東理工大學建筑工程學院， 淄博 255000； 5.道路結構與材料交通運輸行業(yè)重點實驗室(交通運輸部公路科學研究所)， 北京 100088)

苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS)改性瀝青的貯存穩(wěn)定性是影響其運輸及存儲的重要性能，中外學者對貯存穩(wěn)定性也開展了大量的研究工作。例如，孫建民[1]發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青在不同的貯存溫度下?lián)碛邢嗨频馁A存穩(wěn)定性變化規(guī)律；王立志等[2]發(fā)現(xiàn)基質瀝青的納觀表面形態(tài)越粗糙，SBS改性瀝青的48 h離析軟化點差則越大；一些外加劑也可以影響SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性，相關研究表明ZnO和TMTD(二硫化四甲基秋蘭姆)均能夠起到提升SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的作用[3-4]；納米二氧化硅、納米黏土可以與SBS形成空間網絡結構，從而起到阻止SBS與瀝青分離的作用[5-6]。但在SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價上，中外基本上都采取48 h離析軟化點差作為評價指標。此外也有學者認為離析指數(shù)、中溫離析率和降解率也可以作為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的可靠指標[7]。但遺憾的是，采用上述指標對SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性進行評價的可靠性鮮有研究。近年來，動態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheological，DSR)活躍在瀝青的研究領域，發(fā)揮著巨大的作用，復數(shù)剪切模量(G*)可以用于表征瀝青抵抗剪切變形的能力，相位角(δ)則代表著瀝青中黏性成分與彈性成分的比值關系，車轍因子(G*/sinδ)可以用于評價瀝青的高溫性能[8-10]。有學者報道了DSR試驗過程中的相關參數(shù)與SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性可能存在某種聯(lián)系，但截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)關于這種猜測的詳細研究與報道[10-13]。基于DSR試驗結果是否可以評價SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性便成為了擺在研究人員面前的一道難題。

基于上述背景，現(xiàn)選擇SBSΙ-D改性瀝青為研究對象，測試其在163 ℃下不同貯存時間的離析軟化點差，基于G*、δ及G*/sinδ，提出基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標及其計算模型，為基于DSR試驗評價瀝青貯存穩(wěn)定性提供新的思路。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

選擇山東高速物資儲運有限公司生產的SBS Ι-D改性瀝青為原材料，該瀝青中SBS含量為4%，且線形SBS和星形SBS質量比為1∶1，其技術指標如表1所示，除48 h離析軟化點差外，其余各項指標均滿足相關規(guī)范的要求。

表1 SBS Ι-D改性瀝青技術性能

圖1所示為SBSΙ-D改性瀝青在進行離析試驗前的熒光顯微圖，可以看出實驗所用SBSΙ-D改性瀝青中，SBS發(fā)育良好，基本形成了網狀結構。

圖1 SBSΙ-D改性瀝青熒光顯微圖

1.2 試驗設計

將SBSΙ-D改性瀝青倒入直徑25 mm、長度140 mm的鋁管(一端開口)中，在163 ℃下進行貯存，將貯存0～48 h(間隔2 h)的鋁管放入-18 ℃的環(huán)境箱中進行冷卻，冷卻后取鋁管中上部1/3和下部1/3的瀝青備用，分別測取0～48 h(間隔2 h)的SBSΙ-D改性瀝青的離析軟化點差。采用AR 1500ex型動態(tài)剪切流變儀(DSR)對貯存不同時間的SBSΙ-D改性瀝青(上部1/3和下部1/3)分別進行溫度掃描試驗，獲取G*、δ以及G*/sinδ。依據試驗結果分析瀝青貯存穩(wěn)定性與G*、δ和G*/sinδ等參數(shù)間的關系，建立基于DSR的改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標及計算模型。

2 試驗結果

2.1 離析軟化點與貯存時間的關系

對不同貯存時間下的SBSΙ-D改性瀝青進行離析軟化點差試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同貯存時間下SBSΙ-D改性瀝青離析軟化點試驗結果

圖2顯示，隨著高溫貯存時間的延長，SBSΙ-D改性瀝青的離析軟化點差也隨即增大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是由于SBS與瀝青之間存在密度差，導致SBS上浮，形成改性瀝青中上部SBS含量高，下部中的SBS含量降低，這種離析現(xiàn)象隨著高溫貯存時間的延長而越發(fā)明顯。

2.2 基于DSR試驗結果的貯存穩(wěn)定性

選擇163 ℃貯存48 h的SBSΙ-D改性瀝青為研究對象，對其上部1/3及下部1/3的改性瀝青分別進行溫度掃描，掃描溫度范圍為46～88 ℃，間隔6 ℃。為了研究方便，同時將163 ℃下貯存48 h的SBSΙ-D改性瀝青再次攪拌均勻后，利用DSR進行溫度掃描。圖3所示為DSR溫度掃描結果。

圖3 DSR溫度掃描試驗結果

圖3顯示，隨著掃描溫度的逐漸上升，SBSΙ-D改性瀝青的G*和G*/sinδ相應降低，δ則逐漸升高。離析后的SBSΙ-D改性瀝青其上部1/3和下部1/3的G*、δ和G*/sinδ有著明顯的差值，而離析后再次攪拌均勻的SBSΙ-D改性瀝青G*、δ和G*/sinδ的數(shù)值則處于上部1/3和下部1/3之間。由于G*為復數(shù)剪切模量，其數(shù)值越大，表征瀝青的抗剪切變形能力也越高，可見離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的抗變形能力要強于下部1/3；δ通常用于表征瀝青中黏彈性成分的比值，一般認為δ越大，瀝青中黏性成分的含量就越大，δ越小，瀝青中彈性成分的含量就越大，可見離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的彈性成分遠多于下部1/3；G*/sinδ表征車轍因子，離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的車轍因子遠大于下部1/3。上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因與上部1/3含有大量的SBS關系密切。

3 基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標

3.1 基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標的提出與有效性檢驗

上述分析表明，DSR的試驗結果與SBS的離析關系密切，而SBS的離析則直接決定SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性。基于試驗結果提出離析參數(shù)的概念，即以163 ℃下貯存th的SBS改性瀝青再次攪拌均勻后DSR溫度掃描試驗結果(G*、δ和G*/sinδ)為基數(shù)，對同種SBS改性瀝青163 ℃下貯存th后，上部1/3與下部1/3的DSR溫度掃描結果差值的絕對值與基數(shù)比值，計算公式為

(1)

δ′=|(δ上-δ下)/δ原樣|

(2)

式(2)中：δ′為相位角離析參數(shù)，%；δ上為離析后SBS改性瀝青上部1/3的相位角，(°)；δ下為離析后SBS改性瀝青下部1/3的相位角，(°)；δ原樣為離析后再次攪拌均勻的SBS改性瀝青的相位角，(°)。

(G*/sinδ)′=(G*/sinδ)上-(G*/sinδ)下

(G*/sinδ)原樣

(3)

式(3)中：(G*/sinδ)′為車轍因子離析參數(shù)，%；(G*/sinδ)上為離析后SBS改性瀝青上部1/3的車轍因子，Pa；(G*/sinδ)下為離析后SBS改性瀝青下部1/3的車轍因子，Pa；(G*/sinδ)原樣為離析后再次攪拌均勻的SBS改性瀝青的車轍因子，Pa。

如圖4所示為DSR試驗中離析參數(shù)的變化圖。圖4中蘊含著兩個信息，一是各離析參數(shù)在不同溫度下的數(shù)值，二是各離析參數(shù)隨著溫度變化的斜率。需要注意的是，如果某種SBS改性瀝青不存在離析問題，那么該SBS改性瀝青的各離析參數(shù)的數(shù)值便為0，離析參數(shù)隨掃描溫度的變化斜率也相應為0。也就是說離析參數(shù)的大小和離析參數(shù)隨掃描溫度的變化斜率越接近0，則該瀝青的貯存穩(wěn)定性也就越好。

圖4 不同掃描溫度下的離析參數(shù)

基于上述分析，提出基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標及其計算模型，模型假設前提條件為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性分值最大為100，最小為0。該計算模型為

SS(G*)=100-{a1[AVG(G*′)]b1+

c1[SLOP(G*′)]d1}

(4)

式(4)中：SS(G*)為基于復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(G*′)為復數(shù)剪切模量離析參數(shù)平均值，Pa；SLOP(G*′)為復數(shù)剪切模量離析參數(shù)與溫度所形成的線性關系斜率；a1、b1、c1、d1為系數(shù)。

SS(δ)=100+a2[AVG(δ′)]b2+

c2[SLOP(δ′)]d2

(5)

式(5)中：SS(δ)為基于相位角離析參數(shù)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(δ′)為相位角離析參數(shù)平均值，%；SLOP(δ′)為相位角離析參數(shù)與溫度所形成的線性關系的斜率；a2、b2、c2、d2為系數(shù)。

SS(G*/sinδ)=100-{a3[AVG(G*/sinδ)′]b3+

c3[SLOP(G*/sinδ)′]d3}

(6)

式(6)中：SS(G*/sinδ)為基于車轍因子的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(G*/sinδ)′為車轍因子離析參數(shù)平均值，%；SLOP(G*/sinδ)′為車轍因子離析參數(shù)與溫度所形成的線性關系的斜率；a3、b3、c3、d3為系數(shù)。

選取SS(G*)，基于復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值與試驗結果進行比較，以評判貯存穩(wěn)定性評價指標的可靠性。為了貯存穩(wěn)定性評價指標與離析軟化點指標具有可比性，依據模型假設前提條件對離析軟化點數(shù)據作如下修訂：SBS改性瀝青最大離析軟化點差為100 ℃，記0分，最小離析軟化點差為0 ℃，記100分。則不同貯存時間下基于DSR的貯存穩(wěn)定性得分值與基于離析軟化點差的貯存穩(wěn)定性得分值試驗結果如圖5所示。

圖5 圖5基于DSR和離析軟化點差的貯存穩(wěn)定性得分值

從圖5可以看出，基于復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值與基于離析軟化點差的貯存穩(wěn)定性得分值具有高度的一致性。相比較于離析軟化點試驗而言，基本復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值的評價方法可靠性更高，更重要的是，在試驗過程中無需高溫貯存48 h，可以選擇更短的貯存時間便可以計算出貯存48 h所對應的穩(wěn)定性得分值。

3.2 基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標與現(xiàn)有指標對比

中外普遍采取離析軟化點作為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的評價指標，該指標的獲取依托于軟化點試驗。中國對于軟化點試驗的相關方法和規(guī)定與美國及日本是完全相同的，在《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[14]中規(guī)定，軟化點試驗允許的重復性誤差為：當軟化點小于80 ℃時誤差為1 ℃，當軟化點大于80 ℃時誤差為2 ℃，此外，在《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]中規(guī)定，SBS改性瀝青的48 h離析軟化點差不大于2.5 ℃。所以離析軟化點在試驗過程中誤差的影響是相對較大的，而本文中基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標則借助DSR試驗的高度穩(wěn)定性及極低的誤差較好地彌補了離析軟化點的不足。表2所示為兩種指標的對比。

表2 SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標對比

4 結論

(1)SBS改性瀝青的離析軟化點差隨著高溫貯存時間的延長而逐漸增大，兩者基本呈線性關系。

(2)由于SBS改性的上浮作用，離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的彈性成分也遠多于下部1/3，上部1/3的抗變形能力及高溫性能明顯強于下部1/3。

(3)復數(shù)剪切模量離析參數(shù)G*′、相位角離析參數(shù)δ′、車轍因子離析參數(shù)(G*/sinδ)′以及3個參數(shù)與溫度所形成的線性斜率可以用于評價SBS改性瀝青離析程度的參數(shù)。

(4)本文所提出的基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標其計算模型可以很好地用于貯存穩(wěn)定性的評價，其評價結果與基于離析軟化點差所獲得的評價結果具有高度的一致性。