SBS 摻量對改性瀝青性能的影響規(guī)律分析

■林瑞慧

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

SBS 改性瀝青作為我國使用最廣泛的改性瀝青之一，其質(zhì)量受SBS 改性劑摻量所影響。當(dāng)基質(zhì)瀝青中加入SBS 聚合物后，二者形成共融共存的關(guān)系，而非發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)[1-2]。 改性瀝青的粘度、軟化點(diǎn)、 針入度和延度隨改性劑摻量的變化會呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化， 研究表明對SBS 改性瀝青的這些物理指標(biāo)進(jìn)行檢測， 可通過SBS 改性瀝青的性能推算出SBS 含量[3-4]。然而，不同溫度下瀝青的物理性能會有較大差異[5]，同時物理性能測試結(jié)果受測試人員的熟練程度影響較大[6]，不能客觀地反映SBS 改性瀝青的路用性能， 尤其是SBS 改性瀝青老化后的高溫性能。 由于瀝青的動態(tài)力學(xué)性能比較接近其在使用條件下的粘彈性行為， 在一定范圍內(nèi)規(guī)避常規(guī)物理指標(biāo)的缺點(diǎn)。因此，目前已有不少專家學(xué)者通過動態(tài)剪切流變試驗(yàn)（DSR），利用復(fù)數(shù)模量（G*）、相位角（δ）、車轍因子（G*/sinδ）等指標(biāo)對SBS 改性瀝青的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究， 考察改性劑含量對改性瀝青流變性能的影響[7]。為了進(jìn)一步研究SBS 摻含量對改性瀝青性能的影響規(guī)律， 本文對3 種基質(zhì)瀝青、4 種不同SBS 含量的改性瀝青進(jìn)行物理性能測試和流變性能測試， 對比研究分析各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)隨SBS 含量的變化規(guī)律，并建立擬合方程，討論基質(zhì)瀝青種類、改性劑種類對SBS 含量檢測的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青材料

采用的基質(zhì)瀝青為3 種油源和生產(chǎn)廠家均不同的70# 道路石油瀝青（依次記為A、B、C），基本物理性能如表1 所示。

表1 3 種不同70# 道路石油瀝青的物理性能

1.1.2 SBS 改性劑

選用燕山星型SBS4303 和線型SBS1301 共2 種類型的SBS 聚合物改性劑，其各項(xiàng)指標(biāo)如表2 所示。

表2 2 種SBS 聚合物改性劑的技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 試件制備

SBS 改性瀝青制備工藝條件參數(shù)為：高速剪切攪拌的轉(zhuǎn)速為5000 r/min， 時間為40 min， 溫度為180℃，低溫攪拌發(fā)育的時間為2.75 h。 SBS 改性劑摻量分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%， 將改性劑為SBS4303 的改性瀝青分別記為A+SBS4303、B+SBS4303、C+SBS4303， 將改性劑為SBS1301 的改性瀝青分別記為A+SBS1301、B+SBS1301、C+SBS1301。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 物理性能測試

SBS 改性瀝青的物理性能測試按表3 所列方法進(jìn)行。

表3 SBS 改性瀝青物理性能測試

1.2.2 流變性能測試

采用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行測試。 通過使用直徑為25 mm， 兩個平行板之間的間隙為1 mm 的平行板， 在應(yīng)變控制模式下， 以10 rad/s 的恒定頻率，0.5%的固定應(yīng)變，在溫度掃描范圍（從30℃～120℃，以2℃/min 的增量遞增）內(nèi)確定瀝青的流變行為。

瀝青的剪應(yīng)變γ、剪應(yīng)力τ、復(fù)數(shù)模量G* 和相位角δ 按公式（1）～（4）計算得到。

式（1）～（4）中：θ 為振蕩板的旋轉(zhuǎn)角；r 為振蕩板半徑；h 為樣品高度；T 為最大扭矩；τmax、τmin、γmax、γmin為樣品承受的最大或最小剪應(yīng)力、剪應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 SBS 摻量對瀝青物理性能的影響

對A 和A+SBS4303 改性瀝青進(jìn)行物理指標(biāo)試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，隨著SBS 改性劑的含量逐漸增加， 粘度和軟化點(diǎn)隨之增加，而針入度持續(xù)減小，并且SBS 鏈段、鏈節(jié)在低溫條件下仍可自由運(yùn)動，且低溫時改性瀝青延度值大于基質(zhì)瀝青，延度隨著改性劑含量增加而增加。

圖1 不同SBS 劑量改性瀝青物理指標(biāo)變化規(guī)律

2.2 SBS 摻量對瀝青流變性能的影響

對A 和A+SBS4303 改性瀝青進(jìn)行DSR 試驗(yàn)如圖2 所示。 由圖2 分析可知，而隨著溫度的升高，瀝青的G*值均減小，但相同溫度下改性瀝青的G*明顯高于基質(zhì)瀝青。 隨著SBS 增加，瀝青G* 值增大，表明SBS 聚合物的摻入提高了瀝青的抗高溫變形能力。 而δ 反映了瀝青的粘彈性特征和溫度穩(wěn)定性。隨著溫度的升高，改性瀝青與基質(zhì)瀝青之間的δ差值隨著SBS 含量的增加迅速增大， 并與G* 的變化趨勢一致。 這一現(xiàn)象驗(yàn)證了SBS 能提高瀝青的高溫性能， 且隨著改性劑含量的增加改性效果愈加顯著。

圖2 A 和A+SBS4303 的G＊ 和δ 隨溫度變化的等時曲線

車轍因子（G*/sinδ）則反映瀝青材料在重復(fù)剪切變形狀態(tài)下抵抗變形的能力。 由圖3 可知，高溫下，SBS 含量增加，改性瀝青G* 增大，瀝青的彈性成分增加，使得瀝青儲存能量增加、損失能量減小，表現(xiàn)為sinδ 減小，所以G*/sinδ 增大，改性瀝青抗變形能力增強(qiáng)。

圖3 車轍因子隨溫度的變化曲線

2.3 SBS 改性瀝青改性劑摻量的定量分析

2.3.1 粘度與SBS 摻量之間的關(guān)系

通過135℃的布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，測試瀝青A+SBS4303 改性瀝青的粘度，并做瀝青粘度與SBS 含量之間的擬合曲線如圖4 所示。 可明顯看出，粘度值隨SBS 含量增加而增加。雖然二次擬合相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99308， 但其線性擬合相關(guān)系數(shù)只有0.91565，用于檢測SBS 含量的精準(zhǔn)度不高，且試驗(yàn)易受人為因素影響。

圖4 A+SBS4303 的粘度與SBS 含量之間的關(guān)系

為了驗(yàn)證粘度指標(biāo)檢測方法的適用性，對B+SBS4303、C+SBS4303 和A+SBS1301 改性瀝青進(jìn)行粘度試驗(yàn)， 其粘度與SBS 含量的擬合方程如表4所示。

通過對比表4 可知，4 種改性瀝青的粘度值與SBS 含量的二次擬合相關(guān)系數(shù)都比較接近，但擬合方程的系數(shù)都不相同，SBS 種類比基質(zhì)瀝青種類對擬合方程的通用性影響更大。 因此，粘度指標(biāo)法檢測改性瀝青中SBS 含量準(zhǔn)確性較高， 但通用性差，試驗(yàn)時間長，計算較復(fù)雜，不適用與檢測SBS 含量。

表4 SBS 改性瀝青粘度與改性劑含量的擬合方程

2.3.2 軟化點(diǎn)與SBS 摻量之間的關(guān)系

瀝青A+SBS4303 的改性瀝青的SBS 含量與軟化點(diǎn)之間的擬合曲線，如圖5 所示。 可明顯看出，軟化點(diǎn)值隨SBS 含量增加而增加，SBS 與軟化點(diǎn)二次擬合相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.97679， 線性擬合卻只有0.88896，在SBS 含量檢測上精度不足，并且試驗(yàn)同樣易受人為因素影響。

圖5 A+SBS4303 的軟化點(diǎn)與SBS 含量之間的關(guān)系

為研究軟化點(diǎn)指標(biāo)檢測方法的通用性， 對比A +SBS4303 與 B +SBS4303、C +SBS4303 和 A +SBS1301 改性瀝青軟化點(diǎn)與SBS 含量的關(guān)系如表5所示。 由表5 可知，4 種改性瀝青的粘度值與SBS含量的二次擬合相關(guān)系數(shù)相差較大，且擬合方程系數(shù)都不相同，所以不同種類的SBS 改性瀝青擬合方程不能通用。 因此，軟化點(diǎn)指標(biāo)法檢測改性瀝青中SBS 含量準(zhǔn)確性不夠高，且通用性差，試驗(yàn)較費(fèi)時，人為因素影響大。

2.3.3 針入度與SBS 摻量之間的關(guān)系

針入度反映瀝青稠度和抗剪切破壞的能力，測試A+SBS4303 等改性瀝青的針入度， 并做SBS 含量與針入度之間的擬合曲線，如圖6 所示。 可明顯看出，隨SBS 含量增加，不同種類的SBS 改性瀝青的針入度都不斷減小。而SBS 含量與針入度的線性擬合和二次擬合相關(guān)系數(shù)均小于0.970， 檢測精度不夠高。 因此，針入度試驗(yàn)受人為因素影響大且精準(zhǔn)度低，針入度指標(biāo)不適合用來檢測聚合物含量。

圖6 改性瀝青針入度與SBS 含量之間的關(guān)系

2.3.4 延度與SBS 摻量之間的關(guān)系

選取5℃延度來評價瀝青的低溫性能，測試A+SBS4303 等改性瀝青的延度，并做SBS 含量與延度之間的擬合曲線如圖7 所示。 分析可知，瀝青延度隨著聚合物增加而增大， 抗拉伸破壞能力增強(qiáng)，并且星型SBS 小于線型SBS。但SBS 與延度的線性擬合和二次擬合的相關(guān)系數(shù)均小于0.970，精度不足。綜上所述，改性瀝青延度與SBS 含量的擬合相關(guān)系數(shù)不足以精確檢測聚合物含量，因此延度指標(biāo)不適合用來檢測聚合物含量。

圖7 改性瀝青延度與SBS 含量之間的關(guān)系

2.3.5 流變性能與SBS 含量之間的關(guān)系

選擇60℃時的G*、36℃和99℃的相位角值δ作為檢測點(diǎn)， 其與SBS 含量之間的關(guān)系如圖8 所示。 比較G*和δ 的擬合曲線，99℃的相位角擬合曲線的相關(guān)系數(shù)最高，更適合作為改性瀝青中SBS 含量試驗(yàn)的控制指標(biāo)，其與SBS 含量的二次擬合相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99293。

圖8 A+SBS4303 的G＊ 和δ 與改性劑含量之間的關(guān)系

為研究流變指標(biāo)檢測方法的通用性，檢測B+SBS4303、C+SBS4303 和A+SBS1301 共3 種SBS 改性瀝青的流變性能。

由圖9 分析可知，B+SBS4303 和C+SBS4303的δ 曲線并沒有出現(xiàn)明顯的峰和谷，所以選擇60℃時的G*作為這2 種改性瀝青的SBS 含量的檢測指標(biāo)。 而A+SBS1301 的δ 曲線在36℃出現(xiàn)了峰，但溫度升高后并未出現(xiàn)明顯的谷。因此36℃的δ 和60℃時的G*可作為其SBS 改性劑含量檢測點(diǎn)。

圖9 瀝青的G＊ 和δ 隨溫度變化的等時曲線

由表6 分析可知，不同種類的SBS 改性瀝青流變性能差距比較大，4 種改性瀝青流變性能與SBS含量的最佳擬合檢測指標(biāo)不同，相同擬合指標(biāo)的擬合方程和其相關(guān)系數(shù)相差較大， 所以不同種類的SBS 改性瀝青聚合物檢測方程不能通用。

表6 SBS 改性瀝青流變與改性劑含量的擬合方程

3 結(jié)論

（1）加入SBS 可以顯著改善瀝青路面的高溫抗車轍、低溫抗裂性能。 （2）4 種改性瀝青與SBS 含量的線性擬合和二次擬合的方程系數(shù)都不相同，所以基質(zhì)瀝青或SBS 種類不同的改性瀝青擬合方程不能通用。 （3）針入度和延度試驗(yàn)不適合作為檢測聚合物含量的物理指標(biāo)。 而粘度、軟化點(diǎn)與SBS 改性劑含量的線性擬合的相關(guān)系數(shù)對于精確檢測SBS含量精度不足。 （4）與粘度和軟化點(diǎn)測試方法相比，流變指標(biāo)法測試自動化程度高， 重現(xiàn)性和重復(fù)性好，擬合度高，但對操作人員要求高。