SBS和Hon7686改性瀝青高溫流變性能對比研究

莫龍梅

(廣西北投交通養護科技集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

SBS改性瀝青具有良好的性能，能大幅度提高瀝青和瀝青混合料高溫性能和低溫性能，在我國的改性瀝青市場中占據了絕大部分的份額[1]。但SBS改性瀝青也存在改性難度大、熱儲存性差、施工溫度高等缺點[2]。美國霍尼韋爾公司研發了一種新型改性劑Hon7686，價格與SBS改性劑相差無幾，具有顯著提高瀝青混合料高溫性能而不影響低溫性能的優點[3]。相較SBS改性瀝青，Hon7686改性瀝青對施工溫度要求較低，與基質瀝青的施工溫度相差無幾。Hon7686是一種新型多功能改性劑，國內研究者對此進行了一些研究，包括Hon7686改性瀝青的施工工藝和溫拌性能[4-6]。由于Hon7686改性瀝青具有溫拌劑的功能，能降低瀝青混合料的施工溫度，國內研究者嘗試將其與SBS改性瀝青進行復合改性，取得了良好的效果[7-8]。針對Hon7686改性瀝青混合料性能，國內也有相關研究報道[9]。

盡管國內對Hon7686改性瀝青研究較多，但研究多是針對Hon7686改性瀝青的施工性能以及與SBS改性瀝青的復合改性效果，對其高溫流變性能不僅關注較少，在方法上也多采用常規指標如針入度、軟化點、60 ℃動力黏度等進行表征。上述評價方法用于工程實踐中尚可，但用于科學研究中往往不能準確區分不同摻量進行改性瀝青的高溫流變性能的差別。動態剪切流變試驗能測試瀝青結合料的復數模量與相位角，而高溫下的復數模量與相位角能表征瀝青的高溫流變性能，更能揭示瀝青的粘彈本質[10]。此外，多重應力蠕變恢復試驗已被證明能較好地評價瀝青結合料的高溫性能[11-13]。因此，有必要采用動態剪切流變試驗和多重應力蠕變恢復試驗，評價Hon7686改性瀝青和SBS改性瀝青的高溫流變性能，為相關工程選擇合適的改性瀝青提供參考。

1 改性瀝青制備和試驗方法

1.1 改性瀝青制備

以70#瀝青為基質瀝青配制Hon7686改性瀝青和SBS改性瀝青。Hon7686改性劑為白色粉末狀，酸性，堆積密度為625 kg/m3，熔點為137 ℃。Hon7686改性瀝青按照改性劑占基質瀝青質量比計，設置3%、4%、5%三種摻量。SBS改性劑為獨子山石化所生產，星型結構，穩定劑采用硫磺穩定劑。以SBS占基質瀝青質量比計，設置3%、4%、5%三種摻量。SBS改性瀝青的制備方法為：將基質瀝青加熱至180 ℃，加入SBS改性劑，采用高速剪切機剪切30 min，再用攪拌機攪拌60 min，最后加入穩定劑再攪拌90 min。Hon7686改性瀝青制備方法為：將基質瀝青加熱到160 ℃，加入Hon7686改性劑粉末，用高速剪切機剪切30 min。

1.2 試驗方法

1.2.1 動態剪切流變試驗

動態剪切流變試驗測試原理為：對瀝青施加正弦剪切應力或應變，儀器記錄其應變或應力數據，通過計算機獲得復數模量G*和相位角δ。美國SHRP計劃以車轍因子G*/sinδ表征瀝青結合料高溫性能，并以此作為瀝青高溫分級標準。高溫分級要求原樣瀝青G*/sinδ≥1.0 kPa，同時RTFOT后的瀝青G*/sinδ≥2.2 kPa。試驗采用應變控制模式，原樣瀝青應變水平為12%，RTFOT瀝青應變水平為10%，試驗溫度為64 ℃～82 ℃，間隔6 ℃。

1.2.2 多重應力蠕變恢復試驗

多重應力蠕變恢復試驗(multiple stress creep recovery，MSCR)通過施加周期性的荷載，測試瀝青的蠕變恢復能力，以表征瀝青的高溫性能。荷載有兩個應力水平，分別為0.1 kPa和3.2 kPa，0.1 kPa應力水平循環加載20個周期，3.2 kPa應力水平循環加載10個周期[14]。每個周期加載1 s，卸載9 s，整個試驗連續進行，持續時間為300 s。在0.1 kPa水平下瀝青結合料處于線性粘彈區間范圍，而在3.2 kPa應力水平下瀝青結合料處于非線性粘彈區間范圍，因此設置上述兩個應力水平可同時獲得瀝青結合料在線性和非線性粘彈區間的力學性能。多重應力蠕變恢復試驗根據AASHTO MP19-10[15]規范要求進行，試樣采用RTFOT后的瀝青，RTFOT根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)要求進行[16]。考慮到夏天路面溫度在50 ℃～70 ℃，因此溫度設置為52 ℃～76 ℃，間隔6 ℃。

多重應力蠕變恢復試驗以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢復蠕變柔量Jnr0.1、Jnr3.2評價瀝青結合料的高溫性能，其值越低表明瀝青高溫性能越優；以應力敏感性指標Jnrdiff評價瀝青結合料的應力敏感性，其值越高表明瀝青對應力變化越敏感。相關指標計算方法見AASHTO MP19-10規范。

2 結果與分析

2.1 動態剪切流變試驗

2.1.1 復數模量

由圖1、圖2可知：

圖1 原樣瀝青復數模量G*-溫度曲線圖

圖2 RTFOT瀝青復數模量G*-溫度曲線圖

不管是原樣還是短期老化狀態，SBS改性瀝青和Hon7686改性瀝青復數模量均隨著溫度升高而急劇下降，溫度是瀝青結合料剛度下降的主要原因。相同摻量水平下，Hon7686改性瀝青的復數模量均高于SBS瀝青，表明Hon7686改性瀝青相較SBS改性瀝青在高溫下具有更高的高溫抗變形能力。

2.1.2 相位角

由圖3、圖4可知：

原樣Hon7686改性瀝青相位角隨溫度變化規律較為復雜，與摻量有很大關系。3%摻量的Hon7686改性瀝青相位角隨溫度升高而平穩增大，表明Hon7686改性瀝青由彈性逐漸往黏性方向發展；4%摻量的Hon7686改性瀝青相位角隨著溫度升高反而逐漸減小，往彈性體方向發展；5%摻量的Hon7686改性瀝青相位角隨溫度升高幾乎無變化。其原因可能在于Hon7686改性瀝青在低摻量時，Hon7686改性劑與基質瀝青的化學反應對其高溫流變性能影響有限，因此性質接近基質瀝青；而摻量提高導致Hon7686改性瀝青隨溫度升高,反而因為改性劑與基質瀝青產生化學反應，導致其高溫流變性能復雜。

圖3 原樣瀝青相位角δ-溫度曲線圖

圖4 RTFOT瀝青相位角δ-溫度曲線圖

RTFOT后的Hon7686改性瀝青相位角變化較為規律，體現為相位角隨摻量增大而減小，隨溫度升高而增大。RFFOT后的Hon7686改性瀝青與其原樣狀態相位角規律相差較大，正說明了Hon7686改性瀝青經過短期老化之后，Hon7686改性劑與基質瀝青的化學反應基本已經完成，不會出現相位角異常的現象。

不管原樣SBS瀝青還是RTFOT后的SBS瀝青，相位角均隨溫度升高而逐漸增大。值得注意的是，相位角并非隨著SBS改性劑摻量增大而減小，而是在4%處出現異常。4%摻量的SBS改性瀝青相位角小于3%摻量和5%摻量的SBS改性瀝青。出現該現象的原因可能是由于穩定劑的存在，導致SBS改性瀝青在4%摻量處出現異常。

2.1.3 車轍因子

由圖5和圖6可知：

SBS改性瀝青與Hon7686改性瀝青車轍因子G*/sinδ均隨著溫度升高而逐漸減小，證明高溫是瀝青結合料產生永久變形的主要原因。相比于SBS改性瀝青，無論是原樣還是短期老化，Hon7686改性瀝青的車轍因子更加優異，表明Hon7686改性瀝青在線性粘彈區間的高溫性能優于相同摻量水平的SBS改性瀝青。

圖5 原樣瀝青車轍因子-溫度曲線圖

圖6 RTFOT瀝青車轍因子-溫度曲線圖

綜合SBS改性瀝青與Hon7686改性瀝青復數模量、相位角、車轍因子隨溫度的變化情況，可以認為Hon7686改性瀝青在線性粘彈區間的高溫性能優于相同摻量水平的SBS改性瀝青。

2.2 多重應力蠕變恢復試驗

2.2.1 不可恢復蠕變柔量

不同溫度下SBS改性瀝青和Hon7686改性瀝青的不可恢復蠕變柔量相差太大，繪制在同一個圖中難以對這兩種改性瀝青進行正確的對比。因此，將兩種改性瀝青在52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃下的不可恢復蠕變柔量Jnr0.1和Jnr3.2分別放在圖7～10中。路面溫度一般很難達到76 ℃，所以未對76 ℃下兩種改性瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr0.1和Jnr3.2進行對比。

從圖7和圖8可以看出，相同摻量水平下，Hon7686改性瀝青0.1 kPa應力水平不可恢復蠕變柔量Jnr0.1在所試驗的溫度水平下優于SBS改性瀝青，但在3%摻量水平和70 ℃條件下略差于SBS改性瀝青，這與該摻量水平下Hon7686改性瀝青性質近于基質瀝青有關。在4%、5%摻量下，Hon7686改性瀝青的Jnr0.1明顯優于同摻量水平SBS改性瀝青。上述現象表明整體上，Hon7686改性瀝青在低應力水平(0.1 kPa)下高溫性能優于SBS改性瀝青。

圖7 52 ℃和58 ℃下Jnr0.1對比柱狀圖

圖8 64 ℃和70 ℃下Jnr0.1對比柱狀圖

圖9 52 ℃和58 ℃下Jnr3.2對比柱狀圖

圖10 64 ℃和70 ℃下Jnr3.2對比柱狀圖

從圖9和圖10可以看出，相同摻量水平下，Hon7686改性瀝青在較低溫度(52 ℃、58 ℃)、較高摻量(4%、5%)下的Jnr3.2略優于SBS改性瀝青，而在較高溫度(64 ℃、70 ℃)下的Jnr3.2均比SBS改性瀝青差。因此，高應力水平下，Hon7686改性瀝青只有在溫度不太極端(52 ℃、58 ℃)、摻量較高的情況下，與SBS改性瀝青對比Jnr3.2才具有優勢。

綜合而言，在低應力水平下，Hon7686改性瀝青整體優于SBS改性瀝青，而在高應力水平下，Hon7686改性瀝青僅在較低溫度和較高摻量水平下才優于SBS改性瀝青。

2.2.2 恢復率

從圖11和圖12可以看出，不管是0.1 kPa還是3.2 kPa應力水平，相同摻量水平下SBS改性瀝青恢復率均優于Hon7686改性瀝青。同時，Hon7686改性瀝青恢復率隨摻量變化較SBS瀝青劇烈。表明3%～5%摻量范圍內，Hon7686改性瀝青與SBS改性瀝青相比，力學響應對摻量變化更為敏感。

圖11 0.1 kPa應力水平下恢復率曲線圖

圖12 3.2 kPa應力水平下恢復率曲線圖

2.2.3 應力敏感性

將SBS改性瀝青和Hon7686改性瀝青應力敏感性指標Jnrdiff匯總于表1。

從表1中可以看出，Hon7686改性瀝青的應力敏感性指標遠大于SBS瀝青。同時，兩種改性瀝青的應力敏感性指標隨溫度變化規律大致為隨溫度升高而增大。而Hon7686改性瀝青在70 ℃和76 ℃處出現反常，表明Hon7686改性瀝青在剪切荷載作用下其力學響應較為復雜，受溫度的影響較大。

表1 SBS和Hon7686改性瀝青Jnrdiff數值匯總表

3 結語

本文通過動態剪切流變試驗和多重應力蠕變恢復試驗，測試了3%、4%、5%摻量的SBS改性瀝青和3%、4%、5%摻量的Hon7686改性瀝青，分析了兩種改性瀝青在64 ℃～82 ℃區間的復數模量、相位角、車轍因子和52 ℃～76 ℃區間的不可恢復蠕變柔量、恢復率、應力敏感性，得出以下主要結論：

(1)無論是原樣狀態還是RTFOT狀態，Hon7686改性瀝青的車轍因子、復數模量均高于SBS改性瀝青，高溫下具有更高的剛度，但Hon7686改性瀝青的相位角隨溫度變化規律相較SBS改性瀝青略顯復雜。

(2)同摻量水平下，各溫度下Hon7686改性瀝青在0.1 kPa應力水平下的不可恢復蠕變柔量優于SBS改性瀝青，而3.2 kPa應力水平下的不可恢復蠕變柔量在較低溫度(52 ℃、58 ℃)、較高摻量(4%、5%)時才相對SBS改性瀝青有優勢。與此同時， Hon7686改性瀝青相較SBS改性瀝青具有更大的應力敏感性。

(3)在實際工程中，考慮到Hon7686改性瀝青施工溫度低于SBS改性瀝青，可在高溫天氣不極端、交通量較小的應用場景代替SBS改性瀝青。