SBS改性瀝青低溫性能評價方法

陳 松，裴曉光，劉榮博

(中海油煉油化工科學研究院(北京)有限公司，山東 青島 266500)

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)是瀝青生產常用的改性劑之一，目前我國SBS改性瀝青在改性瀝青生產總量中的比例可達50%以上[1]。SBS是一種具有兩相分離結構的熱塑性彈性體，它具有-80℃和80℃兩個玻璃化轉變溫度[2]。當溫度介于兩個玻璃化轉變溫度之間時，材料表現為橡膠的特征，因此具有很好的韌性和拉伸強度[3-5]，改善瀝青的工作域范圍，提高高、低溫使用性能。

目前我國大多數SBS改性瀝青質量指標評價方法來源于歐美國家制定的規范，針對我國SBS改性瀝青產品缺少大量的基礎性試驗來關聯這些質量指標與混合料路用性能評價的結果，部分企業為了使產品達到較高的級別而添加大量的助劑，破壞了改性瀝青穩定的結構，雖然在一定程度上提高了瀝青的等級，但是對改善混合料的性能沒有任何益處，同時SBS改性瀝青是一個復雜的體系，它的性能一方面受到改性劑類型、摻量以及基質瀝青標號、組成成分的共同影響，另一方面也受到制作工藝以及微觀結構的影響，因此，如何能夠準確評價改性瀝青性能指標是一件非常重要的工作[6-8]。

綜上所述，本文針對目前常用于評價瀝青膠結料低溫性質的實驗方法、工作原理、檢測設備進行介紹，以期在科研與生產中能夠獲得相對準確的低溫性能評價方法。

1 低溫針入度

針入度值測試是一種經驗性的方法，反映瀝青黏稠程度的實驗。相同環境溫度下，針入度越大，表示瀝青柔軟，相應材料勁度越低，瀝青路面產生裂縫的幾率越小。研究結果表明，在低溫度條件下，如：-5℃、5℃、15℃以及25℃范圍內，針入度與瀝青路面低溫開裂性能有著密切的關系，其中脆點與5℃針入度相關性如下：

脆點溫度=0.72×P5℃，100g,5s+18.2

雖然低溫條件下，針入度與路面低溫開裂性能存在相關性，但是在實際應用中，受到操作者熟練程度等因素的制約，在較低試驗溫度下測量瀝青針入度存在著一定困難，并且針入度的測定僅僅是經驗性的條件試驗，并不能夠反映瀝青材料的本質特征，所以將其作為評價瀝青低溫性能方法的應用越來越少[9]。

2 低溫延度

我國現行規范中反映SBS改性瀝青低溫抗開裂性能的指標是5℃延度，但據研究表明，以5℃延度來表示瀝青低溫性能存在一定的不足：首先，我國現行瀝青標準所采用的低溫試驗溫度與寒冷地區的實際環境溫度差距較大；其次，路面溫縮開裂一定程度上也受到瀝青在服務年限內逐漸老化所產生的影響，所以用原樣瀝青的5℃延度不能真實表征SBS改性瀝青的低溫變形能力；再者，溫度下降時瀝青材料的塑性急劇下降，脆性顯著增強，變形適應能力減弱，從而表現出較差的抗裂能力[10-11]。荷載產生的變形超過瀝青材料的自身變形能力時，瀝青路面就會開裂破壞，但瀝青材料低溫受力時極限變形量是很小的，而且環境溫度越低，極限應變急劇減小，并不是延度所反映的宏觀變形[12]。

3 測力延度

利用測力延度考察SBS改性瀝青的粘韌性，能夠反映瀝青膠結料的低溫抗開裂性能，從試驗結果可知，在較短的形變范圍內由于有改性劑的存在，使得瀝青分子的鏈狀結構緊固，分子之間的粘結力較基質瀝青增大許多；當改性瀝青試樣開始受到荷載作用時首先要發生彈性變形，這個距離很短，通常為2～8mm，隨著形變的進一步增加，荷載增加，當荷載繼續增大出現峰值時，瀝青試樣就出現微損傷，此時改性劑開始起主要作用，之后荷載開始減小，直至瀝青拉斷時變為零[13-15]。上述過程可以通過測力延度儀來記錄，繪制出測力延度工作曲線，如圖1所示。

圖1 測力延度儀工作曲線

通過計算可以得到SBS改性瀝青拉伸柔度、基質瀝青當量勁度、SBS當量勁度、屈服應變能、韌性比等一系列參數，文獻中指出，其與SHRP中反映瀝青低溫性能指標的試驗結果相關性較高，同時具有操作簡便等優點，也能夠反映出材料本身的力學性質，但試驗過程中同樣沒有考慮老化對瀝青性質的影響[6,16-17]。

4 玻璃化轉變溫度

對于高分子聚合物，常采用玻璃化轉變溫度來表征其低溫性能。瀝青經過SBS改性后，認為屬于高分子聚合物，其模量-溫度曲線可以分為4個區域：玻璃態區域、玻璃態-橡膠態轉變區域、橡膠平臺區域和流動區域，如圖2所示。

圖2 不同粘彈行為區域的模量-溫度關系

對于改性瀝青，其服役溫度經歷了從玻璃態到流動態的整個過程。在低溫下，希望其具有良好的流動性和變形能力，即瀝青的玻璃化轉變溫度(從玻璃態到橡膠態的轉變溫度)，表征了瀝青低溫性能的好壞。該溫度越低越好，最理想的狀態是玻璃化轉變溫度小于瀝青的最低服役溫度，這樣在整個服役溫度內瀝青都具有良好的變形能力，能夠松弛掉因溫度降低而產生的溫度應力，減少低溫裂縫的產生，因而玻璃化轉變溫度具有明確的物理意義，能夠表征改性瀝青低溫性能的好壞，也能夠區別不同改性瀝青低溫性能間的差別，適合于評價改性瀝青的低溫性能[18]。

5 低溫勁度、松弛性能

瀝青路面低溫開裂與瀝青結合料的低溫抗裂性能密切相關，Superpave瀝青結合料規范中將瀝青的勁度模量和松弛性能(勁度模量隨時間變化的斜率m)作為評價瀝青低溫性能的核心指標，采用彎曲梁流變試驗(BBR)來測試瀝青膠結料的低溫流變性質。將老化后的瀝青進行相關試驗，使用蠕變勁度和荷載作用時瀝青勁度隨時間的變化率兩個參數來反映溫度、時間對瀝青低溫流變性質的影響。在低溫下，將瀝青視為彈性體，如果材料的蠕變勁度太大，則呈現脆性，路面易開裂，同時試驗過程中考慮了路面服役過程中的光、熱老化作用[7]。

1954年荷蘭人范得普開用經驗常規試驗數據通過嚴格的理論計算，利用兩個不同溫度下的針入度和軟化點，通過諾模圖，求得作為溫度和時間函數的勁度模量。國內湖南大學曾夢瀾等人在此基礎上，優化并得出了基于常規試驗數據的瀝青勁度模量的理論模型[19-20]。

張智強等[12]為了研究SBS改性瀝青的低溫抗裂特性，采用數值分析方法中的拉格朗日線性插值的方法來求其低溫分級臨界溫度，但實驗結果顯示，用物理意義上共存共混方法制備得到的SBS改性瀝青，其低溫等級基本保持在基質瀝青的低溫等級上，即從流變學的意義上來說，未能將不同種類SBS改性瀝青的低溫性能區分開。

欒自勝等[21]對五種SBS改性瀝青進行流變性能試驗，分別得到瀝青的勁度模量、模量變化率，并計算得到了低溫等級溫度，通過與延度的對比，認為用低溫等級溫度評價SBS改性瀝青低溫性能更加合理。現有Superpave性能分級標準的缺陷，在于相鄰低溫性能分級溫度間隔為6℃，有些情況下難以區分改性瀝青低溫性能差異。

根據不同溫度下流變性能試驗得到的勁度模量(S)和蠕變斜率(m)，可以按照log(S)=a1+b1T和log(m)=a2+b2T回歸后分別得到臨界溫度TL(S)和TL(m)，其中TL(S)為S=300MPa時確定的低溫臨界溫度，TL(m)為m=0.3時確定的低溫臨界溫度，并根據Superpave性能規范標準，得出S<300MPa且m>0.3時的低溫等級溫度TLC。一般瀝青低溫勁度S越小，松弛速率m越大，則表明材料的低溫性能好，低溫等級溫度TLC正好同時體現了這兩方面的含義。通過8組瀝青結合料的低溫等級溫度TLC的測定，其中5組由蠕變速率m確定，3組由勁度模量S確定，故蠕變速率m對瀝青路面低溫開裂的影響比蠕變勁度S更顯著，也表明瀝青的松弛性能對其低溫性能更加重要。

6 結語

(1)常規的經驗性試驗如低溫針入度、低溫延度等，存在實驗操作過程中的困難，測試結果難以準確的反映出實際路用性能，已不適合作為SBS改性瀝青低溫性能評價的手段；

(2)玻璃化轉變溫度能夠反映瀝青的低溫性能，但是對SBS改性瀝青玻璃化轉變溫度的測試方法有多種，并且得到的是一個范圍，作為瀝青常規性能評價手段，不易實現；

(3)瀝青的低溫勁度、松弛性能是目前評價低溫性能最有效指標，但是對于SBS改性瀝青來說，能否有效區分出低溫性能的優劣還需要進行大量的基礎研究進行考察。

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