越南F1賽道專用SBS改性瀝青研究

高冰梅，黃婉利，沈家永，韓青英

（中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050）

世界一級方程式錦標賽（FIA Formula 1 World Championship，簡稱F1），是當今世界最高水平的賽車比賽，具有速度最快、費用最貴和技術最高三大特征[1]，越南首都河內F1 賽道總長5.565 km，設計最高時速335 km/h，擬采用新舊組合的方式施工建設，部分賽道利用現有街道舊路開挖銑刨后重新加鋪雙層改性瀝青面層，新建賽道部分的中上面層設計采用改性瀝青。中國石化針對越南F1 賽道項目需求的專用SBS 改性瀝青，開展實驗室研究，制備符合技術要求的瀝青產品。

1 技術要求分析

F1 賽車最高時速達327 km/h，最低時速僅為80 km/h，具有速度變化大、急轉彎、急剎車等特點，這就要求F1 賽道面層應采用具有良好的抗高溫性能和低溫性能、高彈性恢復率、高粘性及內聚力和抗剪切力的專用改性瀝青[2]。上海F1 國際賽道是我國第一條F1 國際賽車道，于2004年6月竣工，寧波F2 國際賽道于2017年9月竣工，這兩條賽道面層均采用中國石化“東海牌”專用SBS 改性瀝青鋪筑。表1列出了越南F1、上海F1、寧波F2 三種賽道專用SBS 改性瀝青和《公路瀝青路面施工技術規范》[3]（JTG F40—2004） 中聚合物改性瀝青SBS 類（I 類）I-C、I-D 技術要求。

由表1可以看出，越南F1 與上海F1、寧波F2 賽道專用SBS 改性瀝青相比，主要差異如下：針入度下限低了15 1/10 mm，范圍為30 1/10 mm，是上海F1、寧波F2 賽道專用SBS 改性瀝青的兩倍，表明瀝青材料稠度和硬度可增大；軟化點下限提高了5 ℃，沒有上限要求，表明對瀝青材料的高溫性能提出了更為嚴格的要求；沒有脆點、25 ℃和5 ℃ 延度、蠟含量、老化后25 ℃延度、低溫蠕變勁度等指標要求，表明對瀝青材料的低溫抗變形能力沒有要求；增加老化后針入度比指標，表明更加關注老化性能；彈性恢復下限提高了10%，增加了粘附性指標，64 ℃多應力重復蠕變恢復（MSCR）試驗的不可恢復蠕變柔量（Jnr3.2）和恢復率（R3.2）代替了60 ℃動態剪切試驗（DSR）的G*/sinδ指標，表明更加注重瀝青材料的粘附性、彈性恢復能力[4]和高溫抗車轍性能。越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青與JTG F40—2004 中SBS 類I-C、I-D 聚合物改性瀝青相比，主要差異為：軟化點下限比SBS I-D 改性瀝青提高了20 ℃，沒有老化前后5 ℃延度指標，增加粘附性、MSCR 試驗的Jnr3.2和R3.2指標，以上差異也表明了越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青更加關注和嚴格瀝青材料的彈性恢復能力、高溫性能，對低溫抗變形能力沒有要求，這主要由越南地處北回歸線以南、高溫多雨的熱帶季風氣候所決定。

表1 越南F1 與上海F1、寧波F2 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求比較

2 實驗室研究

SBS 改性劑的塑性和彈性鏈段能有效改善瀝青的高溫性能、低溫性能和彈韌性，目前在SBS改性劑應用中，一般認為線型結構的SBS 與基質瀝青相容性較好，星型結構的SBS 對改善瀝青的高溫性能更有效果[5]，因此試驗選用某國產SBS 改性劑A；相容劑是一種富含芳香分的石油餾分，可促使聚合物相與瀝青相形成穩定的相界面吸附層，降低相界面的表面張力，增加兩相之間的親和力，從而達到兩相之間的相容[7]，本試驗選用國產相容劑B；穩定劑是具有產生或引發自由基，對分子鏈斷裂和分子鍵合的精細化學品，本試驗選用穩定劑C。

2.1 基質瀝青的選擇

對于SBS 改性瀝青來說，基質瀝青會對其性能產生重要影響[6]。據文獻報道，在選擇基質瀝青時，可采用基質瀝青膠體不穩定指數（Ic），即（飽和分含量+瀝青質含量）/（芳香分含量+膠質含量）之值來判斷其適用性，通常情況下Ic值在0.26～0.32 范圍內時改性效果較好[7]。按照Ic值和中國石化瀝青資源供應情況，通過優化選擇四家企業生產的瀝青作為改性瀝青原料（基質瀝青1、基質瀝青2、基質瀝青3、基質瀝青4）進行改性試驗，四種基質瀝青四組分情況見表2。

由表2可以看出，四種基質瀝青都是優質的70A 道路石油瀝青，且四組分含量比較接近，基質瀝青1～3 的Ic 值都在0.26～0.32 范圍內，基質瀝青4 的Ic值略超上述Ic范圍的下限，理論上基質瀝青1～3 均應有比基質瀝青4 更好的改性效果。

對四種基質瀝青進行改性瀝青試驗，對基質瀝青預熱、攪拌，分別加入相同比例的SBS改性劑A、相容劑B 和穩定劑C，在一定溫度下保持攪拌，使改性劑和添加劑在瀝青中分散均勻并反應，制得穩定的SBS 改性瀝青樣品，所得代表性樣品1～4 號的檢測結果見表3。

由表3可以看出，相同條件下，樣品1 號和2 號的常規主要指標均滿足越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求，3 號和4 號除軟化點外，其它指標均符合越南1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求；四個樣品的針入度和薄膜烘箱后性質差別不大，1 號和2 號的軟化點比3 號和4 號的軟化點高，2 號的離析和135 ℃旋轉黏度最小，四個樣品的彈性恢復均在90%以上，其中2 號的彈性恢復最好。考慮到越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青更加關注瀝青材料的高溫性能和彈性恢復能力，因此綜合評價后選定2 號，即選擇基質瀝青2 為研究越南F1 賽道專用SBS改性瀝青的原料瀝青。

表2 基質瀝青主要指標及四組分分析結果

表3 四種基質瀝青的改性效果比較

2.2 越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青優化試驗

改性瀝青的路用性能除了與基質瀝青及改性劑的品種有關，還與改性劑的摻量有關，隨著SBS 摻量增加，改性瀝青常規性能、高溫性能、低溫性能均得以提高[8]。采用選定的基質瀝青2、相容劑B 和穩定劑C，考察不同摻量的SBS 改性劑A 對改性瀝青常規性能的影響，按SBS 摻量由低到高，代表性樣品編號依次為5～12 號，檢測結果見表4。

由表4可以看出，在相同條件下，除樣品12 號外，其它樣品主要指標均滿足越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青的技術要求。同時，隨著SBS 摻量增加，針入度減小，軟化點呈增大趨勢，當SBS 摻量進一步增大時，軟化點增加幅度變小。樣品9～12 號的軟化點高于90 ℃，高溫性能表現優良；所有樣品彈性恢復均在90%以上，比較富余，表明不同SBS 摻量的改性瀝青的彈性恢復都很好；樣品8 號和12 號的離析大于1.0 ℃，其它均小于1.0 ℃，樣品6 號、10 號穩定性相對較好；薄膜烘箱后針入度比緩慢增大；隨著SBS 摻量增加逐漸增大，樣品12 號的135 ℃旋轉黏度增幅較大，不符合越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青的技術要求，表明當SBS摻量增大到一定程度時，可能難以施工，且生產成本增加。選擇樣品9 號、10 號、11 號進行MSCR 試驗，結果見表5。

表4 不同SBS 摻量制備的改性瀝青常規主要指標檢測結果

表5 不可恢復蠕變柔量和恢復率計算結果

隨著SBS 改性劑摻量增加，改性瀝青MSCR 試驗的不可恢復蠕變柔量（Jnr）值下降，恢復率（R）增大[4]。由表5可見，試驗溫度為64 ℃時，樣品9～11 號在0.1 kPa 和3.2 kPa應力下的Jnr值分別減小，R值分別增大，Jnr值和R值的變化趨勢印證了上述結論，即隨著SBS 改性劑摻量增加，改性瀝青的高溫抗變形能力和彈性恢復能力均增強。樣品9 號的Jnr3.2值接近越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求的上限值，存在不符合技術要求風險，10 號和11 號的Jnr3.2值和R3.2值均符合越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求，且富余度較大，綜合技術指標與改性成本，選擇10 號樣品為目標樣品。

2.3 性能評價

按照越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求，對樣品10 號其它指標進行檢測，按全指標結果匯總到表6進行改性瀝青性能評價。

2.3.1 常規性能

由表6可以看出，最優方案制備的10 號SBS改性瀝青樣品常規質量指標均符合越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求，其針入度大小適中，軟化點高于90 ℃，彈性恢復達到95%，離析1.0 ℃，兩項指標都比較富余，表明彈性恢復能力和穩定性均優良；薄膜烘箱后針入度比大，135 ℃旋轉黏度較小。綜合評價可得出，實驗室研究制備的越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青具有優良的抗老化性能、穩定性能、抗高溫流淌性能和彈性恢復性能。

表6 最優方案制備的SBS 改性瀝青檢測結果

2.3.2 高溫性能

MSCR 試驗是在不同應力條件下測試改性瀝青的粘彈特性，能真實模擬路面重復加載以及卸載的車輛載荷作用。美國已將MSCR 試驗作為表征改性瀝青高溫性能指標，蠕變柔量（J）和恢復率（R）能更好地表征瀝青材料的高溫性能[4,9-11]。

MSCR 試驗使用動態剪切流變儀，試驗溫度為64 ℃，在0.1 kPa 和3.2k Pa 的應力下分別進行10 次蠕變恢復試驗，蠕變階段1 s，卸載恢復階段9 s，試驗總時間為200 s，最終的評價指標為Jnr和R[12]。由表6可以看出，改性瀝青在3.2 kPa 應力下的R比越南F1 賽道專用SBS改性瀝青要求的下限值高43%，Jnr比越南F1賽道專用SBS 改性瀝青要求的上限值低58%，充分表明其彈性較大，變形恢復能力較強，高溫路用性能優良。

3 結論

a）結合瀝青四組分計算的Ic 值為判斷依據，選出四種70A 道路石油瀝青作為原料瀝青，通過對其進行改性瀝青試驗，確定基質瀝青2作為改性瀝青的原料瀝青；通過對基質瀝青2進行不同摻量的SBS 改性劑A 及選定的相容劑B 和穩定劑C 的改性瀝青試驗研究，兼顧改性瀝青性能和成本，獲得越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青最優制備方案。

b）采用最優方案制備的越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青常規性能及MSCR 試驗評價結果表明，專用SBS 改性瀝青所有指標均符合越南F1 賽道專用SBS 改性瀝青技術要求，其軟硬適中，具有優良的抗老化性能、穩定性能、高溫抗變形能力和彈性恢復性能，高溫路用性能和彈性恢復能力尤其突出，適合鋪筑越南F1賽道。