SBS改性瀝青膠結(jié)料性能評價(jià)指標(biāo)研究

姚鴻儒,王強(qiáng),周曉龍蔡明

（1.華東理工大學(xué) 石油加工研究所，上海 200237；2.上海城建日瀝特種瀝青有限公司，上海 200436）

長期以來，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）被證明是最經(jīng)濟(jì)有效的瀝青改性劑，可以提高瀝青的高低溫性能、抗開裂、抗水損和耐疲勞各方面的性能。根據(jù)改性瀝青的應(yīng)用場合，SBS 在改性瀝青中的含量為2%～15%。當(dāng)SBS 含量較少時(shí)，改性瀝青中富瀝青質(zhì)相為連續(xù)相、富SBS 相為分散相；隨著SBS 含量的增加，改性瀝青發(fā)生相轉(zhuǎn)變，富瀝青質(zhì)相為分散相、富SBS 相為連續(xù)相。發(fā)生相轉(zhuǎn)變的含量約為5%～7%。JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》將SBS 改性瀝青分為I-A、I-B、I-C和I-D 四種，但實(shí)際使用的高黏度改性瀝青、高彈性改性瀝青等也是SBS 改性瀝青。區(qū)別在于I-A ～I(xiàn)-D 四種為富SBS 相為分散相的改性瀝青，SBS 含量不超過5%；高黏度改性瀝青和高彈性改性瀝青為富SBS 相為連續(xù)相的改性瀝青，SBS含量較高。交通部的瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范已施行了15 余年未有調(diào)整，許多省份在實(shí)際應(yīng)用過程中提出了自己的瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，對SBS 改性瀝青提出了更高的要求。此外，排水瀝青路面的相關(guān)規(guī)范、鋼橋面的相關(guān)規(guī)范對高黏度改性瀝青和高彈性改性瀝青提出了各自的要求。我國SBS 改性瀝青存在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一、個(gè)別規(guī)范中技術(shù)指標(biāo)不合理的問題。本文結(jié)合國內(nèi)外和筆者的相關(guān)研究，對SBS 改性瀝青的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，以供參考。

1 三大指標(biāo)

針入度、軟化點(diǎn)、延度被稱為瀝青的三大指標(biāo)。對于石油瀝青而言，針入度是瀝青分級的依據(jù)，是表征瀝青稠度的指標(biāo)。根據(jù)使用場合選擇不同針入度的瀝青，一般來講，針入度大的瀝青適用于氣候寒冷、需要較好的抗疲勞和抗開裂性能的場合，針入度小的瀝青適用于氣候炎熱、需要較好的抗車轍和抗扭轉(zhuǎn)性能的場合[1]。加入SBS 會(huì)降低瀝青的針入度（如圖 1），但這不意味其低溫性能劣于原石油瀝青或SBS 含量更少的改性瀝青。生產(chǎn)SBS 改性瀝青時(shí)，通常還會(huì)加入油類物質(zhì)如糠醛抽出油、芳烴油、頁巖油等提高SBS 與瀝青之間的相容性，降低改性瀝青的熔融黏度。加入油類物質(zhì)會(huì)增大改性瀝青的針入度?？梢约尤胧蜆渲日{(diào)節(jié)針入度至合適的范圍。

針入度指數(shù)（PI）是用于評價(jià)瀝青感溫性能的指標(biāo)。瀝青對溫度越敏感，PI 越??；瀝青對溫度越不敏感，PI 越大。PI 的范圍從對溫度極為敏感的瀝青約為-3，到對溫度敏感性很低的充分吹氧瀝青約為+7。按PI 可將瀝青劃分為三種膠體結(jié)構(gòu)類型：PI＜-2 為溶膠型瀝青；PI＞+2 為凝膠型瀝青；-2 ＜PI ＜+2 為溶凝膠型瀝青。當(dāng)PI＜-2 時(shí)，瀝青的溫度敏感性強(qiáng)；當(dāng)PI＞+2 時(shí)有明顯的凝膠特征，耐久性差[2]，這是針對石油瀝青而言的。JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對石油瀝青PI 的要求，A 級為-1.5 ～+1.0，B 級為-1.8 ～+1.0。對于I-D 型SBS 改性瀝青的要求為PI ≥0，未設(shè)置上限。但江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《江蘇省高速公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（DB32/T 1087—2008）》[3]和浙江省交通運(yùn)輸廳發(fā)布的《浙江省高速公路瀝青路面規(guī)范化施工指南》[4]中都對石油瀝青和SBS 改性瀝青的PI 提出更嚴(yán)格的要求，要求 70 號A 級石油瀝青PI 為-1.3 ～+1.0，SBS 改性瀝青要求PI 為-0.2 ～+1.0。在實(shí)際生產(chǎn)過程中分析了改性瀝青中SBS 含量對PI 的影響，結(jié)果如圖 2。由圖2 可知當(dāng)SBS 摻量為5%以內(nèi)時(shí)，可以保證PI 小于+1.0。隨著SBS 摻量的增加，PI 相對增加，表明增加SBS 摻量可以降低瀝青對溫度的敏感性。相關(guān)系數(shù)不很高，這是由于針入度評價(jià)感溫性能并不十分準(zhǔn)確。PI 大對于路用性能是有好處的，因此建議江蘇和浙江取消SBS 改性瀝青PI 的上限要求。

圖 1 SBS 含量對瀝青25 ℃針入度的影響

圖 2 SBS 含量對PI 的影響

軟化點(diǎn)通常認(rèn)為是表征高溫性能的指標(biāo)，加入SBS 可以提高軟化點(diǎn)，但軟化點(diǎn)的增加速度先快后慢，軟化點(diǎn)增加到90 ℃以上后提高SBS 的含量對軟化點(diǎn)的提升效果不明顯（如圖 3）。所以對軟化點(diǎn)的要求最高為90 ℃以上。

圖 3 SBS 含量對瀝青軟化點(diǎn)的影響

低溫延度用于評價(jià)改性瀝青的低溫抗裂性能。5 ℃延度隨SBS 含量的變化如圖 4所示。由圖4可知當(dāng)富SBS 相為分散相時(shí)，5 ℃延度隨SBS 含量的增大而增大，當(dāng)富SBS 相為連續(xù)相時(shí)，5 ℃延度受基質(zhì)瀝青的影響較為明顯，且SBS 含量的增大對5 ℃延度的提升作用不一定有效，這是由于隨著SBS 含量的增大，改性瀝青的內(nèi)聚力增大，拉伸行為可能不表現(xiàn)為斷裂伸長率的增大，而表現(xiàn)為斷裂強(qiáng)度的增大。因此當(dāng)SBS 含量較大時(shí)，5℃延度與改性瀝青混合料低溫性能的相關(guān)性較差。

圖 4 SBS 含量對5 ℃延度的影響[5]

2 彈性恢復(fù)

彈性恢復(fù)常用于評價(jià)SBS 改性瀝青的彈性恢復(fù)性能，其測試標(biāo)準(zhǔn)條件為25 ℃，拉伸速度5 cm/min，拉伸長度10 cm，應(yīng)力松弛時(shí)間為0，恢復(fù)時(shí)間1 h。采用標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SBS 含量較少，即富SBS 相為分散相時(shí)，彈性恢復(fù)率與SBS 含量的相關(guān)性較好；而當(dāng)SBS 含量較多，即富SBS 相為連續(xù)相時(shí)，彈性恢復(fù)率都為90%以上，與SBS 含量的相關(guān)性較差，如圖 5所示。嘗試通過采用更嚴(yán)格的試驗(yàn)條件以提高富SBS相為連續(xù)相的改性瀝青彈性恢復(fù)率的區(qū)分度，發(fā)現(xiàn)減少恢復(fù)時(shí)間、增大拉伸長度，區(qū)分度增加不明顯；降低試驗(yàn)溫度，區(qū)分度較好，如圖 6。建議富SBS 相為連續(xù)相的改性瀝青的彈性恢復(fù)試驗(yàn)溫度改為5℃。

圖 5 SBS 含量對25 ℃彈性恢復(fù)率的影響

圖 6 SBS 含量對5 ℃彈性恢復(fù)率的影響

3 黏韌性

瀝青黏韌性試驗(yàn)是評價(jià)改性瀝青改性效果的一種典型試驗(yàn)，最初用于評價(jià)SBR 改性瀝青，后擴(kuò)展至用于評價(jià)排水瀝青路面用高黏度改性瀝青。一般要求試驗(yàn)溫度25 ℃，拉伸速度500 mm/min，拉伸至300 mm 結(jié)束。試驗(yàn)時(shí)，一開始表現(xiàn)出需要較大的荷載，后來則有一較長的變形段。將總的功稱作黏韌性，將后期較長時(shí)間變形部分的功稱作韌性。在進(jìn)行黏韌性測試時(shí)，基質(zhì)瀝青的內(nèi)聚力小，拉伸的瀝青比較細(xì)；隨著SBS含量的增加，改性瀝青的內(nèi)聚力增大，拉伸的瀝青變粗，如圖 7。當(dāng)內(nèi)聚力大于改性瀝青與試驗(yàn)器半球圓頭之間的黏附力時(shí)，拉伸變形不到300 mm 時(shí)改性瀝青即從半球圓頭上拉脫，從而結(jié)果偏小。70#基質(zhì)瀝青黏韌性/韌性=6/1，I-D改性瀝青黏韌性/韌性=24/17，高黏度改性瀝青黏韌性/ 韌性=27/21，當(dāng)SBS 的含量繼續(xù)增大，黏韌性/ 韌性降低至25/19，如圖8[6]。表現(xiàn)為隨著SBS 含量的增大，黏韌性先增大后減小，大約在SBS 含量為7% 時(shí)，黏韌性達(dá)到峰值，黏韌性大約30 N·m，韌性約25 N·m；且受基質(zhì)瀝青種類的影響較為明顯（如圖 9[7]）。此外，在評價(jià)高黏度改性瀝青的黏韌性時(shí)，還發(fā)現(xiàn)切線不容易找準(zhǔn)的情況，導(dǎo)致在計(jì)算韌性時(shí)受試驗(yàn)人員人為因素的影響。日本在評價(jià)高黏度改性瀝青時(shí)，要求黏韌性不小于20 N·m，而不要求韌性[8]。對于SBS 含量更大的改性瀝青開發(fā)了其他的膠結(jié)料技術(shù)指標(biāo)（膠結(jié)料低溫彎曲試驗(yàn)）。我國規(guī)范對高黏度改性瀝青有的要求黏韌性不小于20 N·m，韌性不小于15 N·m[9-11]；有的要求黏韌性不小于25 N·m，韌性不小于20 N·m[12,13]。應(yīng)注意由于SBS 含量大導(dǎo)致黏韌性測試結(jié)果偏小的情況。

圖 7 黏韌性試驗(yàn)情況

圖 8 黏韌性試驗(yàn)曲線

圖 9 SBS 含量與黏韌性的關(guān)系

4 膠結(jié)料彎曲試驗(yàn)

由于黏韌性隨著SBS 含量的增加先增大后減小，因此需要尋找與SBS 含量相關(guān)性更好的膠結(jié)料指標(biāo)。日本于2003年開發(fā)了膠結(jié)料低溫彎曲試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)方法[14-16]為將熱瀝青倒入模具中成型20 mm×20 mm×120 mm 的小梁試件，待冷卻后用熱刮刀刮除高于試模的瀝青，放在試驗(yàn)溫度中保溫3 ～3.5 h。將試件放置在試驗(yàn)機(jī)支座上，測定支點(diǎn)間距為80 mm，以100 mm/min 的速度在跨徑中央加載，記錄變形和荷載。與混合料彎曲試驗(yàn)的計(jì)算方法類似，抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎拉應(yīng)變能和彎曲勁度模量的計(jì)算方法如下：

式中：——試件的寬度（mm），為規(guī)定值，20 mm；

嚴(yán)格意義上，彎拉應(yīng)變能是彎拉強(qiáng)度對彎拉應(yīng)變的積分。采用抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變的乘積作為彎拉應(yīng)變能，是為了計(jì)算方便，無具體的物理意義，約為實(shí)際彎拉應(yīng)變能的兩倍。研究發(fā)現(xiàn)，隨著SBS 含量的增加，改性瀝青的-20 ℃彎拉應(yīng)變能增大，且受基質(zhì)瀝青種類的影響較小，如圖 10。測試市售成品瀝青的彎拉應(yīng)變能發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青＜普通SBS 改性瀝青＜高黏度改性瀝青＜寒冷地區(qū)用高黏度改性瀝青。-20 ℃條件下進(jìn)行的彎曲試驗(yàn)，基質(zhì)瀝青、普通SBS 改性瀝青、高黏度改性瀝青都發(fā)生脆性破壞，寒冷地區(qū)用高黏度改性瀝青為屈服變形，表明其低溫性能優(yōu)異，結(jié)果如圖 11[6]。目前日本大部分關(guān)于高SBS 含量改性瀝青的規(guī)范對膠結(jié)料低溫彎曲試驗(yàn)提出了要求，見表1。

圖 10 SBS 含量與改性瀝青-20 ℃彎拉應(yīng)變能的關(guān)系

圖 11 不同瀝青的彎曲試驗(yàn)曲線

由表1 可以看到，對不同的改性瀝青，要求的試驗(yàn)溫度不同。這是由于當(dāng)發(fā)生脆性破壞時(shí)，隨著改性瀝青低溫性能變好，彎拉應(yīng)變能增大；當(dāng)?shù)蜏匦阅苓M(jìn)一步變好，破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榍冃螘r(shí)，隨著低溫性能變好，彎拉應(yīng)變能減小，即可能出現(xiàn)性能更優(yōu)的材料不滿足規(guī)范要求的情況。改善改性瀝青的低溫性能可以從SBS 改性劑的角度，如提高SBS 的含量、采用聚丁二烯嵌段比例更高的SBS 或采用分子量更小的SBS；也可以從橡膠油的角度，如提高橡膠油的含量或采用傾點(diǎn)更低的橡膠油[18]。同一種改性瀝青，隨著測試溫度的降低，破壞形式會(huì)由屈服變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?。改性瀝青低溫性能的提升會(huì)使得由屈服變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐牡臏囟冉档?。因此?dāng)比較兩種瀝青在同一溫度下的彎拉應(yīng)變能時(shí)，應(yīng)首先判斷低溫彎曲試驗(yàn)時(shí)的破壞形式，屈服變形的瀝青比脆性破壞的瀝青低溫性能好；同為脆性破壞時(shí)，彎拉應(yīng)變能大的瀝青低溫性能好；同為屈服變形時(shí)，彎拉應(yīng)變能小的瀝青低溫性能好。而彎曲勁度模量和最大彎拉應(yīng)變的變化不會(huì)因破壞形式的轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)拐點(diǎn)。隨著低溫性能的改善，彎曲勁度模量減小，最大彎拉應(yīng)變增大。彎曲勁度模量相對于最大彎拉應(yīng)變具有更好的區(qū)分度。因此建議采用膠結(jié)料低溫彎曲試驗(yàn)時(shí)，只采用彎曲勁度模量來評價(jià)。

表1 日本要求膠結(jié)料低溫彎曲試驗(yàn)的聚合物改性瀝青

5 結(jié)論

隨著SBS 含量的增加，尤其是當(dāng)富SBS 相由分散性轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相后，改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)表現(xiàn)出不同的規(guī)律。有些指標(biāo)如軟化點(diǎn)、25 ℃彈性恢復(fù)隨著SBS 含量的增加變化不明顯；有的指標(biāo)如25 ℃黏韌性隨SBS 含量的增加先增大后減?。挥械闹笜?biāo)如25 ℃黏韌性和5 ℃延度受基質(zhì)瀝青種類的影響比較明顯。因此在評價(jià)高SBS 含量的改性瀝青時(shí)，不能盲目借鑒低SBS含量改性瀝青的經(jīng)驗(yàn)，而應(yīng)充分評價(jià)SBS 含量對改性瀝青膠結(jié)料和混合料指標(biāo)的影響，以及膠結(jié)料指標(biāo)和混合料指標(biāo)之間的關(guān)系，提出合理的技術(shù)要求。

另外，低SBS 含量改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)很多是沿用了石油瀝青的技術(shù)指標(biāo)，屬于重質(zhì)油的范疇。而高SBS 含量改性瀝青由于富SBS 相為連續(xù)相，表現(xiàn)出聚合物的性質(zhì)，可以認(rèn)為是高填充的熱塑性橡膠，有些重質(zhì)油的指標(biāo)并不一定適合用于評價(jià)高SBS 含量的改性瀝青，可以考慮參考橡膠的相關(guān)評價(jià)手段。