速熔型SBS改性瀝青性能研究

作者簡介：左小紅（1987—），工程師，主要從事高速公路建設與管理工作。

摘要：為了規避濕法SBS改性瀝青的技術弊端，干法SBS改性劑（即速熔型SBS）被提出。為加強道路建設，推廣節能型材料及施工工藝方法于實際，文章基于速熔型SBS改性瀝青的特點，采用一種速熔型SBS改性劑，分別制得3%、3.5%、4%三種摻量的SBS改性瀝青，研究不同老化條件下SBS改性瀝青的常規性能，并采用PG分級體系對高低溫流變性能進行評價，得出最佳SBS改性劑摻量。試驗結果表明：摻量為3.5%的SBS改性瀝青PG分級能達到PG82-28，與90^#基質瀝青PG58-22相比，改性效果優異；SBS改性瀝青的制備實現了速熔，節約資源的同時易于施工。

關鍵詞：速熔型SBS改性瀝青；常規性能；高低溫流變性能；PG分級；最佳摻量

中圖分類號：U416.03

0 引言

在道路建設中推廣節能型材料以及施工工藝方法，是響應國家節能減排戰略的重要舉措。SBS改性瀝青由于其良好的特性已成為近年來的研究熱點，目前在公路、城市道路、機場跑道等路面建養項目中已被廣泛應用^[1]，而SBS改性劑對基質瀝青的改性技術應用最為廣泛，普遍被行業接受。SBS改性劑的本質是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物熱塑性彈性體，其改性效果優異、性能全面，可同時提高改性瀝青的高低溫流變性能，在很大程度上改善基質瀝青的性能。

長期以來，SBS改性瀝青的應用主要依賴于濕法工藝進行，在我國的實際應用中更為廣泛，但是濕法SBS改性瀝青存在熱分解性能衰減、SBS易離析、拌和樓使用過程監管困難等缺陷^[2-4]，為了規避濕法SBS改性瀝青的技術弊端，干法SBS改性劑（即速熔型SBS）被提出。

本文為闡明速熔型SBS改性瀝青的特點，采用實驗室方法，制備摻量為3%、3.5%、4%三種SBS改性瀝青，與SBS-Ⅰ-C改性瀝青與90^#基質瀝青相對比。采取不同老化條件后的常規性能及流變性能試驗，基于PG分級體系，研究不同老化程度下速熔型SBS改性瀝青的性能，為后續提升SBS改性瀝青性能提供理論基礎。

1 材料和制備方法

1.1 速熔型SBS

本文采用一種速熔型SBS改性劑^[5]，適用于道路工程領域，在制備過程中，因其剪切時間短，發揮了速熔的優勢，并在節約能源的同時又增強了施工靈活性，有效提高了路面施工質量，SBS改性劑性能指標如表1所示。

1.2 基質瀝青

基質瀝青的選取會影響添加SBS改性劑后改性瀝青的性能^[6]，故本文采用盤錦90^#基質瀝青進行試驗。參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）（以下簡稱《試驗規程》）^[7]，基質瀝青主要技術性能測試結果如表2所示。

1.3 SBS-Ⅰ-C改性瀝青

本文采用盤錦SBS-Ⅰ-C改性瀝青作為對比，主要技術性能測試結果如表3所示。

1.4 制備條件

先將基質瀝青加熱至180 ℃保溫30 min，再將速熔型SBS改性劑加入基質瀝青中，在溫度為180 ℃、轉速為5 000 r/min的條件下用剪切機剪切20 min獲得SBS改性瀝青。

2 試驗方法

2.1 短期老化

試驗選擇使用旋轉薄膜烘箱（RTFO）在163 ℃下老化85 min，制得短期老化后的瀝青，模擬瀝青路面建設期間因受熱引起的老化，按照規范《試驗規程》中T0610-2011進行試驗。

2.2 長期老化

試驗選擇使用壓力老化容器（PAV），模擬瀝青在道路使用3～5年中發生的老化，壓力2.1 MPa、老化時間20 h，按照《試驗規程》中T0630-2011進行試驗。

2.3 針入度和軟化點

采用《試驗規程》規范方法分別對90^#基質瀝青、制備的三種摻量（3%SBS、3.5%SBS、4%SBS）SBS改性瀝青與SBS-Ⅰ-C改性瀝青進行針入度和軟化點測試，用以評價其常規性能。

2.4 動態剪切流變儀試驗

按照《試驗規程》中T0628-2011進行試驗，采用動態剪切流變儀法（DSR），試驗溫度為19 ℃～31 ℃及46 ℃～88 ℃，分別測得疲勞因子G^*·sinδ及車轍因子G^*/sinδ。間隔溫度分別設定為3 ℃、6 ℃，頻率為0.1～10 Hz。分別對速熔型SBS改性瀝青、SBS-Ⅰ-C改性瀝青及90^#基質瀝青進行試驗，用以評價其高溫流變性能。

2.5 彎曲梁流變儀試驗

按照《試驗規程》中T0627-2011進行試驗，采用彎曲梁流變儀法（BBR）對長期老化后的改性瀝青進行低溫流變性能試驗，試驗在-12 ℃、-18 ℃及-24 ℃下進行，測得瀝青彎曲蠕變速率及勁度模量，用以評價低溫流變性能。

3 速熔型SBS改性瀝青性能研究

3.1 常規性能試驗

3.1.1 針入度

針入度表示瀝青的軟硬程度和稠度，是反映在一定條件下瀝青相對黏度的指標。對五種瀝青進行針入度試驗，數據如圖1所示，可以看出加入速熔型SBS改性劑后可以顯著降低瀝青的針入度，90^#基質瀝青針入度為86（0.1 mm），摻量為3%、3.5%、4%的SBS改性瀝青及SBS-Ⅰ-C改性瀝青針入度分別為51（0.1 mm），54（0.1 mm）、51.9（0.1 mm）、65.2（0.1 mm）。較90^#基質瀝青的針入度分別降低了40.7%、37.2%、39.7%和24.2%。其中3.5%SBS改性瀝青較SBS-Ⅰ-C改性瀝青下降了17.2%，較3%SBS改性瀝青提升了5.9%。

隨著速熔型SBS摻量的增加，針入度先增大后減小，但不同摻量下改性瀝青的針入度相差不大，這是因為速熔型SBS的加入吸收了瀝青中的輕組分^[8]，但隨著輕組分被吸收，極組分含量增加，瀝青分子間相互作用增強，軟組分被吸收的總量及速率受限^[9]。

3.1.2 針入度比

針入度比是瀝青試件在未老化前與短期老化后針入度的比值，用來評價其抗老化性能，針入度比越大，老化越慢，抗老化性能越好。經過計算得到五種瀝青的針入度比如圖2所示，90^#基質瀝青的針入度比為58.7%，摻量為3%、3.5%、4%的速熔型SBS改性瀝青針入度比分別為65.9%、67.1%、62.2%，比90^#基質瀝青分別提高了7.2%、8.4%、3.5%。其中，SBS-Ⅰ-C改性瀝青抗老化性能最好，其針入度比為79.8%，較90^#基質瀝青提了21.1%。結果表明在速熔型SBS老化過程中，瀝青材料中輕組分的揮發和大分子量化合物的不斷增大，延緩了瀝青針入度性能的下降速度。

3.1.3 軟化點

軟化點是瀝青受熱后開始流動時的溫度，反映了瀝青高溫性能和瀝青黏度隨溫度變化的情況。為研究速熔型SBS改性劑摻量對瀝青高溫性能的影響，將五種未老化瀝青軟化點數據進行對比。如圖3所示，90^#基質瀝青的軟化點為48.1 ℃，SBS-Ⅰ-C改性瀝青的軟化點最高為69.2 ℃。3%、3.5%、4%摻量的SBS改性瀝青的軟化點較90^#基質瀝青分別提升了21.8%、30.4%、37.4%；隨著速熔型SBS摻量的增加軟化點也逐漸升高，4%SBS改性瀝青軟化點比3.5%SBS改性瀝青提高了3.4 ℃，較3%SBS改性瀝青軟化點提高7.5 ℃。試驗發現加入速熔型SBS后能提高瀝青的溫度敏感性，這是由于SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌共聚物，與瀝青中的芳香酚具有較好的相容性，隨著速熔型SBS在瀝青中表面積的增大，與瀝青形成的空間網狀結構更密，有利于軟化點的提高。

3.2 流變性能

3.2.1 溫度掃描

車轍因子G^*/sinδ表征瀝青抵抗高溫剪切變形的能力，G^*/sinδ值與瀝青抵抗高溫剪切變形的能力呈正相關。通過對五種未老化瀝青進行溫度掃描試驗，測出車轍因子G^*/sinδ，用以評價瀝青高溫性能。基于美國SHRP規范，G^*/sinδ越大，瀝青的高溫抗車轍性越強。試驗結果如圖4所示，可以看出車轍因子隨溫度的升高而降低，并隨著速熔型SBS的加入而顯著提高，這表明SBS的加入提高了其在高溫下抵抗變形的能力。并且三種摻量下速熔型SBS改性瀝青的斜率較90^#基質瀝青更平緩，也能得出其溫度穩定性優于90^#基質瀝青的結論。

在溫度為70 ℃時，摻量為3%、3.5%、4%的速熔型SBS改性瀝青的車轍因子分別為1.47 kPa，3.88 kPa，1.99 kPa，較90^#基質瀝青提高了221.3%、751%、337.3%。3.5%SBS改性瀝青車轍因子最高，較SBS-Ⅰ-C改性瀝青提高了49.4%，較3%SBS改性瀝青的車轍因子提高了164.5%，4%SBS改性瀝青較3%SBS改性瀝青提高了36.1%。由此可見，3.5%SBS改性瀝青的高溫性能最好。此外，三種摻量的速熔型SBS改性瀝青在70 ℃的溫度下，其車轍因子均＞1.0 kPa，滿足Superpave瀝青結合料規范要求，體現出優異的高溫性能。

為進一步研究老化程度對速熔型SBS改性瀝青的影響，將五種短期老化后的G^*/sinδ數據整理為圖5所示，可以直觀地看出，在相同溫度下的車轍因子從小到大排序為：90^#基質瀝青＜3%SBS＜SBS-Ⅰ-C＜3.5%SBS＜4%SBS，隨著老化程度的加深，4%SBS改性瀝青的高溫性能開始強于SBS-Ⅰ-C改性瀝青，說明速熔型SBS具有良好的抗老化性能，另外三種摻量下的速熔型SBS改性瀝青在70 ℃溫度下的車轍因子均＞2.2 kPa。其中3.5%SBS的G^*/sinδ為2.23 kPa，滿足PG分級82 ℃的要求，表現出優異的高溫性能。

將五種長期老化后的瀝青進行溫度掃描試驗，測出G^*·sinδ，用以評價其疲勞能力，疲勞因子表示瀝青在變形中能量的損失，疲勞因子越小，即抗疲勞能力越好。如圖6所示，基質90^#瀝青在25 ℃下疲勞因子為2 552.7 kPa，加入速熔型SBS后疲勞因子降低，表明速熔型SBS改性劑能增強基質瀝青抗疲勞能力。另外根據美國Superpave瀝青結合料規范要求，長期老化后的瀝青，G^*·sinδ≤5.0 kPa，故圖中幾種瀝青均滿足Superpave瀝青結合料規范要求，體現出優異的抗疲勞能力。

3.2.2 BBR試驗

將長期老化后的五種瀝青分別在-12 ℃，-18 ℃和-24 ℃溫度下進行BBR試驗，勁度模量S、蠕變速率m如圖7、圖8所示。用于評價瀝青低溫性能。蠕變速率m代表瀝青松弛性能，勁度模量S反應熱應力，S越小、m越大，反映其低溫性能越好。Superpave瀝青結合料規范要求BBR試驗蠕變速率m≥0.3，勁度模量S≤300 MPa。相對于勁度模量S、蠕變速率m對瀝青低溫開裂的影響更大^[10]。根據圖7、圖8分析可得：加入速熔型SBS后能提升低溫性能，隨著速熔型SBS摻量的升高，改性瀝青低溫性能有下降趨勢；隨著老化的進行，在低溫情況下，瀝青分子間距離縮短作用力增強，流動速度下降，勁度升高，導致瀝青脆性增強。當溫度為-18 ℃時，三種不同摻量的SBS改性瀝青的S值都≤300 MPa；摻量為4%SBS改性瀝青的m值為0.281，＜0.3，其余兩組的m值均滿足≥0.3的規范要求；90^#基質瀝青只在-12 ℃下滿足規范要求；3.5%SBS改性瀝青的S值為200 kPa，m值為0.31，比3%SBS的S值大，比其m值小，低溫性能較3%SBS改性瀝青略低，但都滿足-18 ℃的低溫標準。

根據Superpave瀝青結合料規范要求，BBR試驗蠕變速率m≥0.3，勁度模量S≤300 MPa。3%SBS改性瀝青為PG70-28，3.5%SBS改性瀝青為PG82-28，4%SBS改性瀝青為PG76-22，SBS-Ⅰ-C改性瀝青為PG76-28，90^#基質瀝青為PG58-22。故3.5%為速熔型SBS的最佳摻量。

4 結語

為了實現速熔型SBS在道路工程中的高效應用，本研究制備了不同摻量的SBS改性瀝青，用實驗室試驗評估其性能。根據試驗結果，可以得出以下結論：

（1）針入度、軟化點試驗結果表明，速熔型SBS能顯著降低瀝青的針入度，提高瀝青的軟化點，改性效果明顯。

（2）通過動態剪切流變試驗可以得出，加入速熔型SBS改性劑后，車轍因子均大幅度提升，疲勞因子均降低，表明速熔型SBS能顯著提高基質瀝青的高溫穩定性。

（3）通過彎曲梁流變試驗可以得出，加入速熔型SBS改性劑后能提升基質瀝青低溫性能，根據PG分級指標，加入3%摻量的速熔型SBS改性劑后可將90^#基質瀝青的低溫PG等級從PG-22最高提升至PG-28。

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