SBS改性沥青车辙因子影响因素分析

2014-12-02筵玉涛甘肃路桥建设集团第一公路工程有限责任公司甘肃兰州730050

中国建材科技 2014年6期

筵玉涛（甘肃路桥建设集团第一公路工程有限责任公司，甘肃兰州 730050）

现代交通轴载重、交通量大、胎压高，对路面质量提出了更高的要求，而优质沥青是确保沥青路面使用性能的关键。由于我国优质油源紧缺、气候环境复杂，使得大部分的基质沥青不能适应高等级公路建设的需求，对沥青进行改性成为必然的选择。SBS（热塑性丁苯橡胶）改性剂由于其特有的两相嵌段共聚结构，使用SBS作为沥青改性剂可以同时提高沥青的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳特性及耐老化性能。尽管SBS改性沥青在试验室表现出优异的性能，但其在路面工程中的表现并不尽如人意，在使用过程中，改性沥青性能出现很大的变异性。这就需要科研工作者对影响SBS改性沥青性能的各个因素进行系统、细致的研究。本文通过动态剪切流变试验研究SBS改性沥青组成材料对沥青高温性能的影响。

1 试验材料

1.1 基质沥青的基本性能

沥青的性能主要与其化学组成、结构及各个成分之间相互作用状态相关。为了研究沥青组分与其性能的关系。本课题采用SK90#、SHELL90#、昆仑90#、镇海90#和埃索70# 5种基质沥青分别与不同SBS改性剂相混合制备改性沥青。现对5种基质沥青做4组分分析，结果如表1所示。

表1 基质沥青4组分分析结果

1.2 改性剂的技术性质

本课题使用道改2#、T161B、1320-115、4303及YH791 5种改性剂制备改性沥青。其中的道改2#、T161B和4303为星型，1320-115与YH791是线型改性剂。

1.3 抽出油和稳定剂

在SBS改性沥青的制备过程中，为了改善SBS在基质沥青中的分散性，改性剂与基质沥青之间的相容性、调节其粘度和低温延展性，往往需要加入一定数量的助剂材料。主要是环烷烃精炼油，由于其与SBS改性剂有很好的相溶性且引起强度下降幅度不大[2]。本课题采用环烷烃含量较高的高芳烃油。

为了提高SBS改性沥青的粘结力、改性剂与沥青的相容性，改善沥青的储存稳定性，可以在沥青中加入交联剂，对改性剂表面和沥青进行化学交联，增强SBS改性剂的网络结构，提高改性沥青的抗变形能力和强度。同时，由于改性剂与沥青密度的差异，在储存过程中，由于重力的作用，改性剂容易发生上浮现象。因此，在制备改性沥青的过程中，往往需要加入一定质量的稳定剂。本项目采用性能稳定的无机类稳定剂。

2 试验及结果分析

2.1 SBS改性沥青高温性能评价方法

沥青结合料在高温下抵抗车辙变形的能力不仅与其粘弹性性能相关，还与其劲度模量相关，沥青的粘性越大，抵抗车辙变形的能力越弱；而沥青的劲度模量越大，抵抗车辙变形的能力越强。因此，其车辙因子定义为G*/sinδ。

2.2 SBS改性沥青的高温抗车辙因子

使用正交试验设计方法，对以上5种基质沥青、5种改性剂及其在5个不同掺量下制备的SBS改性沥青进行车辙因子的测试。为了便于分析，采用老化后70℃车辙因子；根据SHRP沥青结合料分级标准，高温以6℃为一个间隔，如果采用这样的分级标准则不同改性沥青之间的差异性很小，因此对其高温等级的界定统一采用老化后车辙为2.2kPa的温度点。改性沥青车辙因子测试结果如表2所示。

对以上正交试验结果分析看出，改性剂掺量是影响SBS改性沥青车辙因子的主要因素，其次是基质沥青和改性剂类型。以下分别对各个因素的影响趋势进行探讨。

2.3 改性剂掺量对SBS改性沥青车辙因子的影响

由图1可以看出，在70℃测试条件下，在改性剂掺量从3.6%～5.2%的增加过程中，SBS改性沥青的车辙因子整体呈增大趋势。首先，SBS改性剂在沥青中吸收沥青轻质组分的溶胀过程，使基质沥青中原有的组分比例发生变化，其中饱和分和芳香分含量降低，而沥青质与胶质含量相对增加，组分比例变化的结果是沥青变硬，沥青抵抗高温流动变形的能力增强；SBS改性剂经过高速剪切的过程后，以细小塑性颗粒的形式分散在沥青中，尽管由于其吸收了沥青中的轻质组分聚苯乙烯硬度变小，但相对于沥青而言，溶胀了的聚苯乙烯链段仍然有较高的强度，即随聚苯乙烯含量的增加，改性沥青复数模量增大，抵抗高温变形能力增强；同时聚丁二烯的高弹特性，改善了沥青的弹性性能，使结合料在变形过程中储存能量增加，而损失能量相对减小，表现为sinδ值减小，G*/sinδ值增大，即车辙因子增大。

表2 SBS改性沥青车辙因子分析

图1 改性剂掺量对SBS改性沥青车辙因子的影响

2.4 基质沥青对SBS改性沥青抗车辙因子的影响

分析图2看出，尽管前4种基质沥青同为90#，其高温PG分级也同为58℃，埃索70#PG高温分级为64℃，但其对改性沥青车辙因子的影响却各不相同，基质沥青有较高的高温等级不一定在对其进行改性处理后其车辙因子仍然高于其它沥青。其原因主要有以下几方面：首先，基质沥青的四组分构成比例存在很大差异，分析基质沥青四组分构成表，发现4种高温等级相同的基质沥青中沥青质含量由高到低分别是昆仑 90#、SK90#、shell90#、镇海90#，正好与改性沥青的高温抗车辙性能相同，反应出沥青质与改性剂抗车辙性能有很好的相关性；而高温抗车辙性能很难与沥青其它组分建立直接的相关关系，但这并不能说改性沥青的抗车辙性能只与沥青质相关，因为埃索70#尽管有很高的沥青质含量，其改性后高温特性并不理想；沥青是极其复杂的化合物，其每一种组分都包含了几百种化合物，仅以芳香分来说，又有轻芳、中芳和重芳之分，三者比例不同沥青对改性剂的溶胀特性也不同。从基质沥青的角度出发，为了制备高温性能优良的改性沥青，首先要通过试验确定改性剂与基质沥青之间的相容性，而不是简单选择沥青质含量高的沥青。

图2 基质沥青对SBS改性沥青车辙因子的影响

图3 改性剂类型对SBS改性沥青车辙因子的影响

2.5 改性剂类型对SBS改性沥青车辙因子的影响

分析图3 5种改性剂对改性沥青车辙因子的影响发现，星型SBS改性剂对沥青高温特性的改善作用显著优于线型改性剂。从改性剂的化学结构分析，线型改性剂呈条形，各结构层之间在外力的作用下易于发生滑移，而星型改性剂是以Si原子为核心，每个键连接一个SBS聚合体，从空间结构来看，聚合物处于相互缠绕的网状结构中，结构更加致密，有较强的抵抗外力变形的能力。但是正是由于星型改性剂的这种结构特性，使用星型改性剂制备改性沥青时工艺较线型更加复杂。