SEBS改性瀝青的路用性能研究

馬峰*，代佳勝，傅珍2，李晨，王蒙蒙，董文豪

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西西安710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西西安710064)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和交通需求的快速增長(zhǎng)，受超載現(xiàn)象和極端氣候影響，對(duì)瀝青的路用性能提出了更高的要求[1]。由于改性瀝青在提高瀝青路面路用性能方面成效顯著，工程技術(shù)人員通常加入改性劑來(lái)改善其路用性能[2-4]。目前，SBS作為瀝青改性劑，憑借其對(duì)瀝青材料溫度敏感性的良好改善而被廣泛應(yīng)用[5-6]。然而，由于SBS改性劑的化學(xué)成分和雙鍵影響，導(dǎo)致其與瀝青的相容性欠佳，同時(shí)在貯存期間耐久性不好[7-9]。

SEBS是在SBS的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)聚丁二烯加氫，得到的一種乙烯-丁烯共聚物[10]，可將其作為一種新型瀝青改性劑。解建光等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)，SEBS改性瀝青和改性瀝青混合料具有良好的耐候性，與SBS改性瀝青混合料相比其壽命可以延長(zhǎng)一倍，可以提高與酸性集料的黏附性。BECKLER等[13]通過(guò)采用對(duì)SEBS接枝馬來(lái)酸酐的化學(xué)方法，可改善SEBS與瀝青的相容性。BACHIR等[14]將流變學(xué)應(yīng)用于SEBS聚合物改性瀝青(PMB)的性能評(píng)價(jià)，并與35/50滲透級(jí)瀝青老化前后的性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)SEBS的加入提高了瀝青膠漿的抗老化性能，降低了復(fù)合模量老化指數(shù)，提高了瀝青混合料的老化性能。國(guó)內(nèi)外大量研究與試驗(yàn)表明，SEBS改性劑能夠有效的改善瀝青抗老化性能，延長(zhǎng)混合料的使用壽命，但在SEBS改性瀝青路用性能的綜合評(píng)價(jià)上尚有不足。

因此，本文將SEBS作為瀝青改性劑引入瀝青中，通過(guò)對(duì)改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、溫度敏感性、黏滯性和抗老化性能等進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)SEBS改性瀝青的路用性能，為推進(jìn)SEBS改性瀝青在道路過(guò)程中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料和試驗(yàn)方案

1.1 原材料

研究所用瀝青為90號(hào)道路石油瀝青，其基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1，SEBS材料為中石化巴陵石化生產(chǎn)的YH-503 SEBS原料，生產(chǎn)地為廣東東莞，具體的參數(shù)和指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 90號(hào)道路石油瀝青性能指標(biāo)Tab.1 Properties of 90# road asphalt

表2 SEBS(YH-503)基本性能指標(biāo)Tab.2 Basic properties of SEBS(YH-503)

1.2 試驗(yàn)方案

由于SEBS是熱塑性彈性體，僅采用簡(jiǎn)單的機(jī)械攪拌需要較長(zhǎng)時(shí)間，且效果不好[15-16]。因此，選擇高速剪切法制備SEBS改性瀝青，改性劑摻量為4 %、5 %、6 %、7 %、8 %。將SEBS分多次加入熔融的基質(zhì)瀝青中攪拌勻化，加入1 %相容劑；初產(chǎn)物在160～180 ℃下高速剪切1h，轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 500 r/min，剪切完成后加1 %穩(wěn)定劑，人工攪拌20 min去除氣泡；最后放入160 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育1h。按照規(guī)范(JTGE20—2011)對(duì)SEBS改性瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、布氏旋轉(zhuǎn)黏度、以及短期老化(RTFOT)等多項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)溫度敏感性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、粘滯性以及抗老化性等對(duì)比分析。

2 SEBS改性瀝青的路用性能研究

2.1 溫度敏感性

分別測(cè)試了五種不同摻量的SEBS改性瀝青分別在15、25、30 ℃三個(gè)溫度條件下的針入度，對(duì)各摻量下SEBS改性瀝青針入度值按y=B+Ax直線回歸，求取針入敏感性指數(shù)A、常數(shù)項(xiàng)K、直線回歸相關(guān)系數(shù)R2,見(jiàn)表3。

表3 不同SEBS摻量改性瀝青針入度線型擬合參數(shù)Tab.3 Line fitting parameters of asphalt with different SEBS content

由表3可知，所有的相關(guān)系數(shù)均大于0.997，數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求；因此根據(jù)線性擬合參數(shù)計(jì)算出各瀝青試樣的溫度敏感性指數(shù)A、針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2、塑性溫度范圍ΔT，各摻量SEBS改性瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)隨摻量的變化曲線圖，見(jiàn)圖1、圖2。

(a) 針入度溫度敏感性指數(shù)A

(b) 針入度指數(shù)

(c) 塑性溫度范圍ΔT

由圖1(a)、(b)可知，參照規(guī)范(JTG E20—2011)，各摻量SEBS改性瀝青等級(jí)均為優(yōu)，針入度指數(shù)均滿足A級(jí)瀝青的規(guī)范要求，屬于溶—凝膠型結(jié)構(gòu)。隨SEBS摻量的增加，針入度溫度敏感性指數(shù)大致呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明將SEBS作為瀝青改性劑加入到基質(zhì)瀝青中，能夠起到顯著改善溫度敏感性的作用。由圖1(c)可知，隨SEBS摻量增加，SEBS改性瀝青塑性溫度范圍ΔT逐漸增加，說(shuō)明SEBS加入到瀝青中，對(duì)基質(zhì)瀝青的溫度穩(wěn)定性有明顯改善作用；在6 %摻量的時(shí)候稍有降低，雖然塑性溫度范圍ΔT在SEBS摻量為6 %以上增加明顯，但SEBS摻量在5 %時(shí)出現(xiàn)小范圍內(nèi)峰值，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，5 %可作為塑性溫度范圍ΔT改善效果的最佳摻量。

SEBS改性劑對(duì)溫度敏感性的提高是由于其與基質(zhì)瀝青間的相互作用，SEBS的加入使得基質(zhì)瀝青重組分含量增加，輕組分含量減少，從而起到降低瀝青溫度敏感性的作用，且隨SEBS改性劑摻量的增加，具有更為顯著的改善效果。綜合經(jīng)濟(jì)效益和性能效果，5 %的SEBS可作為對(duì)瀝青溫度敏感性改善最佳摻量。

2.2 高溫穩(wěn)定性

圖2 軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800隨SEBS摻量變化曲線圖 Fig.2 Softening points and equivalent softening points T800of asphalt with different SEBS content

采用軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)T800來(lái)表征SEBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)量軟化點(diǎn)T800可由表3擬合結(jié)果計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，SEBS改性瀝青軟化點(diǎn)隨改性劑摻量的增加而增加，并且隨摻量增加而愈發(fā)顯著，當(dāng)摻量為4 %～6 %時(shí)軟化點(diǎn)增幅顯著低于6 %～8 %；同時(shí)，隨其摻量的增加T800逐漸增加，且改性瀝青T800均優(yōu)于基質(zhì)瀝青。因此，SEBS作為瀝青改性劑，可提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，并隨其摻量提高，改性效果愈發(fā)顯著。但當(dāng)其摻量在4 %～6 %之間時(shí)，T800變化不明顯，說(shuō)明SEBS加入量在此范圍內(nèi)對(duì)瀝青的高溫性能改善并不會(huì)隨摻量的變化而急劇變化。對(duì)比基質(zhì)瀝青和5種改性瀝青的軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)，實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)和計(jì)算出的當(dāng)量軟化點(diǎn)相差無(wú)幾，二者均隨著改性劑摻量增加而提高。由此說(shuō)明SEBS作為瀝青改性劑摻入瀝青中可以明顯提高瀝青的軟化點(diǎn)，從而改善瀝青的溫度敏感性，表現(xiàn)出更好的高溫性能。因此，考慮經(jīng)濟(jì)效益，推薦SEBS最佳摻量為5 %時(shí)對(duì)高溫性能改善最佳。

2.3 低溫性能

采用5、10 ℃延度和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2綜合分析SEBS改性瀝青的低溫性能，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 5 ℃、10 ℃延度隨SEBS摻量變化曲線圖
Fig.3 Ductility of 5 ℃ and 10 ℃ of asphaltwith different SEBS content

圖4 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2隨SEBS摻量變化曲線圖
Fig.4 Equivalent brittle pointsT1.2of asphaltwith different SEBS content

由圖3可知，SEBS改性瀝青在不同摻量下的5 ℃延度和10 ℃延度具有相同的變化趨勢(shì)，均隨SEBS摻量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值以后，隨著SEBS摻量的繼續(xù)增加，瀝青延度逐漸降低，并且所有摻量的SEBS改性瀝青5 ℃和10 ℃延度均明顯高于基質(zhì)瀝青。由圖4可知，當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2隨SEBS摻量增加，改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在5 %左右，說(shuō)明SEBS改性劑摻量為5 %時(shí)，低溫性能達(dá)到最佳。由此可以說(shuō)明SEBS作為改性劑加入到瀝青中，能夠明顯提升瀝青的低溫延性，可使SEBS改性瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性。這是因?yàn)镾EBS改性瀝青與SBS改性瀝青相似，改性劑在瀝青內(nèi)是以“帶狀”分布，改善了瀝青材料的拉伸性能和低溫韌性，表現(xiàn)出低溫變形能力明顯提高。

2.4 黏滯性

采用針入度來(lái)表征其稠度，布氏旋轉(zhuǎn)黏度表征其黏度；分別測(cè)試了15、25、30 ℃三個(gè)不同溫度條件下的針入度，結(jié)果如圖5所示；測(cè)試了原樣基質(zhì)瀝青和五種不同摻量的SEBS改性瀝青在135 ℃、160 ℃以及175 ℃時(shí)的布氏旋轉(zhuǎn)黏度，結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同溫度下針入度隨SEBS摻量曲線圖
Fig.5 Penetration at different temperatures ofasphalt with different SEBS content

圖6 不同溫度下布氏黏度隨SEBS摻量變化曲線圖
Fig.6 Brookfield viscosity at differenttemperatures with different SEBS content

由圖5可知，三種溫度下，針入度均隨著SEBS摻量的增大而降低。SEBS改性瀝青稠度隨針入度降低而逐漸增加，這是因?yàn)镾EBS改性劑摻入到瀝青中會(huì)起到硬化效果。此外，15 ℃時(shí)SEBS改性瀝青針入度與基質(zhì)瀝青針入度相差無(wú)幾，隨著試驗(yàn)溫度升高，25 ℃和30 ℃下的SEBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青之間的針入度差值變化更大。

由圖6可知，在三個(gè)溫度下，SEBS改性瀝青的布氏黏度隨SEBS摻量增大而逐漸增大，且當(dāng)溫度為135 ℃時(shí)，各摻量SEBS改性瀝青的布氏黏度變化最為顯著。因此，說(shuō)明SEBS的加入能夠提高瀝青的高溫黏度，摻量越大，黏度越高。SEBS改性瀝青具有較高的高溫黏度，因此相比于基質(zhì)瀝青具有更好的黏結(jié)能力與抗流動(dòng)能力，從而所拌和的SEBS改性瀝青混合料具有良好的抗車轍能力。但在瀝青泵送、拌合、壓實(shí)等路面施工過(guò)程中要求瀝青結(jié)合料具有合適的流動(dòng)性，對(duì)于道路石油瀝青，其適宜進(jìn)行拌合的黏度為0.17±0.02 Pa·s，適宜進(jìn)行壓實(shí)的黏度為0.28±0.03 Pa·s，基于此繪制各個(gè)摻量下的黏溫曲線，并對(duì)該曲線進(jìn)行線性擬合，求取拌合溫度范圍和施工溫度范圍，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青拌合及壓實(shí)溫度范圍Tab.4 Temperature range of asphalt mixing and compaction

3 SEBS改性瀝青的短期老化模擬

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT)對(duì)不同摻量SEBS改性瀝青進(jìn)行短期老化模擬，并測(cè)試短期老化后的三大指標(biāo)，通過(guò)老化前后的質(zhì)量變化、殘留針入度比、軟化點(diǎn)增量、延度變化等來(lái)綜合分析其抗老化性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

(a) 不同摻量老化前后質(zhì)量

(b) 不同摻量老化后針入度變化圖

(c) 不同摻量軟化點(diǎn)增量

(d) 不同摻量老化前后延度變化

圖7 短期老化后各指標(biāo)隨摻量變化圖
Fig.7 Properties of SEBS modified asphalt after short-term aging with different SEBS content

瀝青在老化過(guò)程中，由于輕質(zhì)組分揮發(fā)而引起質(zhì)量損失，如果與熱空氣中的氧分產(chǎn)生氧化反應(yīng)而質(zhì)量增加[17]。由圖7(a)可知，將SEBS摻入瀝青中，均引起了老化后質(zhì)量損失，但均滿足規(guī)范要求，隨其摻量遞增，質(zhì)量損失愈發(fā)明顯。瀝青在加熱過(guò)程中易揮發(fā)，造成SEBS改性瀝青在老化后質(zhì)量損失輕質(zhì)組分揮發(fā)后，其組分比例相繼發(fā)生變化，導(dǎo)致性質(zhì)發(fā)生變化。因此，為了減少輕質(zhì)組分揮發(fā)對(duì)瀝青的影響，在瀝青加熱過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)少攪動(dòng)。

由圖7(b)可知，改性瀝青老化后針入度值隨SEBS摻量增加逐漸降低；隨著其摻量的增加，改性瀝青的殘留針入度比呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，并在SEBS摻量為5 %的時(shí)候達(dá)到峰值。當(dāng)SEBS摻量為5 %時(shí)，老化前后針入度值的變化最小，說(shuō)明老化對(duì)5 %摻量的改性瀝青影響最小。瀝青在老化過(guò)程中輕質(zhì)組分揮發(fā)，SEBS則逐漸與瀝青中的重質(zhì)組分交聯(lián)，反而表現(xiàn)出改性瀝青的稠度增加。隨著改性劑摻量增加，交聯(lián)反應(yīng)程度更為明顯，故而老化后改性瀝青的殘留針入度比逐漸降低。

由圖7(c)可知，當(dāng)SEBS摻量為4～5 %時(shí)，隨SEBS摻量增加，軟化點(diǎn)增量逐漸變大，但當(dāng)SEBS摻量高于5 %時(shí)，隨著SEBS摻量增加軟化點(diǎn)增量則逐漸降低。當(dāng)摻量為0～4 %時(shí)，以瀝青為連續(xù)相，隨改性劑摻量提高，表現(xiàn)出瀝青的稠度提高。因此，老化后的改性瀝青表現(xiàn)為隨SEBS摻量提高而軟化點(diǎn)增量提高的趨勢(shì)。當(dāng)SEBS摻量高于5 %的改性瀝青因連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)镾EBS，抗熱氧老化性能較強(qiáng)，老化前后性能變化差異較小。因該摻量改性瀝青SEBS改性劑主要以自身之間產(chǎn)生交聯(lián)形式分布，故而老化過(guò)程的輕質(zhì)組分揮發(fā)對(duì)改性瀝青的影響較小，同時(shí)隨著SEBS摻量的進(jìn)一步提高，該影響被進(jìn)一步削弱。

由圖7(d)可知，短期老化后的10 ℃延度隨SEBS改性劑摻量的增加而增加，老化前后延度差隨其摻量增加而降低。SEBS改性瀝青膠體結(jié)構(gòu)屬于溶—凝膠型，經(jīng)老化后的SEBS改性瀝青膠體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為凝膠型，所以老化后的改性瀝青延度會(huì)降低。

4 結(jié)論

選用不同摻量SEBS對(duì)瀝青進(jìn)行改性，通過(guò)多種試驗(yàn)對(duì)比分析了改性瀝青感溫性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和黏滯性，并通過(guò)RTFOT對(duì)其抗老化性能進(jìn)行了研究，綜合評(píng)價(jià)SEBS改性瀝青的路用性能，主要得出如下結(jié)論：

① SEBS改性瀝青在不同摻量下具有不同的改性效果，與基質(zhì)瀝青相比，SEBS改性劑能夠使改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫性能、溫度敏感性、粘滯性等路用性能得以全面提升，使瀝青材料在高溫時(shí)不易發(fā)生流動(dòng)變形，在低溫條件下具備較好的變形能力而不易發(fā)生脆裂破壞。

② 在所選用的摻量范圍內(nèi)，隨摻量增加，SEBS改性瀝青高溫穩(wěn)定性和溫度敏感性改善效果愈發(fā)明顯，但低摻量下變化幅度明顯低于高摻量；其低溫性能相較于基質(zhì)瀝青均有顯著的改善作用，當(dāng)摻量高于5.0 %以后開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

③ SEBS改性劑對(duì)瀝青材料具有顯著的增稠作用，使改性瀝青具有良好的黏結(jié)能力和抗流動(dòng)變形能力；同時(shí)SEBS還能夠降低瀝青的老化敏感性，使改性瀝青具有更好的抗老化性能。

④ 綜合考慮不同摻量SEBS改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青感溫性、高低溫性能以及老化特性等多方面路用性能改善效果的比較，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益的影響，推薦SEBS改性劑的最優(yōu)摻量為5.0 %。