現(xiàn)場存儲SBS改性瀝青的性能提升方法研究

秦成林， 閆 燁， 董夫強(qiáng)

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

SBS改性瀝青由于其優(yōu)異的高溫性能、低溫性能和溫度敏感性能被廣泛運用［1-3］，其性能的老化規(guī)律、老化機(jī)理以及性能提升措施是國內(nèi)外學(xué)者的重要研究方向. 相對于基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青老化分為SBS改性劑和瀝青自身老化兩部分［4-6］. 黃子義和劉攀［7］分別研究了SBS、脫油瀝青和穩(wěn)定劑的種類和摻量對改性瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)，SBS的種類和摻量、脫油瀝青的摻量還有穩(wěn)定劑的種類和摻量都對改性瀝青性能有很大影響. Zhou等［8］采用分子模擬的方法研究了層狀雙氫氧化物（LDHs）添加劑的抗衰老機(jī)理，發(fā)現(xiàn)LDHs 與瀝青組分極性的不同，在熱氧化老化過程中會出現(xiàn)相分離現(xiàn)象. Zhao 等［9］研究了抗氧化劑（Irganox 1010）對瀝青抗老化性能和化學(xué)成分的影響，發(fā)現(xiàn)Irganox 1010對瀝青質(zhì)起膠凝作用，具有良好的抗熱氧老化和抗紫外老化性能. Zhang等［10］為了改善丁苯橡膠（SBR）改性瀝青在短期和長期老化前后的高溫性能和熱穩(wěn)定性，在瀝青中加入聚磷酸（PPA），發(fā)現(xiàn)加入聚磷酸能夠有效提高SBS改性瀝青的高溫性能和熱穩(wěn)定性，同時聚磷酸的膠凝效果不會進(jìn)一步影響到改性瀝青的熱穩(wěn)定性和高溫性能. 部分學(xué)者研究了SBS改性瀝青的短期和長期模擬老化實驗、老化再生性能和機(jī)理［11-19］. 但對于實體工程中的SBS改性瀝青在循環(huán)加熱存儲過程的性能衰減規(guī)律和恢復(fù)措施還有待研究.

經(jīng)調(diào)研江蘇高速公路兩家養(yǎng)護(hù)單位發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青在使用過程中出現(xiàn)循環(huán)加熱的存儲情況. 目前，一般情況下日常養(yǎng)護(hù)的施工時長為5～6 h，局部小修在2 h左右，以前者居多. 在日常養(yǎng)護(hù)施工期間，SBS改性瀝青在瀝青儲罐中的加熱溫度一般在160～180 ℃之間. 且在當(dāng)天施工完成后，根據(jù)日后的施工安排及天氣情況，養(yǎng)護(hù)單位會適當(dāng)降低溫度. 如果第二天繼續(xù)施工，溫度會降至150 ℃左右；如果超過3天不施工，溫度會降至130 ℃左右；如果超過6天不施工，養(yǎng)護(hù)單位會關(guān)閉瀝青存儲罐的加熱設(shè)備，讓瀝青存儲罐自然降溫，以防止瀝青過度老化.

本文針對SBS改性瀝青在循環(huán)加熱存儲后的性能衰減及恢復(fù)進(jìn)行研究，結(jié)合室內(nèi)試驗，測定循環(huán)加熱存儲老化前后SBS改性瀝青三大指標(biāo)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度和離析的衰減情況；同時，以外摻高摻量SBS改性瀝青和外摻自主研發(fā)的RE高黏改性劑為老化SBS改性瀝青的性能提升方法，研究驗證兩者對最不利不同工況下的老化SBS改性瀝青性能的恢復(fù)效果.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青 選取江蘇某公司產(chǎn)I-D類SBS改性瀝青，主要性能指標(biāo)見表1.

1.1.2 高摻量SBS 改性瀝青 為使老化后的SBS 改性瀝青的性能得到一定程度恢復(fù)，采用外摻高摻量SBS改性瀝青的方法進(jìn)行性能提升研究，不同高摻量SBS改性瀝青性能見表2.

表1 SBS改性瀝青的指標(biāo)參數(shù)Tab.1 Properties of SBS modified asphalt

表2 不同高摻量SBS改性瀝青的指標(biāo)參數(shù)Tab.2 Properties of high content SBS modified asphalt

1.1.3 性能恢復(fù)劑 為使老化后的SBS改性瀝青的性能得到一定程度恢復(fù)，選用自主研發(fā)的RE高黏改性劑作為恢復(fù)劑. 該RE高黏改性劑具備以下特點：短時間內(nèi)易融入瀝青；低溫黏度高、高溫黏度低；所制備高黏瀝青黏韌性高，與集料黏結(jié)性強(qiáng).

1.2 試驗方法

1.2.1 三大指標(biāo)測定 軟化點、針入度和延度按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定.

1.2.2 布氏旋轉(zhuǎn)黏度測定 按《瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗》（JTJ/T 0625—2000）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，采用美國Brookfield自動旋轉(zhuǎn)黏度計測定在135 ℃恒溫1～1.5 h后的瀝青.

1.2.3 離析測定 采用SH/T 0660 方法進(jìn)行評價：用一個直徑2.54 cm，高14 cm 上部開口的薄壁圓柱管，裝入50 g改性瀝青后，將開口封閉，垂直放于163.5 ℃的烘箱中恒溫48 h，取出后迅速放入冰箱中冷凍4 h，之后立即將其切為三段，用上下兩段改性瀝青分別進(jìn)行軟化點試驗，計算兩段軟化點差為離析試驗結(jié)果.

1.3 室內(nèi)存儲典型工況設(shè)計

綜合實際施工情況，針對循環(huán)加熱的存儲情況，設(shè)計了四種典型的存儲工況，具體如表3所示.

表3 循環(huán)加熱存儲工況及編號Tab.3 Cycle heating storage conditions and serial numbers

1.4 外摻高摻量SBS改性瀝青的恢復(fù)瀝青制備

將老化SBS 改性瀝青樣品加熱至180 ℃，分別以一定的比例（摻量10%、20%、30%、50%）摻入高摻量SBS改性瀝青，以300 r/min的攪拌速率持續(xù)攪拌30 min混合均勻.

1.5 外摻性能恢復(fù)劑的恢復(fù)瀝青制備

將老化SBS 改性瀝青樣品加熱至180 ℃，加入一定的比例的RE 高黏改性劑（摻量1%、3%、5%），以300 r/min的攪拌速率持續(xù)攪拌60 min混合均勻.

2 瀝青性能衰減規(guī)律研究

2.1 針入度

各循環(huán)加熱存儲工況在不同循環(huán)加熱次數(shù)條件下SBS改性瀝青針入度的變化如表4和圖1所示.

表4 SBS改性瀝青的針入度變化情況Tab.4 Changes of penetrations of SBS modified asphalt 單位：0.1 mm

圖1 SBS改性瀝青的針入度變化情況Fig.1 Changes of penetrations of SBS modified asphalt

由試驗結(jié)果可知，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增多，SBS改性瀝青的針入度整體呈現(xiàn)下降趨勢，且存儲溫度越高，SBS改性瀝青的針入度衰減幅度越大. 但各循環(huán)加熱存儲工況下的瀝青針入度指標(biāo)大多都滿足養(yǎng)護(hù)工程對SBS改性瀝青的技術(shù)要求（50～70），從圖1可以看出，針入度指標(biāo)存在上下波動，且衰減最多的是從原樣53.1衰減至47.5，所以針入度整體衰減程度較小.

2.2 軟化點

各循環(huán)加熱存儲工況在不同循環(huán)加熱次數(shù)條件下SBS改性瀝青軟化點的變化如表5和圖2所示.

表5 SBS改性瀝青的軟化點變化情況Tab.5 Changes of softening points of SBS modified asphalt 單位：℃

由試驗結(jié)果可知，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增多，SBS改性瀝青的軟化點整體呈現(xiàn)下降趨勢，且存儲溫度越高，SBS 改性瀝青的軟化點衰減幅度越大. 從圖2 可以看出，軟化點指標(biāo)衰減最嚴(yán)重的是從原樣88.0 ℃衰減至73.5 ℃，軟化點衰減程度較大.

圖2 SBS改性瀝青的軟化點變化情況Fig.2 Changes of softening points of SBS modified asphalt

2.3 延度

各循環(huán)加熱存儲工況在不同循環(huán)加熱次數(shù)條件下SBS改性瀝青延度的變化如表6和圖3所示.

由試驗結(jié)果可知，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增多，SBS 改性瀝青的5 ℃延度整體呈現(xiàn)下降趨勢，且存儲溫度越高，SBS 改性瀝青的5 ℃延度衰減幅度越大.從圖3可以看出，5 ℃延度指標(biāo)衰減最嚴(yán)重的是從原樣32.85 ℃衰減至15.42 ℃，衰減了53.1%，5 ℃延度的衰減相對而言最為嚴(yán)重.

表6 SBS改性瀝青的延度變化情況Tab.6 Changes of ductilities of SBS modified asphalt 單位：cm

圖3 SBS改性瀝青的延度變化情況Fig.3 Changes of ductilities of SBS modified asphalt

2.4 布氏黏度

各循環(huán)加熱存儲工況在不同循環(huán)加熱次數(shù)條件下SBS改性瀝青135 ℃布氏黏度的變化如表7和圖4所示.

表7 SBS改性瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度變化情況Tab.7 Changes of rotational viscosities of SBS modified asphalt 單位：Pa·s

圖4 SBS改性瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度變化情況Fig.4 Changes of rotational viscosities of SBS modified asphalt

由試驗結(jié)果可知，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增多，SBS改性瀝青的135 ℃布氏黏度整體呈現(xiàn)先略微升高后持續(xù)降低的趨勢，且存儲溫度越高，SBS改性瀝青的135 ℃布氏黏度衰減幅度越大. 從圖4可以看出，135 ℃布氏黏度指標(biāo)存在上下波動，且衰減最嚴(yán)重的是從原樣2.480 Pa·s衰減至2.150 Pa·s，所以135 ℃布氏黏度衰減程度較小.

2.5 離析

各循環(huán)加熱存儲工況在不同循環(huán)加熱次數(shù)條件下SBS改性瀝青離析的變化如表8和圖5所示.

表8 SBS改性瀝青的離析變化情況Tab.8 Changes of segregations of SBS modified asphalt 單位：℃

圖5 SBS改性瀝青的離析變化情況Fig.5 Changes of segregations of SBS modified asphalt

由試驗結(jié)果可知，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增多，SBS改性瀝青的離析度增大，熱存儲穩(wěn)定性呈現(xiàn)整體變差的趨勢，即出現(xiàn)SBS改性瀝青離析分層現(xiàn)象，但除個別離析度較大外，各存儲工況下的瀝青離析度指標(biāo)基本都滿足養(yǎng)護(hù)工程對SBS改性瀝青的技術(shù)要求（≤2.0 ℃）.

綜上所述，各循環(huán)加熱存儲工況下SBS改性瀝青發(fā)生了老化，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增加瀝青各項性能指標(biāo)的衰減越嚴(yán)重，且存儲溫度越高性能指標(biāo)衰減幅度越大.整體呈現(xiàn)為，隨著循環(huán)加熱次數(shù)的增加，針入度、軟化點、135 ℃布氏黏度指標(biāo)逐漸降低，體現(xiàn)其高溫性能逐漸變差；5 ℃延度指標(biāo)逐漸降低，低溫性能衰減；離析度逐漸增加，熱存儲穩(wěn)定性逐漸變差.

2.6 老化SBS改性瀝青樣品選取

本研究選取最不利工況C，加熱循環(huán)3 次下老化SBS 改性瀝青作為性能恢復(fù)的老化SBS 改性瀝青樣品，其性能指見表9.

表9 老化SBS改性瀝青樣品指標(biāo)參數(shù)Tab.9 Properties of aged SBS modified asphalt

基于對養(yǎng)護(hù)用SBS改性瀝青在最不利工況C的指標(biāo)變化研究發(fā)現(xiàn)，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度分析，5 ℃延度和離析度均不滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；從衰減程度看5 ℃延度最大，軟化點次之，再次則為離析. 因此，本研究重點關(guān)注對5 ℃延度、軟化點和離析的性能恢復(fù)研究.

3 SBS改性瀝青性能恢復(fù)研究

3.1 基于外摻高摻量SBS改性瀝青性能恢復(fù)研究

為對選取的老化SBS 改性瀝青樣品進(jìn)行性能恢復(fù)研究，分別考察高摻量SBS 改性瀝青的外摻比例（10%、20%、30%、40%）對性能衰減后SBS改性瀝青的延度、軟化點指標(biāo)的影響，同時考慮經(jīng)濟(jì)效益，分析其性能提升效果，性能恢復(fù)后其5 ℃延度性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表10和圖6，軟化點性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表11和圖7，離析性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表12和圖8.

表10 不同外摻比例的高摻量SBS改性瀝青對5 ℃延度的影響Tab.10 Changes of 5 ℃ductilities of SBS modified asphalt with high additive proportions 單位：cm

圖6 老化SBS改性瀝青5 ℃延度隨高摻量SBS改性瀝青外摻比例的變化曲線Fig.6 Changes of 5 ℃ductilities of aged SBS modified asphalt with high additive proportions

表11 不同外摻比例的高摻量SBS改性瀝青對軟化點的影響Tab.11 Changes of softening points of SBS modified asphalt with high additive proportions 單位：℃

圖7 老化SBS改性瀝青軟化點隨高摻量SBS改性瀝青外摻比例的變化曲線Fig.7 Changes of softening points of aged SBS modified asphalt with high additive proportions

表12 不同外摻比例的高摻量SBS改性瀝青對離析的影響Tab.12 Changes of segregations of SBS modified asphalt with high additive proportions 單位：℃

圖8 老化SBS改性瀝青離析隨高摻量SBS改性瀝青外摻比例的變化曲線Fig.8 Changes of segregations of aged SBS modified asphalt with high additive proportions

由試驗結(jié)果可知，不同SBS改性劑摻量的高摻量SBS改性瀝青對老化SBS改性瀝青的5 ℃延度、軟化點和離析提升效果不同. 在外摻比例相同的情況下，SBS改性劑含量越高的改性瀝青對老化SBS改性瀝青5 ℃延度和軟化點的提升越大；在使用相同SBS改性劑含量的改性瀝青時，其外摻比例越高，對老化SBS改性瀝青5 ℃延度、軟化點的提升越大，而對于離析則呈現(xiàn)出先降低后上升的趨勢.

5.5%、6.0%、6.5%SBS摻量的高摻量SBS改性瀝青對老化SBS改性瀝青延度和軟化點提升最大均在40%外摻比例下，而對于離析提升最大的是在20%和30%外摻比例下；綜合三者的性能提升效果，性能提升效果最佳的方法為6.5%SBS 改性瀝青外摻40%，其將老化SBS 改性瀝青5 ℃延度由15.42 cm 提高至24.64 cm，軟化點由73.5 ℃提高至83.6 ℃，離析由3 ℃降低至2.1 ℃. 從試驗結(jié)果看，在外摻比例為40%的情況下，軟化點指標(biāo)滿足養(yǎng)護(hù)工程用SBS 改性瀝青的要求（≥80 ℃），離析指標(biāo)滿足養(yǎng)護(hù)工程用SBS 改性瀝青的要求（≤2.5 ℃），但5 ℃延度指標(biāo)并未達(dá)到養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)要求（≥25 cm）.

綜上所述，外摻高摻量SBS改性瀝青對老化SBS改性瀝青的性能提升具有一定的作用，但提升效果并不理想，且在考慮經(jīng)濟(jì)因素的條件下，高摻量SBS改性瀝青的外摻比例不可過高.

3.2 基于外摻性能恢復(fù)劑性能恢復(fù)研究

為對選取的老化SBS改性瀝青樣品進(jìn)行性能恢復(fù)研究，分別考察RE高黏改性劑的外摻比例（1%、3%、5%）對性能衰減后SBS改性瀝青的延度、軟化點等指標(biāo)的影響，分析其性能提升效果，性能恢復(fù)后其各項性能測試結(jié)果如表13所示.

表13 不同摻量的高黏改性劑對老化SBS改性瀝青性能的影響Tab.13 Changes of properties of SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

老化SBS改性瀝青5 ℃延度隨高黏改性劑摻量的變化見圖9所示.

圖9 老化SBS改性瀝青5 ℃延度隨高黏改性劑摻量的變化Fig.9 Changes of 5 ℃ductilities of aged SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

老化SBS改性瀝青軟化點隨高黏改性劑摻量的變化見圖10所示.

圖10 老化SBS改性瀝青軟化點隨高黏改性劑摻量的變化Fig.10 Changes of softening points of aged SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

老化SBS 改性瀝青離析隨高黏改性劑摻量的變化見圖11所示.

圖11 老化SBS改性瀝青離析隨高黏改性劑摻量的變化Fig.11 Changes of segregations of aged SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

由試驗結(jié)果可知，隨著高黏改性劑摻量的增加，延度和軟化點均呈上升趨勢，離析呈下降的趨勢，三者的變化幅度較大. 當(dāng)高黏改性劑的摻量達(dá)到5%時，老化SBS改性瀝青5 ℃延度指標(biāo)從15.42 cm提升至26.56 cm，軟化點指標(biāo)從73.5 ℃提升至80.3 ℃，離析指標(biāo)從3.0 ℃降低至1.3 ℃，三者均已經(jīng)達(dá)到了養(yǎng)護(hù)工程對SBS 改性瀝青的要求. 說明高黏改性劑對于老化SBS 改性瀝青的高溫低溫性能以及穩(wěn)定性均具有良好的提升效果，但當(dāng)摻量達(dá)到5%時導(dǎo)致135 ℃布氏黏度較原樣瀝青相比稍有增加，可能會影響施工和易性. 所以高黏改性劑摻量保持在3%～5%就可以達(dá)到較優(yōu)的性能提升效果，不可摻加過多高黏改性劑.

4 結(jié)論

本文通過對SBS改性瀝青性能衰減規(guī)律和性能恢復(fù)研究，得到以下結(jié)論.

1）在最不利存儲工況C下：衰減最嚴(yán)重的為5 ℃延度，軟化點次之，然后為離析；延度和離析均不滿足規(guī)范要求，瀝青的高低溫性能和熱存儲穩(wěn)定性逐漸變差.

2）外摻高摻量SBS改性瀝青對老化SBS改性瀝青的性能提升具有一定的作用，但效果并不理想；且在考慮經(jīng)濟(jì)因素的條件下，高摻量SBS改性瀝青的外摻比例不可過高.

3）外摻RE高黏改性劑對老化SBS改性瀝青的性能提升效果較為明顯，當(dāng)摻量達(dá)到5%時，老化SBS改性瀝青延度、軟化點、離析指標(biāo)均已經(jīng)達(dá)到養(yǎng)護(hù)工程對SBS改性瀝青的要求.