USP/SBS溫拌改性瀝青老化性能試驗(yàn)研究

劉梅 韋周帥

【摘要：】為研究USP/SBS溫拌改性瀝青的抗老化性能是否滿足工程需要，文章采用常規(guī)試驗(yàn)分析USP摻量變化和老化時(shí)間變化對(duì)瀝青性能影響。結(jié)果顯示：溫拌劑USP顯著改善了SBS改性瀝青的低溫延伸性能，降低了高溫穩(wěn)定性能;無(wú)論短期老化還是長(zhǎng)期老化均降低了USP/SBS溫拌改性瀝青的低溫性能，提高了其高溫性能，長(zhǎng)期老化對(duì)USP/SBS溫拌改性瀝青性能劣化更為顯著;USP/SBS溫拌改性瀝青能夠抵抗短期老化對(duì)高溫和低溫性能的劣化?？傊?，USP/SBS溫拌改性瀝青的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青，具備一定的抗老化能力。

【關(guān)鍵詞：】道路工程;SBS改性瀝青;USP溫拌劑;短期老化;長(zhǎng)期老化

U416.03A070214

0 引言

隨著世界能源消耗的不斷加劇，二氧化碳等氣體的排放嚴(yán)重超標(biāo)，環(huán)境加劇惡化，影響了人們的基本生活。溫拌技術(shù)作為公路行業(yè)清潔、環(huán)保的施工工藝之一，在國(guó)內(nèi)外得到了良好的推廣與應(yīng)用。但溫拌改性材料類型繁多，溫拌瀝青混合料的應(yīng)用后續(xù)問(wèn)題也層出不窮，如高低溫性能劣化、抗疲勞性能不足，道路的耐久性能和抗老化性能有待進(jìn)一步驗(yàn)證等。黃衛(wèi)東等利用DSR試驗(yàn)研究了線型、星型SBS改性瀝青的高溫性能、蠕變性能等，結(jié)果表明SBS摻量、類型對(duì)高溫性能均存在顯著影響，且車轍因子G*/sinδ與動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)具有良好的相關(guān)性[1]。寇長(zhǎng)江等研究了SBS改性瀝青的高溫性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，提出采用熒光形態(tài)學(xué)方法建立不同應(yīng)變、不同剪切頻率和剪切時(shí)間下蠕變?nèi)崃孔兓?guī)律模型，指出提高SBS改性劑摻量和延長(zhǎng)剪切時(shí)間能夠改善瀝青高溫流變性能，為SBS改性劑與基質(zhì)瀝青融合狀態(tài)分析提供了新的思路與方向[2]。祁文洋等采用微觀試驗(yàn)分析了SBS改性瀝青不同老化時(shí)間段內(nèi)的相態(tài)結(jié)構(gòu)、分子鏈的變化，提出SBS改性瀝青存在2個(gè)較為顯著的老化階段，均與瀝青吸氧速率有關(guān)[3]。何亮等研究了Sasobit溫拌橡膠改性瀝青及瀝青混合料的基本性能，指出Sasobit橡膠改性瀝青的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青，其混合料高溫抗車轍能力也優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，有效降低瀝青混合料施工溫度約20 ℃，且不降低低溫性能[4]。王輝等研究了適應(yīng)于南方濕熱地區(qū)溫拌劑的基本性能，研究選擇了5種溫拌劑對(duì)基質(zhì)瀝青高溫、低溫性能的影響，結(jié)果指出溫拌劑EC-120、Sasobit能夠顯著改善瀝青高溫性能，較適用于南方多雨地區(qū)[5]。李海蓮等研究了溫拌劑Sasobit、Evotherm改性瀝青的老化性能，采用不同液體與瀝青相接觸角的方法分析不同類型溫拌改性瀝青老化前后的表面能變化，為溫拌改性瀝青老化評(píng)價(jià)提出新的分析方向[6]。

綜上所述，對(duì)于新型溫拌劑USP改性瀝青及瀝青混合料的研究涉及較少，本文以常用SBS改性瀝青為基礎(chǔ)，分析USP/SBS改性瀝青的基本性能及抗老化性能，為其在實(shí)體工程中的推廣應(yīng)用提供良好的技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料

研究選擇常規(guī)SBS（I-C）改性瀝青，溫拌劑選擇國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的表面活性劑類USP產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

2 試驗(yàn)方案

SBS改性瀝青為各等級(jí)瀝青路面常用的膠粘材料，本文選擇I-C型開展相關(guān)研究，其相關(guān)試驗(yàn)方案如下：

（1）USP/SBS改性瀝青制備。直接選取成品SBS（I-C）改性瀝青，恒溫160 ℃加熱至流淌狀態(tài)，采用小型攪拌裝置進(jìn)行USP/SBS加工（每次加工樣品約2 kg），USP添加用量分別為4%、8%、12%、16%（占改性瀝青質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)），攪拌速率為4 500～6 000 r/min，攪拌約10 min至溫拌劑USP完全溶解、攪拌均勻，冷卻后供后續(xù)試驗(yàn)用。

（2）短期老化試驗(yàn)。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）[7]中旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）技術(shù)參數(shù)與流程制備短期老化溫拌改性瀝青樣品，為研究瀝青生產(chǎn)-加熱-運(yùn)輸-添加拌和各過(guò)程中不同時(shí)間段狀況，短期老化時(shí)間擬為0 h、1 h、3 h、5 h、8 h，其中以5 h為標(biāo)準(zhǔn)老化時(shí)間（為長(zhǎng)期老化提供樣品），USP摻量為8%。

（3）長(zhǎng)期老化試驗(yàn)。依據(jù)SHRP規(guī)范推薦的壓力老化試驗(yàn)儀（PAV）試驗(yàn)參數(shù)與流程制備長(zhǎng)期老化樣品，長(zhǎng)期老化初始樣品以短期老化5 h樣品為基準(zhǔn)，長(zhǎng)期老化時(shí)間分別定為0 h、5 h、10 h、20 h、40 h（PAV標(biāo)準(zhǔn)老化參數(shù)2.1 MPa、100 ℃、20 h），USP摻量為8%。

（4）優(yōu)化選擇試驗(yàn)方法。國(guó)內(nèi)外常用于評(píng)價(jià)瀝青基本性能指標(biāo)的參數(shù)主要有針入度、軟化點(diǎn)、延度、布氏黏度，以及相關(guān)感溫性參數(shù)等，本研究選擇針入度、延度、軟化點(diǎn)、布氏黏度。參照J(rèn)TG E20-2011的方法對(duì)上述樣品進(jìn)行高溫、低溫及疲勞性能分析。

3 USP/SBS瀝青基本性能分析

瀝青的基本性能主要指高溫性能、低溫性能及溫度敏感性，均與瀝青混合料路用性能存在直接聯(lián)系，一般高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有軟化點(diǎn)、布氏黏度、當(dāng)量軟化點(diǎn)，低溫性能指標(biāo)有25 ℃針入度、5 ℃延度及當(dāng)量脆點(diǎn)等，本文采用上述部分指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖1～3。

由圖1～3可知：

（1）溫拌劑USP對(duì)瀝青的高溫性能、低溫性能均具有顯著影響，隨USP摻量的增加，針入度、延度均呈增加趨勢(shì)，當(dāng)量脆點(diǎn)、軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，摻量越大對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)影響越顯著。如摻量0～16%范圍內(nèi)，針入度變化了3.2%～63.2%，延度變化了7.7%～66.9%，軟化點(diǎn)變化了-1.8%～-17.1%，當(dāng)量脆點(diǎn)變化了-16.2%～-42.3%。說(shuō)明溫拌劑USP能夠改善SBS改性瀝青的低溫延伸性能，且隨摻量的增加，改善效果越顯著;但對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能具有劣化作用，隨摻量的增加劣化越明顯。USP材料為表面活性劑類，與SBS改性瀝青混合后改變了其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如在低溫環(huán)境下SBS分子鏈開始斷裂，而USP改性劑能夠重新促進(jìn)斷裂分子鏈進(jìn)行連接，進(jìn)而改善了低溫延伸性能，同時(shí)降低了高溫性能。F9B57ECE-6143-440D-9FE3-977D76C47B17

（2）軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)的變化范圍相接近，二者差值最大為4.1%，最小為1.1%，研究顯示軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能具有一定的差異性，但當(dāng)量軟化點(diǎn)對(duì)高溫性能評(píng)價(jià)更為精確合理。由此說(shuō)明，表面活性劑類材料USP對(duì)SBS改性瀝青高溫性能存在一定的劣化效果。

4 短期老化對(duì)USP/SBS改性瀝青性能的影響

（1）短期老化對(duì)USP/SBS改性瀝青的低溫性能影響見圖4～6。由圖4～6可知，短期老化后，SBS改性瀝青、USP/SBS改性瀝青的低溫性能均降低了，隨短期老化時(shí)間的延長(zhǎng)，針入度、延度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)量脆點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，且USP/SBS改性瀝青的針入度值、延度值均高于SBS改性瀝青，老化時(shí)間對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能劣化程度高于USP/SBS改性瀝青，如兩種瀝青的針入度在老化8 h后的下降率分別為29.6%和24.6%（與未老化相比），延度下降了55.1%和49.9%。說(shuō)明短期老化降低了瀝青的低溫性能，由于瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組分增加，瀝青低溫脆性增加，尤其對(duì)低溫延度指標(biāo)的劣化更為顯著，其次USP/SBS改性瀝青受短期老化作用后的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

（2）短期老化對(duì)USP/SBS改性瀝青的高溫性能影響見圖7～9。由圖7～9可知，短期老化對(duì)瀝青的高溫性能有明顯影響，隨老化時(shí)間增加，SBS改性瀝青、USP/SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和布氏黏度均呈增加趨勢(shì)，當(dāng)量軟化點(diǎn)、布氏黏度與老化時(shí)間均呈擬合良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到92%以上，且SBS改性瀝青的高溫性能指標(biāo)均高于USP/SBS改性瀝青，如短期老化時(shí)間1 h后，兩種瀝青的軟化點(diǎn)指標(biāo)分別增加了2.7%和2.9%，8 h后分別增加了13.5%和10.7%（與未老化瀝青相比）。老化時(shí)間8 h后，當(dāng)量軟化點(diǎn)指標(biāo)分別增加了18.1%和15.2%，布氏黏度指標(biāo)分別增加了55.3%和47.2%。因此，短期老化的時(shí)間變化對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能影響更為顯著，而軟化點(diǎn)指標(biāo)和當(dāng)量軟化點(diǎn)指標(biāo)的變化范圍相接近，布氏黏度的變化范圍最大，影響更為明顯（影響程度變化范圍達(dá)到42%）。

5 長(zhǎng)期老化對(duì)USP/SBS改性瀝青性能的影響

（1）長(zhǎng)期老化對(duì)USP/SBS改性瀝青的低溫性能影響見下頁(yè)圖10～12。分析發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)期老化后瀝青的低溫性能劣化程度更為顯著，隨老化時(shí)間增加，針入度、延度呈急劇下降趨勢(shì)，當(dāng)量脆點(diǎn)也呈下降趨勢(shì)。如SBS和USP/SBS改性瀝青的針入度在老化40 h后的下降率分別為68.0%和61.4%（與未老化相比），延度下降了76.7%和82.4%，當(dāng)量脆點(diǎn)下降了14.7%和10.4%，說(shuō)明長(zhǎng)期老化后兩種改性瀝青的低溫性能顯著劣化，與短期老化相比，下降程度更為嚴(yán)重。另外，從延度指標(biāo)來(lái)看，長(zhǎng)期老化5 h后，兩種瀝青分別下降了59.7%和61.7%，10 h后分別下降了65.7%和71.7%，說(shuō)明在老化5 h后，延度指標(biāo)已不再顯著變化，且兩種瀝青的差距越來(lái)越小。USP/SBS溫拌改性瀝青的長(zhǎng)期老化表明老化改變了瀝青分子結(jié)構(gòu)，四組分發(fā)生顯著改變，瀝青進(jìn)一步變硬變脆，低溫性能嚴(yán)重劣化下降，尤其對(duì)于低溫延伸性能，溫拌改性瀝青的優(yōu)勢(shì)也不再突出。

（2）長(zhǎng)期老化對(duì)USP/SBS改性瀝青的高溫性能影響見圖13～15。分析發(fā)現(xiàn)：與瀝青低溫性能變化相反，長(zhǎng)期老化后，兩種瀝青的高溫性能顯著改善，隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)，軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和布氏黏度均呈增加趨勢(shì)，其中兩種瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)、布氏黏度指標(biāo)的差異隨老化時(shí)間增加呈逐漸增加狀態(tài)。SBS改性瀝青的各項(xiàng)高溫指標(biāo)均優(yōu)于USP/SBS改性瀝青，如老化40 h后，軟化點(diǎn)指標(biāo)分別增加了21.3%和20.7%（與未老化相比），當(dāng)量軟化點(diǎn)指標(biāo)增加了29.1%和29.8%，說(shuō)明40 h后的長(zhǎng)期老化對(duì)兩種瀝青的高溫性能改善效果相一致。3種高溫性能指標(biāo)中，布氏黏度指標(biāo)受老化影響最為顯著，老化40 h后分別增加了235.1%和224.1%。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）溫拌劑USP顯著改善了SBS改性瀝青的低溫延伸性能，降低了高溫穩(wěn)定性能，隨溫拌劑USP摻量的增加，針入度、延度均呈增加趨勢(shì)，當(dāng)量脆點(diǎn)、軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，摻量越大對(duì)各項(xiàng)基本性能影響越顯著。

（2）短期老化降低了USP/SBS溫拌改性瀝青的低溫性能，提高了其高溫性能，隨老化時(shí)間增加，針入度、延度指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和布氏黏度均呈增加趨勢(shì);此外，USP/SBS溫拌改性瀝青能夠抵抗短期老化對(duì)高溫和低溫性能的劣化，短期老化對(duì)SBS改性瀝青高溫性能的改善效果較為顯著。

（3）長(zhǎng)期老化對(duì)USP/SBS溫拌改性瀝青的低溫性能、高溫性能影響更顯著。隨老化時(shí)間增加，針入度、延度呈急劇下降趨勢(shì)，軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和布氏黏度均呈增加趨勢(shì)。此外，延度指標(biāo)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化5 h后已不再顯著變化，且兩種瀝青的差距越來(lái)越小，而兩種瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)、布氏黏度指標(biāo)間的差異隨老化時(shí)間增加逐漸呈增加趨勢(shì)。

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