SBS掺量对沥青性能的影响研究_时成林.pdf

第 卷 第 期 年 月吉 林 建 筑 大 学 学 报 收稿日期：基金项目：吉林省重点科技研发项目（）作者简介：时成林（），男，吉林省长春市人，教授，博士 ：掺量对沥青性能的影响研究时成林，马明芹吉林建筑大学 交通科学与工程学院，长春 摘要：为了研究不同剂量 对改性沥青性能的影响，采用高速剪切仪制备工程中常见的 种 掺量的改性沥青，分别是，根据针入度、软化点、延度、针入度指数 、弹性恢复率、当量软化点、当量脆点 及改性沥青老化后相关指标，从 改性剂分子结构角度及线型 偶联过程分析 改性沥青官能团对沥青感温性能、流变性能、延展性及老化对 改性沥青的影响 结果表明，综合分析不同掺量 改性剂对沥青温度敏感性、高低温性能、抗老化性能的影响，改性剂掺量为 时对沥青性能改善程度最显著关键词：道路工程；改性沥青；改性剂；感温性能；流变性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）,，:,:;引言由于我国经济的迅速发展带动了道路基础设施的建设，繁重的交通量、水分及外部环境因素导致一系列的道路病害，路面维修养护费用增长 因此，对沥青路面耐久性提出了更高的要求，聚合物改性沥青应运而生 常见的沥青聚合物改性剂有，共聚物，其中应用最广泛的是 改性沥青周志刚、陈功鸿根据沥青 大指标及动力粘度指标研究改性剂剂量对改性沥青性能的影响，试验结果表明，改性沥青改性剂能改善沥青的温度敏感性且确定改性剂的最佳掺量为 黄卫东、郑茂研究不同改性剂掺量及星型、线型 改性沥青高温性能，结果表明，随着 掺量的增加，星型、线型 改性沥青高温性能差距缩小 袁健安、张勇辉研究 剂量及链状结构对沥青性能的影响，结果表 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷明，改性沥青流变性质、高温、低温性能在很大程度上由其亚微观结构决定 崔亚楠、董泽蛟研究沥青老化对沥青微观结构的影响，结果表明，改性沥青具有“蜂窝结构”，老化后“蜂窝结构”的体积增大、高度变大、数量减少 原材料技术性能 基质沥青沥青是一种主要由油分、树脂、地沥青质组成的成分复杂的色黑有光泽的混合物 本课题选用沥青为吉林省长春市 基质沥青，根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）相关要求，沥青的主要技术指标测定结果见表 表 基质沥青技术性能指标 项目针入度 软化点 延度（，）沥青密度（）闪点 蜡含量 测试结果规范要求 实测记录测试方法 改性剂沥青改性剂是指在沥青中加入天然或人工合成的有机或无机结构物质，均匀分散在沥青中，目的是提高沥青的路用性能 本文采用广东东莞生产的线型（苯乙烯 丁二烯 苯乙烯）改性剂，主要技术指标见表 表 改性剂主要技术指标 类型结构类型熔指（）挥发物 含油量 拉伸强度 断裂伸长率 肖氏强度撕裂强度（）改性剂线型 改性沥青制备基质沥青选用工程中应用较为广泛且改性效果良好的 沥青，改性剂选用广东东莞的线型 改性剂 为研究 改性剂掺量对沥青性能的影响，本试验制备 种不同 改性剂掺量的沥青试样，分别为，实验室制备 改性沥青采用高速剪切仪，改性沥青制备方法如下：将 基质沥青加热至，改性剂少量多次加入基质沥青中并用玻璃棒不断搅拌；采用高速剪切仪 高速剪切 ，改性剂均匀分散在沥青中；加入稳定剂低速搅拌 ；将制备得到的沥青放入烘箱中 发育 ，改性剂与沥青充分混合即为试验所需 改性沥青 改性沥青技术性能 沥青感温性指标沥青的感温性是指受温度影响沥青性能变化的程度 沥青是原油高温蒸馏后的残渣，高温加热呈流动状，低温环境下流动性差，为脆硬性固体，是典型的感温性材料 目前，评价沥青感温性的指标有很多，常规的评价指标有：针入度指数，及软化点等针入度是沥青主要质量指标之一，表征沥青的软硬程度、稠度以及抵抗剪切破坏的能力 不同掺量 改性沥青针入度随温度变化如图 所示 由公路工程集料试验规程（）可知，沥青的针入度指数 与温度 是线性关系，横坐标选取 个以上温度，纵坐标表示沥青的针入度指数 建立回归直线（），其中斜率 表示感温系数，为回归系数 对上述针入度数据进行线性拟合分析，如图 所第 期时成林，马明芹：掺量对沥青性能的影响研究 示 沥青针入度指数与温度具有良好的线性关系，拟合系数 均符合规范要求 沥青针入度指数 由斜率 求得，表征沥青的温度敏感性，针入度指数 越大，说明沥青性能随温度变化的敏感程度越小，温度敏感性改善程度越好基质沥青3%SBS改性沥青4%SBS改性沥青5%SBS改性沥青1301201101009080706050403020针入度值/mm101520253035温度/图 沥青针入度 基质沥青线性拟合3%SBS改性沥青线性拟合4%SBS改性沥青线性拟合5%SBS改性沥青线性拟合2.22.12.01.91.81.71.61.51.41.31.2针入度对数/mmK=0.037 0R2=0.999K=0.034 9R2=0.999K=0.0356R2=0.999K=0.035 6R2=0.999K=0.035 5R2=0.999101520253035温度/图 沥青针入度对数拟合 由图 可以看出，任一沥青针入度随温度升高而升高，但基质沥青针入度增长幅度大于改性沥青，这说明经 改性后沥青稠度增大、流动变形降低 改性剂掺量在 时，改性剂掺量越多针入度越低 这是因为 改性剂在高速剪切作用下成为微小颗粒，沥青中软沥青质不断进入，分子链充分溶胀且体积膨胀，增加了沥青的稠度，沥青分子间运动能力降低，流动性变差；随着 掺量增加，溶胀时吸附沥青小分子越多，分子间运动能力越低流动性越差，即针入度随 改性剂掺量增加而降低由图 可知，沥青针入度对数 与温度呈线性关系，直线斜率代表感温系数 ，针入度指数 由感温系数 求得，针入度指数 表征沥青温度敏感性，越大感温系数 越小，沥青温度敏感性越好 由图 可得沥青感温系数 依次为：改性沥青 改性沥青 改性沥青 基质沥青 为进一步研究沥青感温性能与 掺量相关性，计算感温性相关指标，如 指数，相关性图像如图，图 所示软化点PI指数656055504540软化点/1.21.11.00.90.80.70.60.5PI指数基质沥青3%SBS改性剂4%SBS改性剂5%SBS改性剂沥青类型0.520.790.810.9345555964图 软化点与 指数关系图 T1.2T800-22.0-22.5-23.0-23.5-24.0-24.5-25.0T1.2/基质沥青3%SBS改性剂4%SBS改性剂5%SBS改性剂沥青类型基质沥青3%SBS改性剂4%SBS改性剂5%SBS改性剂605856545250T800/-23.4-23.6-24.1-24.252.154.955.957.6图 与 关系图 由图 可得，改性剂掺量由 增至 时，沥青针入度指数 、软化点增长幅度最大，说明与基质沥青相比，沥青经 改性后温度敏感性得到明显改善 对比改性剂为 和 两区间，当改性剂掺量由 增至 时沥青针入度指数 、软化点增长幅度较大，说明在此区间内沥青性能改善更明显，且改性剂掺量为 时沥青针入度指数 、当量软化点、软化点最大，故在改性剂掺量为 时改性沥青感温性能改善最明显由图 可得，改性剂掺量在 区间时当量软化点 逐渐升高，当量脆点 则逐渐下降 当量脆点 可用于评价沥青低温抗裂性能，改性剂掺量由 增至 时，当量脆点 降低很小，说明沥青 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷经 改性后低温性能改善但效果不明显，分析改性剂由 和 ，当量脆点 在改性剂掺量为 时降低幅度较大，说明在改性剂掺量为 时沥青低温性能高改善最明显，当掺量增至 时当量脆点 变化很小 当量软化点 用于评价沥青高温稳定性，改性剂掺量由 增至 时，当量软化点 增长幅度最大，说明沥青经改性后高温稳定性明显提升，改性沥青高温性优于基质沥青 对比改性剂为 和 两区间，当量软化点 稳步增长，说明随着改性剂的增加沥青的高温性能明显改善 沥青流变性性指标沥青延度是指沥青的延展度，是评价沥青塑形的重要指标，延度越大延展性越好，延度图如图 所示 改性沥青的弹性恢复是指在 时拉伸到一定程度去除外力后该变形的恢复程度，反映沥青内部的团聚力沥青的延度是在 时以一定的速度拉伸至断裂时的长度，两者具有一定的相关性，沥青弹性恢复率试验如图 所示基质沥青3%SBS改性剂4%SBS改性剂5%SBS改性剂沥青类型500450400350300250200150100500沥青延度/mm沥青延度43033124188图 沥青延度 3%SBS改性剂4%SBS改性剂5%SBS改性剂沥青类型1009080706050403020100弹性恢复率/%弹性恢复率71%84%89%图 沥青弹性恢复率 由图 可以看出沥青延度随 改性剂掺量增加而升高，且掺量由 增至 时延度提升幅度最大，说明改性沥青具有更好的延展性 原因是 分散在沥青中且温度敏感性低，低温环境沥青为脆硬性固体材料，经 改性后形变能力提高，变形更大延展性更好由图 可知，改性沥青的弹性恢复力强，且 改性剂掺量越高弹性恢复效果越好，即弹性恢复率越高 原因与沥青延度随改性剂掺量增加相似，即经 改性后沥青延展度更好，增加了沥青的粘弹性，变形后恢复能力提高，沥青流变性能提高 实验结果分析常用的沥青聚合物改性剂包括苯乙烯 丁二烯 苯乙烯（）、聚乙烯（）、聚丙烯（）、乙烯 醋酸乙烯共聚物（）在道路领域中 改性剂应用最为广泛，但 改性剂并不廉价，改性剂掺量又决定着改性沥青的性能，目前我国对改性剂掺量并无明确规定，因此很多地方规定了改性剂掺量的下限为 ，在工程应用中 改性剂掺量上限通常为 为苯乙烯 丁二烯 苯乙烯嵌段共聚物，偶联形成线型 过程如图 所示苯乙烯聚合丁二烯聚合偶联形成线型SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）图 线型 偶联过程 由图 分析沥青经 改性后温度敏感性降低可得：为嵌段共聚物，不同链段性质明显不同，加入沥青中使组成复杂的沥青变得更加复杂，原因是 加入到沥青中会吸收沥青中组分，沥青结构中组分变化性质也随之发生一些改变，分散在沥青中是物理共混的过程，使 均匀、稳定分散在沥青中，从第 期时成林，马明芹：掺量对沥青性能的影响研究 而得到稳定的改性沥青 均匀稳定分散在沥青中可分为两步：溶胀和 反应稳定过程，溶胀是指 吸附沥青中的小分子并在沥青中展开，在沥青中分散更均匀的过程；反应稳定过程是指 相互交联形成稳定的网络结构，整体稳定性增加 因此，改性沥青高温稳定性、低温稳定性得到改善苯乙烯链段俗称硬段，丁二烯链断俗称软段，硬段顾名思义为“硬”，因此硬段相互交联后，相强度增大，粘弹性增强 软段在沥青溶胀过程中分子舒展程度大，分子链吸附的沥青组分就越多 在改性剂掺量为 范围内，随着 改性剂掺量越多且 经高速剪切，比表面积增大，分子链中吸附的沥青分子越多，随着扩散两者稳定性增强，形成网络结构后，相弹性增大，因此改性沥青弹性恢复率升高、延展性增强 的分子结构如图 所示 从沥青分子结构分析，是共轭双键的二烯烃类，当 发生溶胀现象时，沥青中组分进入 中的聚苯乙烯段有利于聚苯乙烯段的分散，受其影响，丁二烯段也会被分散，因此 相体积膨胀 充分溶胀时，分子间更为舒展，苯环充分溶解后相对体积增大，但因侧链体积较大，因此旋转运动能力差、运动阻力更大，分子间流动性降低 在沥青中均匀分散后，分子链充分溶胀吸附沥青小分子，分子链被沥青小分子充分包围形成网络结构，这种网络结构稳定性强，分子间旋转移动困难，牵制各微粒间运动，同时网络结构阻碍沥青中自由沥青分子的运动，因此整体结构的运动能力下降，变形小，强度提高，即经 改性后沥青温度敏感性降低CCC CC CC C苯乙烯链段丁二烯链段苯乙烯链段图 线型（苯乙烯 丁二烯 苯乙烯）化学结构 （）当 改性剂掺量低于 时，改性沥青性能较基质沥青略有提高，说明改性剂掺量过少时对沥青性能改善效果不明显，因此应考虑适当加大沥青改性剂的掺量 当改性剂掺量为 时，改性沥青性能仍有明显提高，但改性剂剂量并不是多多益善，适量 掺量可明显改变沥青性质，提高改性沥青的性能，超过一定量的改性剂可导致沥青微观结构发生质的变化，从而引起宏观性质的明显变化 为了提高改性沥青性能同时为了合理利用资源节约经费，需确定最佳 改性剂掺量 沥青老化 沥青短期老化沥青老化是指沥青在长期使用过程中受外界环境影响使沥青性质发生较大的改变 沥青老化主要是氧化反应，改性沥青老化机理主要是沥青吸氧老化及 链断降解断裂 为研究老化条件下 改性沥青老化的规律及机制，通过短期老化与长期老化两组试验，研究沥青老化后化学官能团及感温性能指标的变化 实验室采用沥青薄膜加热试验模拟沥青短期老化过程，老化温度为（），老化时间为 长期老化过程是指将短期老化沥青试样收集，置入密闭老化试验仪，压强（），温度 ，老化时间为 短期沥青老化针入度如图 所示，对针入度数据线性拟合，沥青针入度指数与温度具有良好的线性关系，拟合系数 均符合规范要求 图像如图 所示对比图、图 可知，同种沥青老化后针入度明显降低，流动性降低 从 分子结构角度分析，改性剂在充分溶胀过程中形成的稳定网络结构在高温下热氧老化不断分解，线型 改性剂中聚丁二烯双键不断老化降解，降低了沥青的弹性性能，使改性沥青呈现黏性状态，所以针入度明显降低 老化过程中 改性剂吸附轻质油分部分蒸发，沥青质含量相对提高，沥青表面变硬，老化后流动性降低，硬度、脆度提升由图，图 可知：拟合直线斜率 代表感温系数，感温系数越大温度敏感性越差 由图 可得，老化后沥青温度敏感性排序为：改性沥青 改性沥青 改性沥青 基质沥青 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷基质沥青3%SBS改性沥青4%SBS改性沥青5%SBS改性沥青8070605040302010老化后沥青针入度值/mm14161820222426283032温度/图 老化后沥青针入度 老化后基质沥青线性拟合老化后3%SBS改性沥青线性拟合老化后4%SBS改性沥青线性拟合老化后5%SBS改性沥青线性拟合2.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.0老化针入度对数值/mmK=0.029 32R2=0.998K=0.025 37R2=0.999K=0.027 59R2=0.999K=0.025 99R2=1101520253035温度/图 老化后沥青针入度对数拟合 沥青长期老化长期老化后沥青针入度明显下降，改性沥青长期老化后针入度明显低于短期老化，且基质沥青针入度降至最低 这是由于经过长期热老化作用，沥青中轻组分部分挥发，部分被沥青质吸收，导致沥青硬度变大，针入度明显降低 对 改性沥青而言，改性剂中苯乙烯 丁二烯 苯乙烯嵌段共聚物吸收沥青中轻组分形成稳定的网状结构，一定程度上提高了沥青的抗老化性能，但并不能完全抑制老化程度的加深 长期老化对改性沥青微观形貌影响更大，随着老化程度加深，表面“蜂窝结构”数量有所下降 结论本文对不同 掺量对沥青性能影响做出了试验研究，得出主要结论如下：（）沥青经 改性后性能明显改善，具体表现为温度敏感性降低、流变性能提高、抗老化性能增强、延长路用寿命（）充分溶胀与反应稳定过程形成稳定的网状结构，分子间运动阻力大牵制各微粒间运动，故温度敏感性降低（）沥青老化后性能明显下降，从分子结构分析原因为聚丁二烯双键不断老化，形成的稳定网络结构在高温下热氧老化（）改性沥青性能受改性剂类型、掺量、基质沥青标号及种类的共同影响，综合考虑改性沥青高温性能、低温性能、抗老化性能及经济因素，给定 改性剂掺量参考范围为 参 考 文 献 周志刚 与高黏剂复合改性沥青的制备及性能研究 材料导报，（）：黄卫东 改性沥青高温性能评价指标的比较 建筑材料学报，（）：原健安 剂量对改性沥青性质的影响 长安大学学报，（）：张永辉 改性沥青与橡胶粉改性沥青机理与路用性能研究 西安：长安大学，宋亮 胶粉复合改性沥青研究进展与性能评价 中国公路学报，（）：李雪坤 的链结构与改性沥青性能的关联性 精细化工，（）：崔亚楠 老化对改性沥青微观结构及疲劳性能的影响 复合材料学报，（）：董泽蛟 橡胶粉复合改性 型混合生物沥青工艺及机理 中国公路学报，（）：