紫外老化对SBR改性沥青性能的影响

刘敬东

(河北省高速公路管理局　石家庄　050000)

紫外老化对SBR改性沥青性能的影响

刘敬东

(河北省高速公路管理局石家庄050000)

摘要通过沥青基本性能分析方法，研究了实验室制备SBR改性沥青的最佳改性搅拌时间和最佳改性温度等,并利用室内紫外老化加速设备，研究在不同紫外光条件下，老化前后SBR改性沥青的性能变化。研究发现，随着紫外老化时间的增加，SBR改性沥青的复合模量有增大的趋势，同时相位角减小，说明沥青的粘性成分减小，沥青老化变硬。高温温度扫描时，SBR改性后复合模量明显增大，相位角差别不大但增速变缓，可知改性沥青更硬，抗车辙能力更好。SBR改性沥青与基质沥青相比，有更好的抗紫外老化性能。

关键词紫外老化加工工艺SBR改性沥青

强烈的紫外线辐射会导致沥青材料的老化。近年来，随着我国沥青路面的比例日益增大，老化引起沥青路面结构损害的现象逐渐为人们所重视[1-3]。丁苯橡胶(SBR)是出现较早并广泛应用的聚合物改性剂，一般认为，SBR可以增加沥青的弹性和粘性并降低沥青的温度敏感性[4-6]。本研究分别对SBR改性沥青和基质沥青进行不同时间的模拟老化试验，采用动态剪切流变仪(DSR)高低温扫描来评价紫外老化对SBR改性沥青性能的影响,分析实验结果以此探明紫外老化对SBR改性沥青性能的影响规律。

1原材料

1.1　沥青

本研究采用韩国SK公司生产的SK-90基质沥青，其基本性能参数见表1。

表1　SK-90号道路石油沥青性能指标

1.2　改性剂

本研究采用丁苯橡胶(SBR)对沥青进行改性，其基本性能参数见表2。

表2　SBR基本参数

2实验设计

2.1　改性时间选择

在单纯机械搅拌法和单纯剪切法中，每隔20 min取样进行软化点、针入度、延度实验，通过试验结果来评价SBR改性剂随改性时间在沥青中的分散情况。SBR的掺量为3%(质量百分比)；机械搅拌转速为800 r/min,剪切搅拌速率为4 000 r/min，改性温度为160 ℃。针入度和延度测试依据《JTG E20-2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，其测试温度分别为25 ℃和5 ℃。

试验后，所测得的延度均大于1 500 mm，因此无法判断SBR改性剂在沥青中的分散情况。软化点和针入度随搅拌时间的变化见图1~图3。

a)　软化点与机械搅拌时间变化图

b)　软化点与剪切时间变化图

a)　针入度与机械搅拌时间变化图

b)　针入度与剪切时间变化图

图3　改性时间-方差δ

软化点曲线随添加剂混合搅拌时间的延长呈现先波动再平缓的过程。在机械搅拌中，软化点在前80 min上下波动较大，之后软化点曲线呈现一条直线的趋势，因此认为在80 min后，SBR在沥青中混合均匀。在剪切搅拌中，软化点在前80 min同样呈现波动的趋势，表明SBR含量在软化点样品中并不相同，因此认为在80 min以前SBR在沥青中没有混合均匀，在80 min后，软化点均一，认为SBR在沥青中分散良好。

由于针入度是对样品大范围取样进行分析，在SBR分布不均匀的情况下，不同取样点的SBR含量势必不同，测得的针入度不同，因而采用方差处理数据进行分析。针入度的方差曲线随混合时间的延长呈现逐渐稳定在较小值的过程。在机械搅拌中，方差在前60 min有较大下降趋势，之后方差曲线保持在较小值，因此在60 min后，SBR在沥青中混合更为均匀。在剪切搅拌中，方差在前60 min呈现波动的趋势，表明SBR含量在针入度样品中分布或者含量并不相同，该实验数据表明在60 min以前SBR在沥青中没有混合均匀。在80 min后，方差保持在较低水平，认为SBR添加剂经过80 min搅拌后在沥青中分散良好。在保证SBR改性剂在沥青中分散均匀的情况下，应尽量防止沥青因加热时间过长而老化，故选择合理改性时间为90 min。

2.2　改性温度选择

通过改变SBR改性剂的添加温度，研究120,140,160,180℃ 4种温度下改性沥青的性能变化，分析改性温度与改性沥青性能的关系，研究最佳SBR改性剂添加温度。试验SBR掺量为3%，机械搅拌转速800 r/min。得到针入度和软化点随改性温度变化曲线见图4和图5。

图4　SBR改性沥青针入度-时间变化图

图5　SBR改性沥青软化点-时间变化图

由图可知，针入度随改性温度升高有下降趋势，可见改性温度过高，会加速沥青的老化，从而导致针入度有下降。在140 ℃和160 ℃改性温度条件下，针入度无太大改变，为了尽量避免沥青在高温下的老化，选择最佳改性温度为150 ℃。所测软化点在120,140和160 ℃时没有明显的变化，而在180 ℃改性温度下，软化点有明显的增加，说明在此温度下，改性过程中产生较明显的沥青老化现象。故改性温度选为150 ℃是合适的。

3改性沥青性能

沥青作为一种典型的粘弹性材料，粘弹性会随着温度的升高或降低而产生较大的变化。低温时沥青处于高弹态，随着温度升高，沥青向高温时的粘流态转化，沥青材料中的粘性成分不断增多，弹性成分不断减少；沥青在剪切试验中所受的最大剪切应力变小，同时最大剪切应变不断增大，表现为沥青的复合剪切模量随着温度的升高逐渐下降，而相位角随着温度的升高逐渐增大，沥青流动性逐渐增强，宏观上会变得更加柔软。本研究通过动态剪切流变仪(DSR)对实验室制备得到的SBR改性沥青进行温度扫描，研究SBR改性沥青的性能，以及紫外老化对其性能的影响规律。

图6，图7为基质沥青与SBR掺量为3%(质量比)的改性沥青，在老化前后复合模量和相位角随温度变化的关系。

图6　高温下SK90号沥青和SBR改性沥青老化前后复合模量和相位角变化图

图7　低温下SK90号沥青和SBR改性沥青老化前后复合模量和相位角变化图

由图6、图7可见，复合剪切模量G*随温度的升高而降低，相位角δ随温度的升高而增大。随着温度的升高，沥青材料的粘弹性中的粘性成分不断增加，弹性成分不断减小，因而复合模量不断减小。由于在应力的频率一定时，当试验从低温温度开始时，δ比较小，表明应变相对于应力的滞后现象不明显，是因为沥青内部链段运动速度缓慢，因此，造成的内耗低。随着温度不断升高，沥青在慢慢向高弹态转变时，沥青内部的粘度仍然较大，但链段却开始产生运动，所以链段运动时受到的摩擦阻力较大，因此应变相对于应力的滞后程度加深，从而δ增大，内耗也随之增大。当温度进一步升高，沥青由高弹态向粘流态转变，粘性成分增大，因而内耗增加，δ增大。

随着紫外老化时间的增加，复合模量有增大的趋势，同时相位角减小。SBR的加入未改变沥青的复合模量和相位角的基本趋势，所以也没有改变沥青的基本性质；趋势虽是一样的，但是复合模量、相位角变化的幅度是不一样的。在使用DSR对沥青进行高温温度扫描时，SBR改性后复合模量明显增大，相位角差别不大但增大变缓，可知改性沥青更硬，且粘性成分更少，因此其抗车辙能力更好。

在使用DSR对沥青进行低温温度扫描时，与基质沥青相比，掺加了SBR后，低温下的复合模量减小和相位角增大趋势均变缓。由图可知，初始-5 ℃下，SBR改性前后沥青的复合模量和相位角差别不大，则在之后的变化中，同温下改性后沥青的复合模量更大，相位角更小，即相应具有更少的粘性成分，则沥青低温抗变形、抗开裂能力提高。

无论是高温还是低温扫描，SBR改性沥青的复合模量和相位角的变化幅度均变缓，短期老化及紫外老化之后，SBR改性沥青的复合模量和相位角差别较基质沥青要小得多，即抗高温老化和抗紫外光老化能力更强。

4结论

(1) SBR改性沥青的最佳制备条件为：温度150℃，纯机械搅拌90 min，转速800 r/min。

(2) SBR改性剂的添加可降低改性沥青针入度，升高软化点，增加延度值。即经SBR改性后沥青的热稳定性得到改善，硬度变大，低温抗裂性能有明显提升。

(3) 随着紫外老化时间的增加，复合模量有增大的趋势，同时相位角减小，说明沥青经紫外老化后其粘性成分减小，沥青老化变硬。高温温度扫描实验结果显示，SBR改性后复合模量明显增大，相位角虽然差别不大但增速变缓，可知改性沥青更硬，且粘性成分更少，则其抗车辙能力更好。

(4) 紫外老化后，SBR改性沥青的模量曲线和相位角曲线随温度的变化趋势变缓，表明SBR改性沥青的温度敏感性降低。因此，与基质沥青相比，其材料性能更稳定，有着更好的抗紫外老化性能。

参考文献

[1]黄晓明,吴少鹏.沥青与沥青混合料[M].南京:东南大学出版社,2002.

[2]张登良.改性沥青机理及应用[J].石油沥青,2003,17(2):36.

[3]XIAO Y, VAN DE VEN M F C, MOLENAAROL A A A.Characteristics of two-component epoxy modified bitumen[J].Materials and structures,2011,44(3):611-622.

[4]WU S, PANG L, MO L.UV and thermal aging of pure bitumen-comparison between laboratory simulation and natural exposure aging[J].Road Materials and Pavement Design,2008,9(S1):103-113.

[5]吴欢,梁乃兴.SBR 改性沥青混合料紫外光照老化分析[J].重庆交通学院学报,2007,26(2):72-74.

[6]王佳妮,薛忠军,谭忆秋,等.几种沥青抗紫外老化措施性能对比试验研究[J].公路交通科技:应用技术版,2013(5):140-142.

Effect of Ultraviolet Aging on Performance of SBR Modified Asphalt

LiuJingdong

(Hebei Province Expressway Management Bureau, Shijiazhuang 050000, China)

Abstract：According to the analytical method of the asphalt's fundamental characteristics, we researched the optimum modified mixing time and the optimum modified temperature of SBR modified asphalt in the laboratory. Using the indoor UV accelerated aging equipment, we studied the performance variation of SBR modified asphalt to simulate different acting time of UV. The influence of UV light on the performance of SBR modified asphalt was then investigated. Research data showed that the shear complex modulus of SBR modified asphalt increased and phase angle decreased with the increasing of UV ageing time. This indicated that the viscidity ingredient of asphalt would decrease and the asphalt would get harder during ageing. The complex modulus obviously increased and the phase angle increased very slowly, when we scanned high temperature. We could get to know the modified asphalt became harder and the anti-rut capacity became better. Research results also illustrate that the investigated SBR modified asphalt has better ultraviolet aging resistance than traditional unmodified asphalt.

Key words:ultraviolet aging; processing technic; SBR; modified asphalt