梯度改性剂掺量下SBS改性沥青动态流变力学的变化研究

支鹏飞，张新雨，冯小伟

(1.甘肃省道路材料工程实验室 兰州市 730050；2.甘肃省交通科学研究院有限公司 兰州市 730050)

梯度改性剂掺量下SBS改性沥青动态流变力学的变化研究

支鹏飞1,2，张新雨1，冯小伟2

(1.甘肃省道路材料工程实验室 兰州市 730050；2.甘肃省交通科学研究院有限公司 兰州市 730050)

由于SBS改性剂掺量不同，胶结料表现出不同的动力学特性，为了准确描述这些胶结料的动力学特性，通过试验设置基质沥青、2%～8%梯度SBS改性剂掺量的不同样品，分别在46～82℃梯度温度下通过动态剪切流变试验来进行其动态力学性能的分析。结果表明：随着改性剂含量的增加，沥青胶结料的动力学参数G*/sinδ增大，当SBS改性剂掺加到5%时，胶结料的动力学性能有一个很大的提升；同一样品随着温度梯度增加，动力学参数G*和G*/sinδ随温度增加以对数函数形式减小，δ随温度增加以线性函数的形式增加；得到的G*/sinδ拟合方程和改性效果系数a、b能够有效预测动力学试验中温度对性能的影响作用。

SBS改性剂；失效温度；动态力学；改性效果系数

道路石油沥青是一种结构复杂、由多种碳氢化合物及有机衍生物构成的无定形混合物，是一种常见的典型粘、弹、塑性材料，随着温度或荷载的变化其相位不需要发生化学变化就能实现由粘性形态向弹性形态的转变。SBS改性剂(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物)是一种具有相态分离结构的感温性高分子材料，具有±80℃的玻璃化转变温度，当应用温度介于-80℃～80℃之间时，SBS改性剂表现为热塑性橡胶的特性，具有较好的力学性能，而当温度靠近80℃的玻璃化温度时，改性材料开始软化。将SBS改性材料通过一定的工艺掺入到沥青中，能显著改变沥青的高低温性能。且随着SBS改性剂的加入，沥青的动态力学性能也发生了非常大的变化，温度较低时，SBS改性沥青的流动性降低，粘度增大，在极低气温下会显示出较强的弹性性质和明显的脆性；温度较高时，SBS改性沥青的粘度降低，弹性也降低，表现出明显的塑性流动，这也是导致沥青路面在高温下车辙形成的主要原因之一；常温条件下，SBS改性沥青是一种较典型的粘弹性结合体，其动态流变力学随着仪器加载时间和温度的变化而变化。美国SHRP计划开发的动态剪切流变仪(DSR)综合考虑了加载情况和温度对胶结料性能的影响，通过试验确定SBS改性沥青的相位角δ、复数模量G*，并计算G*/sinδ来评价SBS改性沥青胶结料的高温性能。

由于SBS改性剂掺量不同胶结料表现出不同的动力学特性，为了准确描述这些胶结料的动力学特性，文章采用动态剪切流变试验来进行不同SBS改性剂掺量的动态力学性能分析，探讨SBS改性剂掺量对胶结料性能的影响规律。在SBS改性沥青广泛研究及应用于工程建设中的大背景下，通过动态剪切流变力学进一步定量研究其高温稳定性能，对SBS改性沥青更好地应用于道路建设具有重要的意义。

1 试验简介

1.1 试验理论介绍

参考普通沥青胶结料的动态剪切流变试验，论文在10rad/s的角速度下测定SBS改性沥青的相位角δ、复数模量G*，并通过计算车辙因子G*/sinδ来评价SBS改性沥青胶结料的高温性能。同一温度下，车辙因子越大，沥青抵抗变形的能力也越大，高温稳定性能也就越好。相位角δ是作用在胶结料上的应力和由此产生的应变间的时间滞后，是不可恢复的变形量与可恢复的变形量的相对指标。对于纯弹性体，在外荷载的作用下，将产生相应的变形，此时相位角δ为0°；而对于完全粘性体，相位角δ则为90°。对于SBS改性沥青胶结料，则处于粘性和弹性之间，为粘弹性综合体，相位角在0°～90°之间。复数剪切模量G*是SBS改性沥青在重复剪切变形作用下产生的阻力的度量，以全剪应力(τmax-τmin)与全剪应变(γmax-γmin)的比值来表示，G*值包含了弹性和粘性两部分。

1.2 原材料

试验所用的基质沥青为韩国SK-90#沥青，各项技术指标见表1。SBS改性剂选择中由于星型结构加工操作较为复杂，应用中存在一定的困难，不利于大规模推广应用，而线性结构加工简单容易，因此论文选用线性SBS改性剂，具体为岳阳石化的1301-1线型改性剂，技术指标见表2。

表1 基质沥青性能指标

表2 SBS技术性能指标

1.3 样品制作工艺及试验方法

试验采用FM-30型高剪切乳化分散机进行SBS改性沥青的制备，制备时将SK-90#基质沥青加热到140～150℃后掺入SBS改性剂，在1000～3000r/min的转速下搅拌15min，然后加热胶结料，在175～185℃、6000～8000r/min的条件下发育30～45min，再加入稳定剂，在1000～3000r/min的条件下搅拌15min，最后将样品置于170℃的烘箱中溶胀60min。SBS改性剂掺量分别按外掺2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%进行，稳定剂掺量1.5‰。动态剪切流变试验分别在46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃的温度梯度下进行。

2 试验结果分析

根据试验设置，分别进行基质沥青、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%改性剂掺量样品在46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃时的动态力学参数G*、δ、G*/sinδ，见表3。

表3 不同改性剂掺量下的胶结料动态力学参数

从表3可以看出，对于同一种SBS改性剂掺量的样品，随着温度从46℃向82℃梯度增加，其动力学参数G*和G*/sinδ随温度增加按对数函数的形式减小，δ随温度的增加按线性函数的形式增加，说明其粘性减弱，弹性增强。图1为各样品在梯度温度增加下的G*/sinδ变化规律，可以看出各掺量下SBS改性沥青的G*/sinδ存在一定规律的差异，基质沥青的G*/sinδ在最下面，8%SBS改性剂掺量的在最上面，2%～7%SBS改性剂掺量的依次由低到高，G*/sinδ越大，说明胶结料越硬，黏度越大。从图中还可以看出5%SBS改性剂掺量的G*/sinδ较之前的样品有很大的提高(约是3%掺量的1.2倍)，说明当SBS改性剂掺加到5%时，胶结料的性能有一个很大的突破。图2为各样品在动力学试验中的高温失效温度(对原样沥青G*/sinδ≥1.0，老化样品G*/sinδ≥2.2)变化趋势图，可以看出从基质沥青到8%SBS改性剂掺量样品，其高温失效温度基本上呈指数函数的变化形式(拟合曲线相关系数R2>0.99)，2%改性剂掺量样品的高温失效温度相对于基质沥青高了6℃左右，5%改性剂掺量样品的高温失效温度比4%样品的高了5℃左右，其余差不多都在3℃左右，说明掺加SBS改性剂对胶结料的性能有很大的提高，而5%改性剂掺量时胶结料的性能有一个质的突破。

为了研究不同样品在同一温度下的动态力学参数G*/sinδ，将不同样品置于同一温度下分析其性能，变化规律如图3所示。

同一温度下随着SBS改性剂从2%～8%梯度增加，其车辙因子G*/sinδ大致呈指数函数的形式增加，且7%掺量前期增长缓慢，7%后期增长迅速。不同温度的G*/sinδ46℃在最上面，82℃的在最下面，其余随温度依次递减；从46～64℃，G*/sinδ变化幅度较大，从64～82℃，G*/sinδ变化幅度较小。SBS改性材料是由多种元素构成的高分子有机聚合物，在将此聚合物加入沥青中后，会以相互链接和缠绕的溶胀状态在基质沥青中分散，生成含有羰基官能团的极性分子，也就是俗称的高分子含量，掺量越大，高分子含量越多，胶结料变得越粘稠。

以基质沥青的G*/sinδ为初始值，8%SBS改性剂掺量样品的G*/sinδ为终值，进行SBS改性沥青动力学参数的非线性方程拟合，由于G*/sinδ是温度的敏感函数，根据试验结果，分别进行不同温度下的G*/sinδ拟合，结果如表4。

表4 不同SBS改性剂掺量的G*/sinδ拟合方程

从表4看出同一温度下从基质沥青(0%)～8%SBS改性沥青G*/sinδ拟合方程的相关系数R2均大于0.94，可以认为具有非常好的相关性， 表中的系数a、b是表征改性效果的系数，在其他条件不变的情况下，他们是温度的函数，其在不同温度下的变化规律见图4。

由图4可以看出，改性效果系数a呈指数函数的变化规律，改性效果系数b呈对数函数的变化规律。通过图3和表4得到G*/sinδ随改性剂掺量梯度增加的拟合方程，而通过图4得到改性效果系数随温度变化的拟合方程，这些拟合方程对于预测动力学试验中温度对性能的影响具有积极的指导意义，在进行类似试验时不需要逐个进行温度梯度下的试验，根据回归曲线和改性系数就可以知道动态力学性能变化方程，进而得到了G*/sinδ值。

3 结论

本文通过对梯度浓度下SBS改性沥青动态力学性能的试验研究和理论分析，主要得到如下结论：

(1)对于同一种SBS改性剂掺量的胶结料，随着温度从46℃向82℃梯度增加，其动力学参数G*和G*/sinδ随温度增加以对数函数形式减小，δ随温度增加以线性函数的形式增加。

(2)随着改性剂含量增加，胶结料的黏度逐渐增大，当SBS改性剂掺加到5%时，胶结料的动力学性能有一个很大的提升。

(3)随着改性剂含量梯度增加，其高温失效温度基本上呈指数函数的变化形式，2%改性剂掺量样品的高温失效温度相对于基质沥青高了6℃左右，5%改性剂掺量样品的高温失效温度比4%样品的高了5℃左右，其余差不多都在3℃左右。

(4)得到的G*/sinδ随改性剂掺量梯度增加的拟合方程和以指数方程为基础得到的改性效果系数a、b能够有效地预测动力学试验中温度对性能的影响作用。

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Study on Dynamic Rheological Characteristics of Asphalt Via SBS Modifier Concentration Gradient Changes

ZHIPeng-fei1,2,ZHANGXin-yu1，FENGXiao-wei2

(1.GanSu Provincial Engineering Laboratory For Road Materials，Lanzhou 730050，China； 2.Gansu Provincial Transportation Research Institute Co., Ltd., Lanzhou 730050，China)

Because SBS modifier content of different binders exhibit different kinetic properties, in order to accurately describe the dynamic characteristics of the binder, the paper by setting test asphalt, 2% to 8% gradient SBS modifier content of different samples were at 46 ℃～82 ℃ temperature gradient to analyze its dynamic mechanical properties by dynamic shear rheological tests. The results show that: with the increasing modifier content of kinetic parameters asphalt binder G*/sinδ increases, when SBS modifier adding 5%, the dynamic performance of a binder has greatly improved ; the same sample as the temperature gradient increases, the kinetic parameters G*and G*/sinδ with increasing temperature decreases logarithmically, δ increases with temperature as a linear function of the increase; the resulting G*/sinδ fitting equation and modifying effect coefficients a, b can effectively predict the dynamics of influence of temperature on the performance of the test.

SBS modifier；Failure temperature；Dynamic mechanical；modification effect coefficient

1673-6052(2016)11-0032-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.009

U414.01

A

甘肃省交通运输厅项目(2013-16)