SBS改性沥青低温性能评价方法

2018-05-24裴晓光刘荣博

山东化工 2018年9期

陈松，裴晓光，刘荣博

(中海油炼油化工科学研究院(北京)有限公司，山东青岛 266500)

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)是沥青生产常用的改性剂之一，目前我国SBS改性沥青在改性沥青生产总量中的比例可达50%以上[1]。SBS是一种具有两相分离结构的热塑性弹性体，它具有-80℃和80℃两个玻璃化转变温度[2]。当温度介于两个玻璃化转变温度之间时，材料表现为橡胶的特征，因此具有很好的韧性和拉伸强度[3-5]，改善沥青的工作域范围，提高高、低温使用性能。

目前我国大多数SBS改性沥青质量指标评价方法来源于欧美国家制定的规范，针对我国SBS改性沥青产品缺少大量的基础性试验来关联这些质量指标与混合料路用性能评价的结果，部分企业为了使产品达到较高的级别而添加大量的助剂，破坏了改性沥青稳定的结构，虽然在一定程度上提高了沥青的等级，但是对改善混合料的性能没有任何益处，同时SBS改性沥青是一个复杂的体系，它的性能一方面受到改性剂类型、掺量以及基质沥青标号、组成成分的共同影响，另一方面也受到制作工艺以及微观结构的影响，因此，如何能够准确评价改性沥青性能指标是一件非常重要的工作[6-8]。

综上所述，本文针对目前常用于评价沥青胶结料低温性质的实验方法、工作原理、检测设备进行介绍，以期在科研与生产中能够获得相对准确的低温性能评价方法。

1 低温针入度

针入度值测试是一种经验性的方法，反映沥青黏稠程度的实验。相同环境温度下，针入度越大，表示沥青柔软，相应材料劲度越低，沥青路面产生裂缝的几率越小。研究结果表明，在低温度条件下，如：-5℃、5℃、15℃以及25℃范围内，针入度与沥青路面低温开裂性能有着密切的关系，其中脆点与5℃针入度相关性如下：

脆点温度=0.72×P5℃，100g,5s+18.2

虽然低温条件下，针入度与路面低温开裂性能存在相关性，但是在实际应用中，受到操作者熟练程度等因素的制约，在较低试验温度下测量沥青针入度存在着一定困难，并且针入度的测定仅仅是经验性的条件试验，并不能够反映沥青材料的本质特征，所以将其作为评价沥青低温性能方法的应用越来越少[9]。

2 低温延度

我国现行规范中反映SBS改性沥青低温抗开裂性能的指标是5℃延度，但据研究表明，以5℃延度来表示沥青低温性能存在一定的不足：首先，我国现行沥青标准所采用的低温试验温度与寒冷地区的实际环境温度差距较大；其次，路面温缩开裂一定程度上也受到沥青在服务年限内逐渐老化所产生的影响，所以用原样沥青的5℃延度不能真实表征SBS改性沥青的低温变形能力；再者，温度下降时沥青材料的塑性急剧下降，脆性显著增强，变形适应能力减弱，从而表现出较差的抗裂能力[10-11]。荷载产生的变形超过沥青材料的自身变形能力时，沥青路面就会开裂破坏，但沥青材料低温受力时极限变形量是很小的，而且环境温度越低，极限应变急剧减小，并不是延度所反映的宏观变形[12]。

3 测力延度

利用测力延度考察SBS改性沥青的粘韧性，能够反映沥青胶结料的低温抗开裂性能，从试验结果可知，在较短的形变范围内由于有改性剂的存在，使得沥青分子的链状结构紧固，分子之间的粘结力较基质沥青增大许多；当改性沥青试样开始受到荷载作用时首先要发生弹性变形，这个距离很短，通常为2～8mm，随着形变的进一步增加，荷载增加，当荷载继续增大出现峰值时，沥青试样就出现微损伤，此时改性剂开始起主要作用，之后荷载开始减小，直至沥青拉断时变为零[13-15]。上述过程可以通过测力延度仪来记录，绘制出测力延度工作曲线，如图1所示。

图1 测力延度仪工作曲线

通过计算可以得到SBS改性沥青拉伸柔度、基质沥青当量劲度、SBS当量劲度、屈服应变能、韧性比等一系列参数，文献中指出，其与SHRP中反映沥青低温性能指标的试验结果相关性较高，同时具有操作简便等优点，也能够反映出材料本身的力学性质，但试验过程中同样没有考虑老化对沥青性质的影响[6,16-17]。

4 玻璃化转变温度

对于高分子聚合物，常采用玻璃化转变温度来表征其低温性能。沥青经过SBS改性后，认为属于高分子聚合物，其模量-温度曲线可以分为4个区域：玻璃态区域、玻璃态-橡胶态转变区域、橡胶平台区域和流动区域，如图2所示。

图2 不同粘弹行为区域的模量-温度关系

对于改性沥青，其服役温度经历了从玻璃态到流动态的整个过程。在低温下，希望其具有良好的流动性和变形能力，即沥青的玻璃化转变温度(从玻璃态到橡胶态的转变温度)，表征了沥青低温性能的好坏。该温度越低越好，最理想的状态是玻璃化转变温度小于沥青的最低服役温度，这样在整个服役温度内沥青都具有良好的变形能力，能够松弛掉因温度降低而产生的温度应力，减少低温裂缝的产生，因而玻璃化转变温度具有明确的物理意义，能够表征改性沥青低温性能的好坏，也能够区别不同改性沥青低温性能间的差别，适合于评价改性沥青的低温性能[18]。

5 低温劲度、松弛性能

沥青路面低温开裂与沥青结合料的低温抗裂性能密切相关，Superpave沥青结合料规范中将沥青的劲度模量和松弛性能(劲度模量随时间变化的斜率m)作为评价沥青低温性能的核心指标，采用弯曲梁流变试验(BBR)来测试沥青胶结料的低温流变性质。将老化后的沥青进行相关试验，使用蠕变劲度和荷载作用时沥青劲度随时间的变化率两个参数来反映温度、时间对沥青低温流变性质的影响。在低温下，将沥青视为弹性体，如果材料的蠕变劲度太大，则呈现脆性，路面易开裂，同时试验过程中考虑了路面服役过程中的光、热老化作用[7]。

1954年荷兰人范得普开用经验常规试验数据通过严格的理论计算，利用两个不同温度下的针入度和软化点，通过诺模图，求得作为温度和时间函数的劲度模量。国内湖南大学曾梦澜等人在此基础上，优化并得出了基于常规试验数据的沥青劲度模量的理论模型[19-20]。

张智强等[12]为了研究SBS改性沥青的低温抗裂特性，采用数值分析方法中的拉格朗日线性插值的方法来求其低温分级临界温度，但实验结果显示，用物理意义上共存共混方法制备得到的SBS改性沥青，其低温等级基本保持在基质沥青的低温等级上，即从流变学的意义上来说，未能将不同种类SBS改性沥青的低温性能区分开。

栾自胜等[21]对五种SBS改性沥青进行流变性能试验，分别得到沥青的劲度模量、模量变化率，并计算得到了低温等级温度，通过与延度的对比，认为用低温等级温度评价SBS改性沥青低温性能更加合理。现有Superpave性能分级标准的缺陷，在于相邻低温性能分级温度间隔为6℃，有些情况下难以区分改性沥青低温性能差异。

根据不同温度下流变性能试验得到的劲度模量(S)和蠕变斜率(m)，可以按照log(S)=a1+b1T和log(m)=a2+b2T回归后分别得到临界温度TL(S)和TL(m)，其中TL(S)为S=300MPa时确定的低温临界温度，TL(m)为m=0.3时确定的低温临界温度，并根据Superpave性能规范标准，得出S<300MPa且m>0.3时的低温等级温度TLC。一般沥青低温劲度S越小，松弛速率m越大，则表明材料的低温性能好，低温等级温度TLC正好同时体现了这两方面的含义。通过8组沥青结合料的低温等级温度TLC的测定，其中5组由蠕变速率m确定，3组由劲度模量S确定，故蠕变速率m对沥青路面低温开裂的影响比蠕变劲度S更显著，也表明沥青的松弛性能对其低温性能更加重要。