不同浓度SBS改性沥青老化规律研究

李 巍

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

基质沥青老化后，粘度增大，针入度减小，软化点升高，低温延度会下降，沥青路面变硬，冬天处于较低温度下易于开裂[1]。就沥青本身性质而言，沥青来源不同，组分含量及分子结构不同，油份对沥青质的胶溶能力不同，导致沥青抗老化性能不同。而对于改性沥青体系，由于不同的改性剂的掺入，改性剂吸收沥青中的轻组分溶胀的能力不同，改性剂和沥青的相容性不同，导致改性沥青的老化形式较为复杂[2]。研究表明，改性沥青的老化同时包括了改性剂的降解和沥青的老化。因此，基质沥青自身的性质必然会影响改性沥青的老化，同时，改性剂加入量不同，助剂不同等，也会对改性沥青的老化产生影响[3-4]。因此对改性沥青的老化规律以及不同因素对其老化后的性能影响进行研究。

1 实验原料及其性质

1.1 基质沥青

选择在季冻区应用较为广泛的两种道路重交石油沥青为研究对象，分别为A沥青和B沥青。两种沥青的基本性质见表1。

从表1可以看出，两种沥青的基本性质相近，B低温延度要稍大于A，而A的25℃针入度略大于B，且两种沥青的各项指标都符合道路沥青的相关指标要求。从族组成上分析，A饱和分和胶质的含量较高，而B芳香分和沥青质含量较高。

1.2 SBS改性剂的性质

选用的改性剂是岳阳石化生产的星型SBS，其基本性质如表2所示。

表1 基质沥青基本性质

表2 星型SBS基本性质

1.3 试验方法

采用TFOT老化来模拟沥青的短期老化。为了更全面地反映沥青的抗老化性能，在TFOT标准时间5h的基础上，延长老化时间到10h来研究延长老化时间对沥青老化性质的影响。此后，分别将短期老化5h、10h的样品放入PAV中，在100℃、2.1MPa下老化20h，模拟沥青在路面使用过程中8～10年的老化，老化结束取样，再进行各项性质分析。

2 不同浓度SBS改性沥青短期老化规律

2.1 软化点的变化规律

软化点是沥青高温稳定性的表征。沥青软化点越高，则其高温稳定性能越好，抗车辙能力越强。图1和图2分别是两种沥青A、B不同浓度SBS改性沥青短期老化5h和10h软化点的变化图。

图1 不同浓度SBS A型改性沥青短期老化软化点变化图

图2 不同浓度SBS B型改性沥青短期老化软化点变化图

从图1和图2可以看出：随着SBS改性剂的加入，两种沥青的软化点都升高，软化点的增大速度也在变大，表明改性沥青的高温性能有所提高。当SBS浓度相同时，B型改性沥青的软化点总是略高于A型改性沥青，表明就高温性能而言此种SBS对B型沥青的改善效果要优于A型沥青，这主要是因为两种沥青组分含量、结构等不同且沥青与SBS的相容性不同导致的。

两种基质沥青老化时，软化点升高，老化时间延长软化点继续升高，且B型沥青软化点的变化要大于A型沥青。但改性沥青则呈现了不同的老化规律：当SBS浓度较低(2%)时，A型改性沥青的软化点略有降低，随着老化时间延长，软化点又呈现变大的趋势；而B型改性沥青软化点则随老化的进行呈现出一直变大的趋势；当SBS浓度为3.5%时，老化5h，两种沥青的软化点都明显降低，老化时间延长，软化点又呈现出变大的趋势；当SBS浓度较高时(5%)，改性沥青的软化点则呈现一直变小的趋势，在老化5h时减小很明显，老化时间延长，软化点减小速度变慢，特别是A型改性沥青。

SBS的加入，改性沥青老化后软化点出现了不一样的变化规律：SBS浓度低时，短期老化5h，改性沥青软化点有升有降，随老化时间延长，软化点又呈现增大趋势，软化点变化不大；当SBS浓度较高时，短期老化5h时，沥青的软化点大幅降低，随老化时间的延长，软化点又出现小幅升高的趋势，而当SBS浓度为5%时，时间延长，软化点继续减小，但是变化速度也减小。

2.2 延度的变化规律

沥青的低温延度在一定程度上反映了沥青的低温状态下的抗开裂能力。对于聚合物改性沥青而言，聚合物在沥青中分散均匀，形成网状弹性结构，改性沥青具有较高的低温延度，低温性能良好。图3和图4分别是两种沥青A、B不同浓度SBS改性沥青短期老化5h和10h延度的变化图。

图3 不同浓度SBS A型改性沥青短期老化5℃延度变化图

图4 不同浓度SBS B型改性沥青短期老化5℃延度变化图

从图3、图4可以看出：在研究的浓度范围内，SBS浓度越高，改性沥青的低温延度越好，表明SBS的浓度越大，改性沥青低温性能越好。

A型基质沥青老化5h时，延度变为零，而B型基质沥青相对而言仍有较好的延度，为4.4cm，老化10h时变为零，表明就低温延度而言，B型沥青的低温性能优于A型沥青。改性沥青短期老化5h时延度大幅度减小，虽然SBS不同，A型改性沥青的降低幅度相近，但B型沥青2%和5%时降低幅度较小，反而在3.5%时降低较明显。老化时间延长延度的降低速度变慢，且SBS浓度低时，延度变化较小，当SBS浓度较高时，延度变化较明显。

2.3 针入度的变化规律

针入度是沥青稠度的反映，也是划分沥青标号的比较常用的指标。研究表明，当沥青25℃时的针入度小于20时，路面会出现比较严重的开裂，而当其大于30时，具有较好的抗开裂性能。图5和图6分别是两种沥青A、B不同浓度SBS改性沥青短期老化5h和10h针入度的变化图。

图5 不同浓度SBS A型改性沥青短期老化25℃针入度变化图

图6 不同浓度SBS B型改性沥青短期老化25℃针入度变化图

由图5和图6可以看出：改性沥青和基质沥青老化后，25℃针入度都减小，老化时间延长，针入度继续减小。老化初期变化较明显，随老化时间延长减小幅度都变小。相对于基质沥青，改性沥青老化针入度减小较慢。延长老化时间对基质沥青的影响要大于改性沥青。

当SBS浓度较低时，短期老化5h时针入度减小明显，老化时间延长，针入度减小幅度仍较大；当SBS为3.5%时，老化初期针入度减小明显，特别是A型改性沥青，针入度从71(0.1mm)变化到59(0.1mm)，老化时间延长，减小速度变慢。当SBS处于高浓度时，A型改性沥青的针入度随老化时间延长变化较小，而B型沥青的针入度初期变化较大，后期较小。

3 不同浓度SBS改性沥青长期老化规律

将TFOT试验后的残余沥青采用压力老化仪(PAV)，在100℃、2.1MPa条件下老化20h模拟沥青路面使用7～10年的老化[5]。将经压力老化试验后的沥青进行软化点、针入度等各项性质测定。

3.1 软化点的变化规律

图7和图8是两种不同浓度SBS改性沥青经TFOT老化再PAV老化后软化点的变化图。

图7 不同浓度SBS A型改性沥青长期老化软化点变化图

图8 不同浓度SBS B型改性沥青长期老化软化点变化图

从图7、图8可以看出，无论是基质沥青还是改性沥青，软化点相对于短期老化又呈现出变大的趋势且变化较大，表明沥青经过长期老化后高温性能相对于短期老化又有明显提高；主要是因为PAV过程是在高温高压下进行，伴随热氧老化，相对于短期老化的热老化，老化程度比较深，沥青老化和SBS降解都比较厉害，所以相对于短期老化其指标变化较大。当SBS浓度较低时，长期老化后沥青软化点大于原样沥青的软化点，而当SBS浓度较高时，老化沥青的软化点要低于原样沥青，表明当SBS浓度高时，虽然其对沥青的高温性能有很好的改善，但由于SBS的老化也较严重，导致老化后的改性沥青高温性能要逊于原样改性沥青。

对于两种不同浓度的改性沥青，SBS浓度对其长期老化软化点的影响不是很明显，主要取决于改性沥青短期老化后的软化点，基本上是SBS浓度越高，老化后沥青软化点也越高。对于A型改性沥青，当低浓度SBS(如2%和3.5%)改性沥青长期老化软化点相对短期老化变化要小于高浓度(如5%)SBS改性沥青的。而对于B型改性沥青当SBS浓度为3.5%时沥青软化点变化较大。

3.2 延度的变化规律

图9和图10是两种不同浓度SBS改性沥青经TFOT以及PAV老化后5℃延度的变化图。

图9 不同浓度SBS A型改性沥青长期老化延度5℃变化图

图10 不同浓度SBS B型改性沥青长期老化5℃延度变化图

从图9和图10可以看出：经过PAV后沥青的低温延度大幅降低，当SBS浓度较低时，沥青的低温延度都降为0，表明经过PAV后沥青的低温抗裂性能大大下降。虽然当SBS浓度相同时，A型改性沥青的低温延度要小于B型改性沥青，但对于A型改性沥青只有当SBS浓度为5%时经过PAV后还有一定的延度，而3.5%的SBS B型改性沥青经PAV后仍有较好的低温性能，表明原样B型改性沥青低温性能不如A型改性沥青，但是其老化后的低温性能要优于A型改性沥青。

3.3 针入度的变化规律

图11和图12是两种不同浓度改性沥青经TFOT以及PAV后25℃针入度的变化规律图。

图11 不同浓度SBS A型改性沥青长期老化针入度(25℃)变化图

图12 不同浓度SBS B型改性沥青长期老化针入度(25℃)变化图

图11和图12表明：经过PAV后无论是基质沥青还是改性沥青，沥青的25℃针入度都明显降低，表明沥青的稠度明显升高，仔细比较会发现基质沥青下降的幅度要大于改性沥青，表明改性沥青的抗老化性能要优于基质沥青。虽然SBS浓度不同，但是经过PAV后改性沥青的针入度很接近，且和基质沥青老化后的针入度接近，表明经过长期老化后，改性沥青的针入度基本上是趋于一个定值。

4 总结

(1)相同SBS改性剂对不同品种沥青性能改善效果不同，这是沥青组分含量、结构及其与SBS的相容性不同所导致的。

(2)改性沥青的老化不仅存在着沥青的老化，同时也存在着聚合物的降解。改性剂在一定程度上抑制或者分担了沥青的老化，其老化指标变化要小于基质沥青，SBS浓度越高时这种作用越明显。

(3)基质沥青老化时，软化点升高，老化时间延长软化点继续升高，且B沥青软化点的变化要大于A沥青；对于改性沥青，短期老化后，聚合物降解，结构破坏，导致沥青的软化点呈现不同变化规律。对于基质沥青短期老化时间延长对长期老化影响较大。而对于改性沥青短期老化时间延长对其长期老化软化点基本没有影响。

(4)改性沥青和基质沥青在老化后延度都下降，导致沥青的低温抗裂性能降低，老化时间延长，沥青延度继续下降；对于改性沥青，SBS浓度越高，改性沥青的低温延度越好，表明SBS的浓度越大，改性沥青低温性能越好，就低温延度而言，B沥青的低温性能优于A沥青；延长短期老化时间对改性沥青长期老化后低温延度的影响不大。

(5)改性沥青和基质沥青老化后，25℃针入度都减小，老化时间延长，针入度继续减小。老化初期变化较明显，随老化时间延长减小幅度都变小。相对于基质沥青，改性沥青老化针入度减小较慢。延长老化时间对基质沥青的影响要大于改性沥青。