SBS改性沥青机理分析与抗老化试验研究

隆艳梅

摘要：文章通过红外分析、组分分析及DSC热分析阐述了SBS改性沥青的机理，分析了影响SBS改性沥青工程性能的主要因素，并通过抗老化试验研究了SBS改性沥青的劈裂强度与SBS改性剂用量之间存在的对应关系。试验结果表明，当SBS改性剂用量在合理范围内时，可提高沥青结构的抗老化能力。

SBS;改性沥青;抗老化试验;改性剂

0 引言

随着我国经济的不断发展，基础交通领域的工程也在加速推进，高速公路的总通车里程在逐年增加，为各地区的建设提供了重要保障。当前高速公路的路面多为沥青结构，这是由沥青特有的耐用性等工程特点所决定的。然而，沥青路面经过长时间在环境中的暴露以及常年往复的车辆荷载作用后，会发生不同程度的开裂、结构破坏等问题，对沥青路面的使用寿命和行车安全性带来了一定影响。通过对国内多条高速公路的沥青路面结构质量进行调研后可知，抗老化能力不足导致了高速公路沥青路面结构的一系列质量和安全问题。因此，研究沥青结构机理和抗老化性能具有重要意义[1]。

1 SBS改性沥青机理分析

1.1 SBS改性沥青制备

制备过程中选用AS70#基质沥青，石灰岩作为集料，细石灰石粉作为矿粉，确保该型号基质沥青的各项参数满足制备工艺要求。混合料级配如表1所示。

时间定为30min，SBS线型改性剂含量为5.0%[2]。SBS改性沥青制备工艺流程如图1所示。

1.2 红外分析

工程应用中通常使用红外吸收光谱来分析改性沥青的机理，包括沥青改性前后的物理和化学特性。本试验中采用了波数为500～4000cm的红外吸收方案，通过率测定为120%以内，通过红外吸收光谱来分析沥青改性前后的物化机理。沥青改性前后的红外吸收光谱对比如图2所示。由图2可知，经过改性后的沥青比基质沥青多出两个吸收峰，分别在780.5cm和920.3cm位置。通过对该红外吸收光谱进行分析可知，920.3cm位置处于RCH=CH2中C-H键振动峰，而本次试验所用到的苯乙烯等改性剂中均含有RCH=CH2结构，而780.5cm位置的吸收峰属于苯环代替C-H键的振动峰。因此，沥青在SBS改性之后，其分子化学结构和特性并没有改变，即改性过程主要是物理改性[3]。

1.3 组分分析

从理论上讲，改性剂能够改善基质沥青的各类性能指标是基于改性剂对基质沥青组分的改变。为更加直观地分析改性剂所引起的基质沥青组分的变化，试验中选取了几类主要的沥青组分进行对比分析，包括饱和分、芳香分以及胶质、沥青质。上述四组分在加入改性剂后的变化情况如表2所示。

由表2中数据可知，改性剂使得基质沥青的四组分发生较为显著的变化，具体情况如下：饱和分减少，芳香分变化不大，胶质与沥青质均有一定程度的增加，且胶质增加效果更为明显，表明饱和分和SBS具有较好的兼容性，可良好渗入到SBS内部。而在四组分的实际测量中发现，无法将渗入到SBS中的饱和分冲洗掉，且改性后的饱和分大量减少，因此溶胀后SBS极性十分接近沥青胶质[4]。

1.4 DSC热分析

DSC（DifferentialScanningCalorimeter）热分析又被称为差示扫描量热法，通过相应的程序对温度进行控制，以测量试样、参比物功率差和温度之间的变化关系生成DSC动态曲线，依据测量方式的不同可分为功率补偿型和热流型DSC。由于参比物在试验环境中不存在相态变化，因此，试样在设定程序所控制的温度条件下，其内部将发生物理、化学变化，进而吸收一定的热量，热量的吸收差值在DSC曲线上显示为曲线峰，通过峰值和基线具体位置，能夠求出峰值的实际面积。沥青属于一种较为复杂的混合物，其固态和液态物质的相对比例将随着环境温度发生变化。由于固态和液态的分子间作用力有一定差异，使得沥青物理性质发生改变，进而引起物理力学特性的变化[5]。

2 SBS改性沥青性能影响因素分析

2.1 存放时间因素

存放时间将影响改性沥青的性能（软化点）。可对比直接取样和在室温条件下存放一段时间的改性沥青，一般存放时间为12h，通过对比两种情况下的软化点变化情况进而分析改性沥青的性能。改性沥青的制备工艺以及软化点测量结果如表3所示。

由表3中数据可知，基质沥青在改性后的软化点有所升高，且软化点随着剪切转速的增加而升高;另一方面，在任意剪切转速情况下的软化点都随着存放时间的增加而降低，且软化点的对比差值随剪切转速的增加而变大。上述现象充分说明沥青本体结构是以沥青胶质为主要组成部分，胶质与周围物质共同形成胶束，以此分散于芳香分及饱和分共同组成的介质中。改性后的沥青聚合物粒度较小且表面具有较高的能量，可在轻质组分的作用下发生溶胀现象，从而降低沥青结构的表面能，生成一种新的吸附层。因此，改性过程中发生的溶胀和吸附现象可使沥青本体结构发生改变，增强了沥青的凝胶特性。

2.2 加工条件因素

使用混合高剪切机械进行SBS改性沥青制备时，在剪切时间不变的情况下，当增加剪切频率时，改性剂离散的效果较好、粒度较小、接触表面积更大。此时改性聚合物将吸收并吸附更多沥青组分，使表面能显著降低，最终使改性聚合物胶质与沥青本体胶质间的距离变小，且彼此间作用力变大，使改性后所形成的三维网状式结构性能更为发达。该结构对于沥青结构分子的移动、形变等可起到有效的约束作用，增大了改性沥青结构的软化点。另外，在沥青改性加工过程中，较高温度对于聚合物粒度的溶胀也具有促进作用，并可提高聚合物和沥青胶质间的兼容性。

3 SBS改性沥青抗老化试验研究

3.1 劈裂试验

通过劈裂试验可综合判断沥青老化各阶段中SBS改性沥青的劈裂强度，分析SBS改性剂用量对SBS改性沥青抗老化性能的具体影响。SBS改性沥青劈裂试验数据如图3所示。图3中展示了SBS改性沥青在老化前、短期老化以及中长期老化各阶段的劈裂试验数据，SBS用量范围是1.0%～5.0%，测定的劈裂强度范围是1.1～1.5MPa。

3.2 试验结果分析

由图3可知，无论是短期老化还是中长期老化过程，SBS改性沥青的劈裂强度均大幅度提高，例如SBS改性剂用量为3%时，老化前沥青混合料的劈裂强度为1.16MPa，经过短期老化后的沥青混合料的劈裂强度为1.25MPa，经过中长期老化后，沥青混合料的劈裂强度达到1.35MPa，即在经过短期老化和中长期老化后，沥青混合料的劈裂强度分别增加了0.09MPa和0.10MPa，增加率分别是7.76%和8%。主要是由于在短期和中长期老化过程中，沥青胶质中的轻质组分在不断挥发，使得沥青质的相对含量显著增加，沥青结构的整体刚度和强度也得以增加，因此形成较大的劈裂强度。当SBS改性剂用量超过临界值（4.0%）时，如果继续增加则会使沥青混合料的劈裂强度降低，SBS用量为4.0%时沥青混合料老化后劈裂强度达到了峰值，约为1.37MPa，此时SBS改性沥青结构的抗老化能力最强。

4 结语

SBS改性沥青在制备过程中对于SBS改性剂的用量、沥青混合料的级配等具有严格的要求，SBS改性剂用量通常控制在5.0%以内。本文使用了高速剪切方法进行SBS改性沥青的制备，讨论了存放时间和加工条件对于SBS改性沥青性能的影响。劈裂试验可良好反映SBS改性沥青的抗老化能力，其中主要衡量老化前、短期老化和中长期老化过程中SBS改性沥青的劈裂强度。试验结果证明，在同等SBS改性剂用量情况下，SBS改性沥青的劈裂强度随着老化时间的增加而变大。而在同一阶段的老化过程中，当SBS改性剂用量在4.0%以下时，SBS改性沥青的劈裂强度随改性剂用量的增加而变大;但当改性剂用量超过4.0%时，SBS改性沥青的劈裂强度却随之变小。说明改性剂用量在合理范围内时，可提高SBS改性沥青结构的抗老化能力。

参考文献：

[1]祝 伟.SBS掺量对改性沥青混合料路用性能的影响[D].西安：长安大学，2012.

[2]王 岚，王子豪，李 超.多聚磷酸改性沥青老化前后高温流变性能[J].复合材料学报，2017，34（7）：1610-1616.

[3]马庆丰，辛 雪，范维玉，等.多聚磷酸改性沥青流变性能及改性机制研究[J].中國石油大学学报（自然科学版），2015，39（6）：165-170.

[4]曹卫东，刘乐民，刘兆平，等.多聚磷酸改性沥青的试验研究[J].中外公路，2010，30（3）：252-255.

[5]刘红瑛，张铭铭，黄凌辉，等.多聚磷酸复合SBS改性沥青流变性能及抗老化特性[J].东南大学学报（自然科学版），2016，46（6）：1290-1295.