温拌剂Sasobit对SBR改性沥青短期老化后性能的影响

杨侣珍

(湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)

沥青作为一种黏弹性材料，其性能主要受环境温度的影响。随着温度的降低，沥青会变硬变脆，劲度增加，延展性变差，表现出弹性固体的行为，在外界荷载的作用下，极易发生开裂。因此，沥青路面的低温开裂是中国北方以及高寒地区极易出现的路面病害。

将聚合物丁苯橡胶(SBR)用于普通沥青的改性以达到改善其抵抗低温开裂的能力已被较广泛地应用于工程实际中。原因在于SBR是由丁二烯与苯乙烯共聚得到的高聚物，其综合性能较好，强度较高、延伸率大，抗磨性和耐寒性亦较好，由其制备出的SBR改性沥青低温性能非常好。此外，SBR与沥青之间相容性较好，基本不存在离析问题。尽管SBR能够明显改善沥青的低温性能，但是SBR改性沥青的低温延度受热氧老化的影响大，短期热氧老化后SBR改性沥青的低温延度明显降低，制约着SBR改性沥青改性效果的充分发挥。

与传统热拌沥青混合料不同，温拌沥青混合料(Warm Mix Asphalt, WMA)技术通过降低沥青在给定温度下的黏度，从而达到有效降低沥青混合料的拌和及压实温度的目的。在实现温拌的方法中，添加Sasobit温拌剂是应用较广泛的一种。Sasobit是煤气化过程中生产的长链脂肪族烃，是一种固体石蜡，其熔点约为100 ℃。在超过其熔点的温度时，Sasobit可完全溶于加热后的沥青胶结料中，从而降低沥青的黏度，进而降低沥青的拌和温度。温拌技术对沥青混合料拌和及压实温度的降低不仅有利于降低能耗、减少环境污染，还可以减少沥青在拌和及铺筑过程中受热氧老化的影响。这一效果恰好与SBR改性沥青需减少短期热氧老化对其性能的影响高度契合。

基于此，该文将研究添加Sasobit温拌剂对SBR改性沥青短期老化后性能的影响，为SBR改性沥青提供有效的抗短期热氧老化措施。

1 试验方法

1.1 原材料

表1 70#基质沥青的基本物理性质

表2 SBR的基本性质

表3 Sasobit的基本指标

1.2 沥青制备

掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的制备过程：首先将基质沥青加热至熔融状态，再将3%的SBR加入基质沥青中，在160 ℃、4 000 r/min的条件下高速剪切40 min，制得SBR改性沥青；然后再向SBR改性沥青中掺入4%的Sasobit颗粒，在160 ℃、2 000 r/min的条件下剪切30 min，制得掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青。作为空白样，未加温拌剂Sasobit的SBR改性沥青也经历上述相同的制备过程。

1.3 沥青老化

试验室一般采用旋转薄膜烘箱(RTFO)或薄膜烘箱(TFO)试验来模拟沥青胶结料在拌和及摊铺过程中所发生的短期热氧老化。两种老化试验的温度都规定为163 ℃。然而，该温度的设定与沥青胶结料在拌和及摊铺过程中所受的实际老化条件并不十分相符，尤其是对于聚合物改性沥青。因此，为了更好地模拟沥青胶结料的短期热氧老化，该文根据等黏度原则，将沥青黏度为0.17 Pa·s时所对应的拌和温度设定为沥青胶结料的短期热氧老化温度进行旋转薄膜烘箱老化试验(RTFOT)，老化时间为85 min。图1为根据式(1)绘制的沥青样品的黏温曲线，由此所确定的添加和未添加温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的短期热氧老化温度分别为161和175 ℃。根据等黏度原则可得，温拌剂Sasobit的掺入可显著降低SBR改性沥青的拌和温度，降幅可达14 ℃。

loglog(η×103)=VTSlog(T+273.15)+A

(1)

式中：η为旋转黏度(Pa·s)；VTS为黏温曲线斜率；T为温度(℃)。

1.4 性能测试

根据JTG E 20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的规定，分别对老化前后的沥青样品进行25 ℃针入度、软化点及5 ℃延度测试。老化后的残留针入度、软化点增量和延度保留率分别按式(2)～(4)计算。

图1 沥青样品的黏温曲线

(2)

软化点增量(℃)=老化后软化点-老化前软化点

(3)

(4)

利用动态剪切流变仪(DSR)对老化前后的沥青样品进行温度扫描，扫描范围为15～70 ℃，应变控制为1%，频率为10 rad/s，选用25 mm转子，间隙设定为1 mm。

SBR改性沥青老化后的显著特征之一就是SBR改性剂也会随之降解，具体表现为其包含的丁二烯(C=C)双键会发生断裂。该文利用傅里叶变换红外光谱技术对老化前后的沥青样品中所包含的丁二烯双键按式(5)进行定量测定，丁二烯指数越小，表明丁二烯(C=C)双键含量越少，SBR改性沥青老化越严重。

丁二烯指数(BI)=

乱世中大批士人选择了南迁至南唐、西蜀等地，〔2〕(卷二六二，P9075) 其中的名士有罗隐 （五代初至吴越）、李元（后梁时避居湖南）等。隐逸为士人在世道污浊时保持人格的独立提供了可能，是士人温和地反抗现实的方式，是一种“不求兼济，但求独善”的逃避行为，所谓“明主既难谒，青山何不归”正是这类人心境的写照，隐士们走的是精神上的自我放逐之路。

(5)

红外光谱试验的具体操作步骤为：先将溶于二硫化碳的沥青试样滴于溴化钾(KBr)薄片上，待二硫化碳挥发后将薄片置于傅里叶变换红外光谱仪中进行扫描，扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1，扫描范围为4 000～400 cm-1。

2 试验结果与讨论

2.1 物理性能

2.1.1 针入度

针入度试验是测定沥青稠度的标准方法。通常，沥青针入度值越小，表明沥青稠度越大，黏结力越强。图2为掺入和未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青RTFOT老化前后针入度的变化情况。

图2 温拌剂Sasobit的掺入对SBR改性沥青RTFOT老化前后针入度及残留针入度的影响

由图2可知：与未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青相比，掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的针入度明显减小，说明温拌剂Sasobit的掺入可以提高SBR改性沥青的稠度。此外，经过RTFOT老化后，掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的残留针入度显著高于未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青，说明温拌剂Sasobit可以通过降低SBR改性沥青的拌和温度从而减弱SBR改性沥青受短期热氧老化的影响。

2.1.2 软化点

沥青软化点可以反映沥青在加热升温过程中逐渐变软的过程，在一定程度上表示沥青的高温稳定性能。软化点越高，表示沥青的耐热性能越好，在高温和车辆荷载的共同作用下越不容易发生变形。温拌剂对SBR改性沥青RTFOT老化前后软化点的影响见图3。由图3可见：温拌剂Sasobit的掺入使SBR改性沥青的软化点由50.8 ℃增至61.2 ℃，显著改善了SBR改性沥青的高温稳定性能，从而可以减少路面高温车辙病害的发生。其原因主要是温拌剂Sasobit的熔点约为100 ℃，在其熔点以下，Sasobit呈现出一种石蜡的网格状晶体，该结构能限制沥青分子在高温下的移动，从而改善沥青的高温稳定性。但当温度超过其熔点时，Sasobit熔化为液体并能和沥青完全相容，能大幅降低沥青的黏度，实现降低沥青拌和温度的作用。此外，掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的软化点增量低于未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青，再次证明温拌剂Sasobit的掺入可以降低短期热氧老化对SBR改性沥青的影响。

图3 温拌剂Sasobit的掺入对SBR改性沥青RTFOT老化前后软化点及软化点增量的影响

2.1.3 延度

沥青的延度可以反映其在一定温度下抵抗拉伸破坏的能力，尤其是老化后沥青的低温延度与沥青路面的使用性能有着密切的关系。沥青的低温延度越大，表明沥青低温下的延展性越好，路面发生低温开裂的可能性越小。温拌剂对SBR改性沥青RTFOT老化前后延度的影响见图4。

由图4可见：尽管温拌剂Sasobit的掺入降低了SBR改性沥青的延度值，但是经过RTFOT老化后，掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的延度值却高于未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青，延度保留率达到55.5%，显著高于未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的29.3%。说明尽管温拌剂Sasobit对SBR改性沥青的低温性能有一定的不利影响，但由于温拌剂Sasobit可以通过降低沥青的拌和温度来减少短期热氧老化对SBR改性沥青的影响，温拌剂Sasobit的掺入反而改善了短期热氧老化后SBR改性沥青的低温性能。

图4 温拌剂Sasobit的掺入对SBR改性沥青RTFOT老化前后延度及延度保留率的影响

2.2 流变性能

复数模量可表示沥青抵抗剪切变形的能力，而相位角能反映沥青中黏性成分与弹性成分的占比情况。一般而言，给定温度下，复数模量愈大，表明沥青的劲度愈大，抵抗剪切变形的能力愈强；相位角愈小，表明沥青中弹性成分占比愈多，变形恢复能力愈强，延迟变形能力愈弱。较理想的情况是：在高温时，沥青表现出较大的复数模量和较低的相位角，具有更好的抵抗高温变形的能力；在低温时恰好与之相反，表现出较好的低温黏性变形能力。温拌剂对复数模量和相位角的影响见图5。

由图5可知：温拌剂Sasobit的掺入提高了SBR改性沥青的复数模量、降低了其相位角，表明温拌剂Sasobit的掺入改善了SBR改性沥青的高温稳定性，该结果与软化点结果一致。无论是否掺入温拌剂Sasobit，RTFOT老化后，SBR改性沥青的复数模量都增加而相位角都减小。但掺入温拌剂Sasobit后的SBR改性沥青的复数模量和相位角的变化幅度都小于未掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青，进一步验证了温拌剂Sasobit的掺入可以降低短期热氧老化对SBR改性沥青的影响。

2.3 红外光谱结果

沥青样品RTFOT老化前后丁二烯指数的变化情况见图6。

图5 温拌剂Sasobit的掺入对SBR改性沥青RTFOT老化前后复数模量及相位角的影响

图6 沥青样品RTFOT老化前后丁二烯指数(BI)的变化情况

由图6可知：温拌剂Sasobit的掺入对未老化的SBR改性沥青中丁二烯(C=C)双键的含量影响并不明显。经过RTFOT老化后，无论是否掺入温拌剂Sasobit，SBR改性沥青中的丁二烯(C=C)双键的含量都减小。但老化后掺入温拌剂Sasobit的SBR改性沥青的丁二烯(C=C)双键含量减少量明显小于未掺温拌剂Sasobit的SBR改性沥青，说明由于温拌剂Sasobit的存在而使短期老化温度的降低可有效缓解SBR改性剂在短期老化过程中的降解速度，从而维持了SBR改性沥青的改性效果。

3 结论

(1) 根据等黏度原则可知，温拌剂Sasobit的掺入可有效降低SBR改性沥青的拌和温度，降幅可达14 ℃。

(2) 温拌剂Sasobit的掺入降低了SBR改性沥青的针入度、延度和相位角，增加了其软化点和复数模量，说明温拌剂Sasobit的掺入可提高SBR改性沥青的高温稳定性。

(3) 通过残留针入度、软化点增量、延度保留率以及老化前后复数模量、相位角和丁二烯指数变化情况可知，温拌剂Sasobit可通过降低SBR改性沥青的拌和温度来减弱短期热氧老化对SBR改性沥青的不利影响，维持SBR改性沥青的改性效果。尤其是老化后低温性能的改善。

(4) 该文研究结果可以为缓解短期热氧老化后SBR改性沥青低温性能的劣化，从而充分发挥SBR改性沥青的改性效果提供参考和借鉴。