越南F1赛道专用SBS改性沥青研究

高冰梅，黄婉利，沈家永，韩青英

（中国石化炼油销售有限公司，上海 200050）

世界一级方程式锦标赛（FIA Formula 1 World Championship，简称F1），是当今世界最高水平的赛车比赛，具有速度最快、费用最贵和技术最高三大特征[1]，越南首都河内F1 赛道总长5.565 km，设计最高时速335 km/h，拟采用新旧组合的方式施工建设，部分赛道利用现有街道旧路开挖铣刨后重新加铺双层改性沥青面层，新建赛道部分的中上面层设计采用改性沥青。中国石化针对越南F1 赛道项目需求的专用SBS 改性沥青，开展实验室研究，制备符合技术要求的沥青产品。

1 技术要求分析

F1 赛车最高时速达327 km/h，最低时速仅为80 km/h，具有速度变化大、急转弯、急刹车等特点，这就要求F1 赛道面层应采用具有良好的抗高温性能和低温性能、高弹性恢复率、高粘性及内聚力和抗剪切力的专用改性沥青[2]。上海F1 国际赛道是我国第一条F1 国际赛车道，于2004年6月竣工，宁波F2 国际赛道于2017年9月竣工，这两条赛道面层均采用中国石化“东海牌”专用SBS 改性沥青铺筑。表1列出了越南F1、上海F1、宁波F2 三种赛道专用SBS 改性沥青和《公路沥青路面施工技术规范》[3]（JTG F40—2004） 中聚合物改性沥青SBS 类（I 类）I-C、I-D 技术要求。

由表1可以看出，越南F1 与上海F1、宁波F2 赛道专用SBS 改性沥青相比，主要差异如下：针入度下限低了15 1/10 mm，范围为30 1/10 mm，是上海F1、宁波F2 赛道专用SBS 改性沥青的两倍，表明沥青材料稠度和硬度可增大；软化点下限提高了5 ℃，没有上限要求，表明对沥青材料的高温性能提出了更为严格的要求；没有脆点、25 ℃和5 ℃ 延度、蜡含量、老化后25 ℃延度、低温蠕变劲度等指标要求，表明对沥青材料的低温抗变形能力没有要求；增加老化后针入度比指标，表明更加关注老化性能；弹性恢复下限提高了10%，增加了粘附性指标，64 ℃多应力重复蠕变恢复（MSCR）试验的不可恢复蠕变柔量（Jnr3.2）和恢复率（R3.2）代替了60 ℃动态剪切试验（DSR）的G*/sinδ指标，表明更加注重沥青材料的粘附性、弹性恢复能力[4]和高温抗车辙性能。越南F1 赛道专用SBS 改性沥青与JTG F40—2004 中SBS 类I-C、I-D 聚合物改性沥青相比，主要差异为：软化点下限比SBS I-D 改性沥青提高了20 ℃，没有老化前后5 ℃延度指标，增加粘附性、MSCR 试验的Jnr3.2和R3.2指标，以上差异也表明了越南F1 赛道专用SBS 改性沥青更加关注和严格沥青材料的弹性恢复能力、高温性能，对低温抗变形能力没有要求，这主要由越南地处北回归线以南、高温多雨的热带季风气候所决定。

表1 越南F1 与上海F1、宁波F2 赛道专用SBS 改性沥青技术要求比较

2 实验室研究

SBS 改性剂的塑性和弹性链段能有效改善沥青的高温性能、低温性能和弹韧性，目前在SBS改性剂应用中，一般认为线型结构的SBS 与基质沥青相容性较好，星型结构的SBS 对改善沥青的高温性能更有效果[5]，因此试验选用某国产SBS 改性剂A；相容剂是一种富含芳香分的石油馏分，可促使聚合物相与沥青相形成稳定的相界面吸附层，降低相界面的表面张力，增加两相之间的亲和力，从而达到两相之间的相容[7]，本试验选用国产相容剂B；稳定剂是具有产生或引发自由基，对分子链断裂和分子键合的精细化学品，本试验选用稳定剂C。

2.1 基质沥青的选择

对于SBS 改性沥青来说，基质沥青会对其性能产生重要影响[6]。据文献报道，在选择基质沥青时，可采用基质沥青胶体不稳定指数（Ic），即（饱和分含量+沥青质含量）/（芳香分含量+胶质含量）之值来判断其适用性，通常情况下Ic值在0.26～0.32 范围内时改性效果较好[7]。按照Ic值和中国石化沥青资源供应情况，通过优化选择四家企业生产的沥青作为改性沥青原料（基质沥青1、基质沥青2、基质沥青3、基质沥青4）进行改性试验，四种基质沥青四组分情况见表2。

由表2可以看出，四种基质沥青都是优质的70A 道路石油沥青，且四组分含量比较接近，基质沥青1～3 的Ic 值都在0.26～0.32 范围内，基质沥青4 的Ic值略超上述Ic范围的下限，理论上基质沥青1～3 均应有比基质沥青4 更好的改性效果。

对四种基质沥青进行改性沥青试验，对基质沥青预热、搅拌，分别加入相同比例的SBS改性剂A、相容剂B 和稳定剂C，在一定温度下保持搅拌，使改性剂和添加剂在沥青中分散均匀并反应，制得稳定的SBS 改性沥青样品，所得代表性样品1～4 号的检测结果见表3。

由表3可以看出，相同条件下，样品1 号和2 号的常规主要指标均满足越南F1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求，3 号和4 号除软化点外，其它指标均符合越南1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求；四个样品的针入度和薄膜烘箱后性质差别不大，1 号和2 号的软化点比3 号和4 号的软化点高，2 号的离析和135 ℃旋转黏度最小，四个样品的弹性恢复均在90%以上，其中2 号的弹性恢复最好。考虑到越南F1 赛道专用SBS 改性沥青更加关注沥青材料的高温性能和弹性恢复能力，因此综合评价后选定2 号，即选择基质沥青2 为研究越南F1 赛道专用SBS改性沥青的原料沥青。

表2 基质沥青主要指标及四组分分析结果

表3 四种基质沥青的改性效果比较

2.2 越南F1 赛道专用SBS 改性沥青优化试验

改性沥青的路用性能除了与基质沥青及改性剂的品种有关，还与改性剂的掺量有关，随着SBS 掺量增加，改性沥青常规性能、高温性能、低温性能均得以提高[8]。采用选定的基质沥青2、相容剂B 和稳定剂C，考察不同掺量的SBS 改性剂A 对改性沥青常规性能的影响，按SBS 掺量由低到高，代表性样品编号依次为5～12 号，检测结果见表4。

由表4可以看出，在相同条件下，除样品12 号外，其它样品主要指标均满足越南F1 赛道专用SBS 改性沥青的技术要求。同时，随着SBS 掺量增加，针入度减小，软化点呈增大趋势，当SBS 掺量进一步增大时，软化点增加幅度变小。样品9～12 号的软化点高于90 ℃，高温性能表现优良；所有样品弹性恢复均在90%以上，比较富余，表明不同SBS 掺量的改性沥青的弹性恢复都很好；样品8 号和12 号的离析大于1.0 ℃，其它均小于1.0 ℃，样品6 号、10 号稳定性相对较好；薄膜烘箱后针入度比缓慢增大；随着SBS 掺量增加逐渐增大，样品12 号的135 ℃旋转黏度增幅较大，不符合越南F1 赛道专用SBS 改性沥青的技术要求，表明当SBS掺量增大到一定程度时，可能难以施工，且生产成本增加。选择样品9 号、10 号、11 号进行MSCR 试验，结果见表5。

表4 不同SBS 掺量制备的改性沥青常规主要指标检测结果

表5 不可恢复蠕变柔量和恢复率计算结果

随着SBS 改性剂掺量增加，改性沥青MSCR 试验的不可恢复蠕变柔量（Jnr）值下降，恢复率（R）增大[4]。由表5可见，试验温度为64 ℃时，样品9～11 号在0.1 kPa 和3.2 kPa应力下的Jnr值分别减小，R值分别增大，Jnr值和R值的变化趋势印证了上述结论，即随着SBS 改性剂掺量增加，改性沥青的高温抗变形能力和弹性恢复能力均增强。样品9 号的Jnr3.2值接近越南F1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求的上限值，存在不符合技术要求风险，10 号和11 号的Jnr3.2值和R3.2值均符合越南F1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求，且富余度较大，综合技术指标与改性成本，选择10 号样品为目标样品。

2.3 性能评价

按照越南F1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求，对样品10 号其它指标进行检测，按全指标结果汇总到表6进行改性沥青性能评价。

2.3.1 常规性能

由表6可以看出，最优方案制备的10 号SBS改性沥青样品常规质量指标均符合越南F1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求，其针入度大小适中，软化点高于90 ℃，弹性恢复达到95%，离析1.0 ℃，两项指标都比较富余，表明弹性恢复能力和稳定性均优良；薄膜烘箱后针入度比大，135 ℃旋转黏度较小。综合评价可得出，实验室研究制备的越南F1 赛道专用SBS 改性沥青具有优良的抗老化性能、稳定性能、抗高温流淌性能和弹性恢复性能。

表6 最优方案制备的SBS 改性沥青检测结果

2.3.2 高温性能

MSCR 试验是在不同应力条件下测试改性沥青的粘弹特性，能真实模拟路面重复加载以及卸载的车辆载荷作用。美国已将MSCR 试验作为表征改性沥青高温性能指标，蠕变柔量（J）和恢复率（R）能更好地表征沥青材料的高温性能[4,9-11]。

MSCR 试验使用动态剪切流变仪，试验温度为64 ℃，在0.1 kPa 和3.2k Pa 的应力下分别进行10 次蠕变恢复试验，蠕变阶段1 s，卸载恢复阶段9 s，试验总时间为200 s，最终的评价指标为Jnr和R[12]。由表6可以看出，改性沥青在3.2 kPa 应力下的R比越南F1 赛道专用SBS改性沥青要求的下限值高43%，Jnr比越南F1赛道专用SBS 改性沥青要求的上限值低58%，充分表明其弹性较大，变形恢复能力较强，高温路用性能优良。

3 结论

a）结合沥青四组分计算的Ic 值为判断依据，选出四种70A 道路石油沥青作为原料沥青，通过对其进行改性沥青试验，确定基质沥青2作为改性沥青的原料沥青；通过对基质沥青2进行不同掺量的SBS 改性剂A 及选定的相容剂B 和稳定剂C 的改性沥青试验研究，兼顾改性沥青性能和成本，获得越南F1 赛道专用SBS 改性沥青最优制备方案。

b）采用最优方案制备的越南F1 赛道专用SBS 改性沥青常规性能及MSCR 试验评价结果表明，专用SBS 改性沥青所有指标均符合越南F1 赛道专用SBS 改性沥青技术要求，其软硬适中，具有优良的抗老化性能、稳定性能、高温抗变形能力和弹性恢复性能，高温路用性能和弹性恢复能力尤其突出，适合铺筑越南F1赛道。