TPS-SBR复合改性沥青的制备及其老化性能研究

陈辉强，兰 滔，熊 亮

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

西部高海拔地区具有气温低、昼夜温差大、紫外辐射强的特点，相较于平原地区，沥青路面在长期使用过程中更易出现低温开裂和疲劳开裂等病害。SBR改性沥青以其优良的低温性能在中国西部高海拔地区得到广泛使用，但高温性能不足限制了其在日温差大的高海拔地区的应用[1-2]。此外，强烈的紫外辐照作用也会加速沥青的老化[3]。为改善SBR改性沥青的高温性能，国内外学者做了大量的研究，取得了一定的成果[4-6]。尹应梅等在SBR改性沥青中添加温拌剂，以改善其高温性能，但效果不佳[7]；孙培等为改善SBR改性沥青的高温性能，选取纳米CaCO3作为改性剂，制备了CaCO3/SBR复合改性沥青，改性后沥青高温性能有所提高，但低温性能有所下降[8]。相关研究表明，经掺加不同剂量TPS改性后的沥青，不仅高温性能提升显著，而且其抗老化性能亦有所提高[9-11]。基于此，本文采用高速剪切法制备TPS-SBR复合改性沥青，拟改善SBR改性沥青的高温性能和耐老化能力，并系统研究复合改性沥青的制备工艺和合理掺量，进而对比分析SBR改性沥青和复合改性沥青的老化性能。

1 试验部分

1.1 原材料

基质沥青为韩国GS90#沥青，SBR改性剂为山东显元化工科技有限公司生产，TPS改性剂为日本良园商事株式会社生产。基质沥青的基本性能指标见表1。

表1 韩国GS90#沥青的技术指标

1.2 主要仪器与设备

主要仪器与设备包括：SYD-2801F针入度试验器，上海昌吉地质仪器有限公司；SYD-2806E全自动沥青软化点试验器，上海昌吉地质仪器有限公司；SYD-4508C沥青延度试验器，上海昌吉地质仪器有限公司；CS 325-B RTF Controller旋转薄膜烘箱，James Cox & Inc； 9300 PAV长期压力老化机，Alloy Fabricators Inc； BMZ-200L高剪切混合乳化机， 上海威广机械制造有限公司；紫外老化加速箱，天津市港源试验仪器厂。

1.3 试验方案

1.3.1 改性工艺的确定

通过研究剪切速率、剪切时间及剪切温度等因素对改性沥青三大指标的影响规律，确定合理的改性工艺。

1.3.2 复合改性沥青的老化性能测试

通过测试GS90基质沥青、SBR改性沥青和TPS-SBR复合改性沥青分别依次经历短期老化、长期压力老化及紫外老化各个阶段的高低温性能，评价其抗老化作用。

1.3.3 紫外老化试验老化时间换算

图1 紫外老化样品

2 结果与讨论

2.1 复合改性沥青的制备工艺

2.1.1 正交试验设计

研究表明[14-16]，制备工艺和改性剂掺量对改性沥青性能均有较明显的影响。本文通过研究剪切速率、剪切温度、剪切时间、发育时间及发育温度对复合改性沥青性能的影响，来确定复合改性沥青的制备工艺。本次试验采用五因素四水平的正交表进行试验。试验一共包含16组，具体试验方案及测试结果如表2、3所示。

2.1.2 正交试验数据处理及分析

根据表4的测试结果，采用正交试验数据处理方法计算各指标极差，结果见表4和图2。

由表4和图2的正交试验结果可知：对复合改性沥青针入度指标而言，剪切速率因素对其影响最大，其他4个因素影响相对较小且影响水平相当；对软化点指标而言，剪切温度和剪切时间因素影响最大；对低温延度而言，剪切温度因素影响最大，其次是发育温度和剪切时间。考虑到本次制备的复合改性沥青以低温性能优良为目标，同时又必须满足规范要求的高温性能，故不考虑剪切速率对复合改性沥青针入度的影响。通过正交试验，以性能目标为导向，确定复合改性沥青制备过程中应该着重考虑剪切温度和剪切时间对其性能的影响。

表2 正交试验因素及水平

表3 正交试验结果

表4 极差分析

图2 因素水平对复合改性沥青针入度、软化点和5 ℃延度的影响

2.2 最佳制备工艺的确定

由正交试验结果分析可知，剪切温度和剪切时间因素对改性沥青高低温性能影响最大，而其他因素影响相对较小。考虑到正交试验简单对比法的不足与局限，分别对剪切温度和剪切时间采用单因素分析法确定改性沥青最佳制备工艺，其他因素控制为：剪切速率5 000 r·min-1、发育时间35 min、发育温度140 ℃。试验结果见表5、6。

表5和表6表明：随着剪切温度升高，改性沥青针入度先增大后减小，软化点先减小后增大，5 ℃延度先增大后减小，当剪切温度为165 ℃时，改性沥青5 ℃延度达到最大值；随着剪切时间延长，改性沥青针入度增大，软化点减小，5 ℃延度先增大后减小，当剪切时间为60 min时，改性沥青各项指标相对较优。故剪切温度确定为165 ℃，剪切时间为60 min。

表5 剪切温度对TPS-SBR复合改性沥青性能指标的影响

表6 剪切时间对沥青性能指标的影响

综上所述，复合改性沥青的制备工艺为：将基质沥青加热到140 ℃±2 ℃，同时加入称量好的SBR和TPS，手动搅拌3 min，溶胀30 min后将温度升至165 ℃，开启高速剪切机，以5 000 r·min-1的转速高速剪切60 min，剪切完成后在140 ℃下搅拌发育35 min至气泡完全消失。

2.3 改性剂最佳掺量

依照上节确定的最佳制备工艺，固定复合改性沥青中SBR掺量分别为沥青的3%和4%(质量分数)不变，改变TPS的掺量，研究相同SBR掺量下添加不同量TPS制得的复合改性沥青路用性能的变化规律，测试结果见表7及图3、4。

表7 不同改性剂掺量下复合改性沥青的三大指标

图3 软化点变化曲线

图4 延度变化曲线

由表7及图3、4可知：TPS-SBR复合改性沥青的软化点随着TPS改性剂掺量的增加而升高，尤其在TPS掺量高于于6%时，这种增长趋势更加突出；TPS-SBR复合改性沥青的低温延度则随着TPS改性剂掺量的增加呈现出先增大后减小再增大的变化趋势。对比分析曲线S1和S2可知，尽管随着TPS改性剂掺量的增加二者都表现出相似的变化趋势，但更高的SBR掺量对应着更优良的低温性能。综合考虑复合改性沥青的高低温性能因素，确定SBR掺量为4.0%，TPS掺量为6.0%

2.4 抗老化性能评价

为探究SBR和TPS两种改性剂对GS90基质沥青改性之后的抗老化性能的提升，本文使GS90基质沥青、SBR改性沥青和TPS-SBR复合改性沥青分别经历短期老化、长期压力老化及紫外老化，并测试它们在各个阶段的高低温性能，评价其抗老化作用。测试结果见图5、6。

图5 老化对沥青软化点的影响

图6 老化对沥青5 ℃延度的影响

由图5可知，随着老化时间的延长，3种沥青的软化点均表现出不同程度的上升，这与实际情况是相符的，沥青路面使用时间增长，老化严重，沥青轻质组分挥发，黏性变大，故高温抗变形能力变好。3种沥青在经历了短期老化以后，软化点变化较小；经历了长期压力老化以后，软化点增幅较大；除了基质沥青，其他2种沥青在经历紫外老化后，软化点均有一定程度的增加，但其影响小于长期压力老化。综合分析可得，几种老化对基质沥青高温性能的影响程度从大到小依次为紫外老化、长期压力老化、短期老化，对SBR改性沥青高温性能的影响程度从大到小依次为长期压力老化、紫外老化、短期老化，对复合改性沥青高温性能的影响程度从大到小依次为长期压力老化、短期老化、紫外老化。由表9可知，GS90基质沥青、SBR改性沥青、TPS-SBR复合改性沥青经历3种老化方式后，其软化点相较于原样沥青分别增加了31.2%、27.2%、18.1%，表明复合改性沥青抗老化能力最优。

表9 老化前后3种沥青的软化点 ℃

表10 老化前后3种沥青的5℃延度 cm

由图6可知，随着老化时间增长，3种沥青的低温延度减小，这表明沥青在老化作用下低温抗变形能力减弱。3种沥青在经历3种老化方式后，低温延度的减幅从大到小依次为紫外老化、长期压力老化、短期老化，表明紫外老化对沥青低温性能影响最大。复合改性沥青低温性能优良，同时经历短期老化、长期老化和紫外老化后，其低温性能同样大幅度降低，但仍高于SBR改性沥青。从表10可知，GS90基质沥青、SBR改性沥青、TPS-SBR复合改性沥青经历3种老化方式后，其5 ℃低温延度相较于原样沥青分别降低了86.4%、83.7%、56.9%，表明相较于SBR改性沥青，TPS-SBR复合改性沥青的抗老化性能尤其是抗紫外老化性能得到了更进一步的提升，有利于增强复合改性沥青在高海拔强辐照山区的适应性。

3 结 语

(1)剪切温度和剪切时间因素对复合改性沥青高低温性能影响较大。TPS-SBR复合改性沥青的最佳制备工艺为：将基质沥青加热到140 ℃，同时加入称量好的SBR和TPS改性剂，手动搅拌3 min，溶胀30 min后将温度升至165 ℃，开启高速剪切机，以5 000 r·min-1的速度高速剪切60 min，剪切完成后在140 ℃下搅拌发育35 min至气泡完全消失。

(2)最佳制备工艺下，复合改性沥青改性剂的合理掺量为SBR4%、TPS6%。

(3)相较于基质沥青，SBR改性沥青的高低温性能均得到一定提升，但其抗老化能力提升有限，而TPS-SBR复合改性沥青的高低温性能优于SBR改性沥青，且其抗老化性能尤其是抗紫外老化性能明显得到了进一步改善。