SBS改性沥青在循环加热储存过程的性能衰减和提升研究

2022-04-04秦成林董夫强陈沅淇

公路工程 2022年1期

秦成林，董夫强，李洋，董浩，陈沅淇，闫烨

(河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

1 概述

SBS改性沥青由于其优异的高温性能、低温性能和温度敏感性能被广泛运用[1]，其性能的老化规律、老化机理和性能提升措施是国内外学者的重要研究方向。相对于基质沥青，SBS改性沥青老化源自SBS改性剂和沥青自身的老化[2]。张争奇[3]等通过改变改性剂的种类研究SBS改性沥青经老化后的高低温性能，发现两者的相容性影响效果大；王寿治[4]等通过研究沥青老化前后化学结构的变化情况，分析沥青的老化机理；AIREY[5]等研究并对比了SBS改性沥青和基质沥青在经过老化处理后性能指标的变化规律，发现两者的变化情况是不一致的；部分学者研究并规范了SBS改性沥青的短期和长期模拟老化实验和性能的变化情况[6-10]。但对于实体工程中的SBS改性沥青在循环加热储存过程的性能衰减规律和恢复措施还有待研究。

经调研发现，SBS改性沥青在使用过程中出现循环加热的储存情况。目前，养护单位的日常养护施工时长以5～6 h为主，加热温度为160 ℃～180 ℃。如果第2天继续施工，温度会降至150 ℃左右；如果超过3 d不施工，温度会降至130 ℃左右；如果超过6 d不施工，将关闭沥青储存罐的加热设备，让沥青储存罐自然降温，以防止沥青过度老化。同时，50 m3的卧式沥青储存罐的储存量仅能够供应养护单位5 h施工时长3次。

本文针对SBS改性沥青在循环加热储存后的性能衰减和恢复进行研究，结合室内试验，测定循环加热储存老化前后SBS改性沥青三大指标、布氏旋转黏度和离析的衰减情况；同时，以自主研发的RE高黏改性剂作为恢复剂，研究并验证恢复剂对不同工况下的SBS改性沥青和SMA-13沥青混合料性能的恢复效果。

2 原材料与试验

2.1 原材料

2.1.1SBS改性沥青

SBS改性沥青源自南通通沙沥青厂，其指标参数如表1所示，属于SBS类(I-D类)改性沥青。SBS改性沥青源自南通通沙沥青厂，其三大指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青的指标参数Table 1 Properties of SBS-modified asphalt类别针入度(25 ℃)/0.1 mm软化点/℃延度(5 ℃)/cm布氏旋转黏度(135 ℃)/(Pa·s)离析/℃数值53.188.032.852.481.0规范值30～60≥60≥20—≤2.5

2.1.2恢复剂

为使老化后的SBS改性沥青的性能得到一定程度恢复，选用自主研发的RE高黏改性剂作为恢复剂。

2.2 试验方法

2.2.1三大指标测定

软化点、针入度和延度按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)标准进行测定。

2.2.2布氏旋转黏度测定

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的T 0625—2011标准进行测试，采用美国Brookfield自动旋转黏度计测定在135 ℃恒温1～1.5 h后的沥青。

2.2.3离析测定

采用SH/T 0660方法进行评价:用1个直径2.54 cm，高14 cm上部开口的薄壁圆柱管，装入50 g改性沥青后，将开口封闭，垂直放于163.5 ℃的烘箱中恒温48 h，取出后迅速放入冰箱中冷冻4 h，之后立即将其切为3段，用上下2段改性沥青分别进行软化点试验，计算2段软化点差为离析试验结果。

2.2.4混合料试验

沥青混合料性能试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)标准进行测定，具体表2所示。

2.3 储存工况的设计

综合实际施工情况，针对循环加热的储存情况，设计了4种典型的存储工况，具体如表3所示。

表2 沥青混合料试验清单Table 2 Test list of asphalt mixture混合料性能试验名称指标参考标准低温性能弯曲试验破坏应变T 0715-2011高温性能车辙试验动稳定度T 0719-2011水稳定性能马歇尔稳定度试验残留稳定度T 0710-2011

表3 循环加热储存工况及编号Table 3 Cycle heating storage conditions and serial numbers典型加热储存工况编号160 ℃储存5 h,之后150 ℃储存19 h为一个循环,循环3次A160 ℃储存5 h,之后150 ℃储存19 h+2 d为一个循环,循环3次B160 ℃储存5 h,之后130 ℃储存19 h+5 d为一个循环,循环3次C160 ℃储存5 h,之后降温至60 ℃以下为一个循环,循环3次 D

3 试验结果与讨论

3.1 沥青性能衰减规律研究

3.1.1针入度

测试各种工况下循环加热储存不同次数后的SBS改性沥青的针入度，结果如表4和图1所示。

表4 SBS改性沥青的针入度变化情况Table 4 Changes of penetration of SBS-modified asphalt工况不同循环加热次数的针入度/(0.1 mm)原样1次2次3次衰减比例/%A53.150.350.246.812B53.147.543.440.524C53.148.547.343.718D53.152.750.348.010规范要求≥30—

图1 SBS改性沥青的针入度变化情况

根据表4和图1的试验结果可知，在相同工况下，沥青针入度的衰减情况与加热储存次数正相关，即存储次数越多，针入度衰减越严重。另外，对比不同工况试验结果可知：

a.对比工况A和工况D，相同循环加热次数下，工况A的沥青针入度的衰减高于工况D，表明储存温度越高，针入度衰减越严重。

b.对比工况A和工况B，相同循环加热次数下，工况B的沥青针入度的衰减高于工况A，表明储存时间越长，针入度衰减越严重。

c.对比工况B和工况C，相同循环加热次数下，工况B的沥青针入度的衰减高于工况C，表明储存温度对沥青针入度的影响强于储存时间的影响。

总体而言，循环加热次数的增加和不同循环加热储存工况之间的温度越高、时间越长，SBS改性沥青针入度降低幅度越大，且储存温度对沥青针入度的影响强于储存时间的影响。在3次循环加热之后，针入度的衰减情况大小为工况B>C>A>D，分别降低1.26、0.94、0.63、0.51 mm，分别降低了原样的24%、18%、12%、10%。4种工况下的针入度均保持在规范要求的3.00 mm以上[11]，表明循环加热储存对针入度的影响较小。

3.1.2软化点

测试各种工况下循环加热储存不同次数后的SBS改性沥青的软化点，结果如表5和图2所示。

表5 SBS改性沥青的软化点变化情况Table 5 Changes of softening point of SBS-modified asphalt工况不同循环加热次数的软化点/℃原样1次2次3次衰减比例/%A88.086.986.182.46B88.083.28078.211C88.085.981.380.19D88.087.185.584.64规范要求≥60—

图2 SBS改性沥青的软化点变化情况

根据表5和图2的试验结果可知，软化点与前文的针入度衰减规律相似，即循环加热次数的增加和不同循环加热储存工况之间的温度越高、时间越长，SBS改性沥青软化点降低幅度越大，且储存温度对沥青软化点的影响强于储存时间的影响。

在3次循环加热之后，软化点的衰减情况大小为工况B>C>A>D，分别降低9.8 ℃、7.9 ℃、5.6 ℃、3.4 ℃，分别降低了原样的11%、9%、6%、4%。4种工况下的软化点均保持在规范要求的60 ℃以上[11]，表明循环加热储存对针入度的影响较小。

3.1.3延度

测试各种工况下循环加热储存不同次数后的SBS改性沥青的延度，结果如表6和图3所示。

表6 SBS改性沥青的延度变化情况Table 6 Changes of ductility of SBS-modified asphalt工况不同循环加热次数的延度/cm原样1次2次3次衰减比例/%A32.8530.727.9624.6525B32.8525.4418.8615.4253C32.8527.2319.9917.646D32.8531.1529.3726.7119规范要求≥20.00

图3 SBS改性沥青的延度变化情况

根据表6和图3的试验结果可知，延度与前文的软化点和针入度衰减规律相似，即循环加热次数的增加和不同循环加热储存工况之间的温度越高、时间越长，SBS改性沥青延度降低幅度越大，且储存温度对沥青延度的影响强于储存时间的影响。

在3次循环加热之后，延度的衰减情况大小为工况B>C>A>D，分别降低17.43、15.25、8.20、6.14 cm，分别降低了原样的53%、46%、25%、19%。4种工况下，工况A和工况D的针入度均保持在规范要求的20 cm以上[11]，工况B和工况C均低于规范要求，表明循环加热储存对延度的影响较大。

3.1.4布氏旋转黏度

测试各种工况下循环加热储存不同次数后的SBS改性沥青的布氏旋转黏度，结果如表7和图4所示。

表7 SBS改性沥青的布氏旋转黏度变化情况Table 7 Changes of rotational viscosity of SBS-modified asphalt工况不同循环加热次数的黏度/(Pa·s)原样1次2次3次衰减比例/%A2.482.412.342.259B2.482.272.061.9521C2.482.332.122.0617D2.482.452.372.278规范要求——

图4 SBS改性沥青的布氏旋转黏度变化情况

根据表7和图4的试验结果可知，布氏旋转黏度与前文的沥青三大指标衰减规律相似，即循环加热次数的增加和不同循环加热储存工况之间的温度越高、时间越长，SBS改性沥青布氏旋转黏度降低幅度越大，且储存温度对沥青布氏旋转黏度的影响强于储存时间的影响。

在3次循环加热之后，布氏旋转黏度的衰减情况大小为工况B>C>A>D，分别降低0.530、0.420、0.230、0.210 Pa·s，分别降低了原样的21%、17%、9%、8%。整体而言，循环加热储存对布氏旋转黏度的影响较小。

3.1.5离析

测试各种工况下循环加热储存不同次数后的SBS改性沥青的离析，结果如表8和图5所示。

表8 SBS改性沥青的离析变化情况Table 8 Changes of rotational segregation of SBS-modified asphalt工况不同循环加热次数的离析/℃原样1次2次3次衰减比例/%A1.01.31.71.990B1.01.82.63.0200C1.01.72.32.7170D1.01.41.92.0100规范要求≤2.5—

图5 SBS改性沥青的离析变化情况

根据表7和图4的试验结果可知，离析与前文的沥青三大指标和布氏旋转黏度衰减规律相似，即循环加热次数的增加和不同循环加热储存工况之间的时间越长，SBS改性沥青离析程度越严重，且储存温度对沥青离析的影响强于储存时间的影响。但对比工况A和工况D发现，相同循环加热次数下，工况D的沥青离析的衰减高于工况A，储存温度高，离析增加量越小，但2种工况差异不大，说明循环加热储存温度对离析影响较小。

在3次循环加热之后，离析的增长情况大小为工况B>C>D>A，分别增加了2.0 ℃、1.7 ℃、1.0 ℃、0.9 ℃，分别降低了原样的200%、170%、100%、90%。其中，工况B和工况C的离析超过规范要求的2.5 ℃[11]。整体而言，循环加热储存对离析的影响较大。

3.1.6指标影响程度分析

为分析循环加热储存对SBS改性沥青指标的影响程度，将循环加热储存3次后的三大指标、布氏旋转黏度和离析结果进行汇总，结果如表9所示。

根据表9的试验结果可知，循环加热储存对延度和离析的影响程度最为严重，循环加热储存3次后，工况B和工况C均不满足标准要求；而对于针入度、软化点和布氏旋转黏度指标，虽有一定程度衰减，但均控制在标准要求范围内。因此，在SBS改性沥青在经历多次循环加热储存后，应重点关注延度和离析的变化情况。

表9 SBS改性沥青的指标影响程度分析Table 9 Analysis on the index influence degree of SBS-modified asphalt工况各指标影响程度/%针入度软化点延度旋转黏度离析A12625990B24115321200C1894617170D104198100规范满足情况均满足均满足工况A、D满足,工况B、C不满足—工况A、D满足,工况B、C不满足

3.2 性能恢复研究

3.2.1SBS改性沥青性能恢复研究

为对进行循环加热储存老化后的SBS改性沥青的性能进行恢复，选用自主研发的RE高黏改性剂作为恢复剂，掺入至各工况循环加热3次后的SBS改性沥青中，测试并对比老化前、老化后的SBS改性沥青的性能恢复情况，进而评价RE高黏改性剂对沥青性能的恢复效果。其中，恢复剂的掺入量为沥青质量分数的5%，试验结果如表10和图6～图9所示。

根据表10和图6～图9的试验结果可知，向循环加热储存3次后的SBS改性沥青中掺入恢复剂，其三大指标、布氏旋转黏度和离析均得到不同程度的恢复，且均达到规范要求范围。其中，延度恢复最为明显，均超过原样，说明恢复剂对SBS改性沥青的韧性恢复效果显著；另外，对于工况A和工况D，掺入恢复剂后，沥青的软化点均过原样，离析恢复至与原样相同；对于工况B和工况C，沥青的软化点和离析也基本达到原样水平，说明恢复剂对SBS改性沥青的软化点和离析的恢复效果同样显著。结合前文SBS改性沥青性能的衰减规律，循环加热储存主要对延度和离析的影响较大，表明恢复剂能有效恢复SBS改性沥青在循环加热存储过程中的性能衰减。

表10 SBS改性沥青性能恢复效果Table 10 Recovery effect of properties of SBS modified asphalt工况沥青类型针入度/(0.1 mm)软化点/℃延度/cm布氏黏度/(Pa·s)离析/℃原样53.188.032.852.4801.0SBS改性沥青老化后46.882.424.652.2501.9A性能恢复后51.290.440.622.8201.0恢复效果(%)8.3 9.1 48.6 23.0 90.0 SBS改性沥青老化后40.578.215.421.9503.0B性能恢复后44.184.734.382.5101.6恢复效果(%)6.8 7.4 57.7 22.6 140.0SBS改性沥青老化后43.780.117.602.0602.7C性能恢复后47.787.335.502.6201.4恢复效果(%)7.5 8.2 54.5 22.6 130.0 SBS改性沥青老化后48.084.626.712.2702.0D性能恢复后52.692.842.452.8401.0恢复效果(%)8.7 9.3 47.9 23.0 100.0

图6 工况A沥青性能恢复结果

图7 工况B沥青性能恢复结果

图8 工况C沥青性能恢复结果

图9 工况D沥青性能恢复结果

为进一步比较恢复剂对沥青指标的影响效果，将不同工况下的沥青指标恢复效果进行统计分析，结果如图10所示。

图10 不同工况下的沥青性能恢复效果对比

根据图10可知，4种工况下，恢复剂均表现出相同的变化趋势，即延度和离析恢复提升效果明显，针入度、软化点和布氏旋转黏度的恢复效果一般。另外，恢复剂对各工况下沥青的针入度、软化点、延度和布氏旋转黏度的恢复效果基本相同；但对于离析，工况B和工况C的恢复效果相近且远高于工况A和工况D，高出近40%。

3.2.2沥青混合料性能恢复研究

选用原样SBS改性沥青、循环加热储存3次后的SBS改性沥青以及循环加热储存3次后并掺入恢复剂的沥青，分别拌和SMA-13沥青混合料。测试并对比3种沥青混合料的低温、高温、水稳定性能，分析并验证恢复剂对沥青混合料的恢复效果，结果如表11和图11～图14所示。

表11 沥青混合料性能恢复情况Table 11 Recovery results of properties of asphalt mixture工况沥青类型破坏应变/με动稳定度/(次·mm-1)残留稳定度/%原样3 4944 02888.7SBS改性沥青老化后2 8703 94585.2A工况性能恢复后4 6975 20891.0恢复效果52.3%31.4%6.5%SBS改性沥青老化后2 3073 08672.9B工况性能恢复后3 6544 25785.3恢复效果38.6%29.1%14.0%SBS改性沥青老化后2 2483 21774.3C工况性能恢复后3 7474 45187.8恢复效果42.9%30.6%15.2%SBS改性沥青老化后2 9914 18286.1D工况性能恢复后4 8105 57489.8恢复效果52.1%34.6%4.2%

图11 工况A沥青混合料性能恢复结果

图12 工况B沥青混合料性能恢复结果

图13 工况C沥青混合料性能恢复结果

图14 工况D沥青混合料性能恢复结果

根据表11和图11～图14的试验结果可知，对比未经储存的SBS改性沥青，经循环加热储存3次后的沥青拌合形成的混合料性能得到一定程度的衰减。其中，破坏应变衰减最为严重，工况A、B、C、D分别衰减了原样的17.9%、34.0%、35.7%、14.4%；对于动稳定度，工况B、C衰减严重，分别衰减了原样的23.4%、20.1%，工况A、D基本保持原水平；对于残留稳定度，工况B、C衰减严重，分别衰减了原样的17.8%、16.2%，工况A、D基本保持原水平，说明循环加热次数的增加和不同循环加热储存工况之间的时间越长，沥青混合料性能衰减越严重。整体而言，在SBS改性沥青经工况B、C的处理后，沥青混合料的破坏应变、动稳定度、残留稳定度均达到明显衰减；而经过工况A、D处理后，仅仅是沥青混合料的破坏应变得到衰减，动稳定度、残留稳定度基本保持原水平。

向循环加热储存3次后的SBS改性沥青中掺入恢复剂，相对于未掺入恢复剂的试样，所制备沥青混合料破坏应变、动稳定度、残留稳定度均得到一定程度恢复。其中，破坏应变和动稳定度超过原样水平，残留稳定度恢复至原样水平。试验结果表明恢复剂能恢复各工况老化后的SBS改性沥青所拌合混合料性能。

为进一步比较恢复剂对沥青混合料性能的影响效果，将不同工况下的恢复效果进行统计分析，结果如图15所示。

由图15结果可知，整体而言，恢复剂对沥青混合料的低温性能恢复效果最为明显，高温性能次之，水稳定性能最差。同时，对于不同工况下，恢复剂对沥青混合料的低温性能(破坏应变)和水稳定性能(残留稳定度)恢复效果存在明显差异，高温性能(动稳定度)差异不大。另外，恢复剂对工况A和工况D的恢复效果相近，对工况B和工况C的恢复效果相近；相对于工况B和工况C，恢复剂对工况A和工况D的低温性能(破坏应变)恢复效果更佳，对水稳定性能(残留稳定度)恢复效果较差。