USP/SBS温拌改性沥青老化性能试验研究

刘梅 韦周帅

【摘要：】为研究USP/SBS温拌改性沥青的抗老化性能是否满足工程需要，文章采用常规试验分析USP掺量变化和老化时间变化对沥青性能影响。结果显示：温拌剂USP显著改善了SBS改性沥青的低温延伸性能，降低了高温稳定性能;无论短期老化还是长期老化均降低了USP/SBS温拌改性沥青的低温性能，提高了其高温性能，长期老化对USP/SBS温拌改性沥青性能劣化更为显著;USP/SBS温拌改性沥青能够抵抗短期老化对高温和低温性能的劣化。总之，USP/SBS温拌改性沥青的低温性能优于SBS改性沥青，具备一定的抗老化能力。

【关键词：】道路工程;SBS改性沥青;USP温拌剂;短期老化;长期老化

U416.03A070214

0 引言

随着世界能源消耗的不断加剧，二氧化碳等气体的排放严重超标，环境加剧恶化，影响了人们的基本生活。温拌技术作为公路行业清洁、环保的施工工艺之一，在国内外得到了良好的推广与应用。但温拌改性材料类型繁多，温拌沥青混合料的应用后续问题也层出不穷，如高低温性能劣化、抗疲劳性能不足，道路的耐久性能和抗老化性能有待进一步验证等。黄卫东等利用DSR试验研究了线型、星型SBS改性沥青的高温性能、蠕变性能等，结果表明SBS掺量、类型对高温性能均存在显著影响，且车辙因子G*/sinδ与动稳定度指标具有良好的相关性[1]。寇长江等研究了SBS改性沥青的高温性能与微观结构之间的关系，提出采用荧光形态学方法建立不同应变、不同剪切频率和剪切时间下蠕变柔量变化规律模型，指出提高SBS改性剂掺量和延长剪切时间能够改善沥青高温流变性能，为SBS改性剂与基质沥青融合状态分析提供了新的思路与方向[2]。祁文洋等采用微观试验分析了SBS改性沥青不同老化时间段内的相态结构、分子链的变化，提出SBS改性沥青存在2个较为显著的老化阶段，均与沥青吸氧速率有关[3]。何亮等研究了Sasobit温拌橡胶改性沥青及沥青混合料的基本性能，指出Sasobit橡胶改性沥青的高温性能优于SBS改性沥青，其混合料高温抗车辙能力也优于SBS改性沥青混合料，有效降低沥青混合料施工温度约20 ℃，且不降低低温性能[4]。王辉等研究了适应于南方湿热地区温拌剂的基本性能，研究选择了5种温拌剂对基质沥青高温、低温性能的影响，结果指出温拌剂EC-120、Sasobit能够显著改善沥青高温性能，较适用于南方多雨地区[5]。李海莲等研究了温拌剂Sasobit、Evotherm改性沥青的老化性能，采用不同液体与沥青相接触角的方法分析不同类型温拌改性沥青老化前后的表面能变化，为温拌改性沥青老化评价提出新的分析方向[6]。

综上所述，对于新型温拌剂USP改性沥青及沥青混合料的研究涉及较少，本文以常用SBS改性沥青为基础，分析USP/SBS改性沥青的基本性能及抗老化性能，为其在实体工程中的推广应用提供良好的技术指导。

1 试验材料

研究选择常规SBS（I-C）改性沥青，温拌剂选择国内某公司生产的表面活性剂类USP产品，试验结果见表1、表2。

2 试验方案

SBS改性沥青为各等级沥青路面常用的胶粘材料，本文选择I-C型开展相关研究，其相关试验方案如下：

（1）USP/SBS改性沥青制备。直接选取成品SBS（I-C）改性沥青，恒温160 ℃加热至流淌状态，采用小型搅拌装置进行USP/SBS加工（每次加工样品约2 kg），USP添加用量分别为4%、8%、12%、16%（占改性沥青质量的百分数），搅拌速率为4 500～6 000 r/min，搅拌约10 min至温拌剂USP完全溶解、搅拌均匀，冷却后供后续试验用。

（2）短期老化试验。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[7]中旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）技术参数与流程制备短期老化温拌改性沥青样品，为研究沥青生产-加热-运输-添加拌和各过程中不同时间段状况，短期老化时间拟为0 h、1 h、3 h、5 h、8 h，其中以5 h为标准老化时间（为长期老化提供样品），USP掺量为8%。

（3）长期老化试验。依据SHRP规范推荐的压力老化试验仪（PAV）试验参数与流程制备长期老化样品，长期老化初始样品以短期老化5 h样品为基准，长期老化时间分别定为0 h、5 h、10 h、20 h、40 h（PAV標准老化参数2.1 MPa、100 ℃、20 h），USP掺量为8%。

（4）优化选择试验方法。国内外常用于评价沥青基本性能指标的参数主要有针入度、软化点、延度、布氏黏度，以及相关感温性参数等，本研究选择针入度、延度、软化点、布氏黏度。参照JTG E20-2011的方法对上述样品进行高温、低温及疲劳性能分析。

3 USP/SBS沥青基本性能分析

沥青的基本性能主要指高温性能、低温性能及温度敏感性，均与沥青混合料路用性能存在直接联系，一般高温性能评价指标有软化点、布氏黏度、当量软化点，低温性能指标有25 ℃针入度、5 ℃延度及当量脆点等，本文采用上述部分指标进行试验，结果见图1～3。

由图1～3可知：

（1）温拌剂USP对沥青的高温性能、低温性能均具有显著影响，随USP掺量的增加，针入度、延度均呈增加趋势，当量脆点、软化点和当量软化点呈下降趋势，掺量越大对各项性能指标影响越显著。如掺量0～16%范围内，针入度变化了3.2%～63.2%，延度变化了7.7%～66.9%，软化点变化了-1.8%～-17.1%，当量脆点变化了-16.2%～-42.3%。说明温拌剂USP能够改善SBS改性沥青的低温延伸性能，且随掺量的增加，改善效果越显著;但对SBS改性沥青的高温性能具有劣化作用，随掺量的增加劣化越明显。USP材料为表面活性剂类，与SBS改性沥青混合后改变了其网状结构，如在低温环境下SBS分子链开始断裂，而USP改性剂能够重新促进断裂分子链进行连接，进而改善了低温延伸性能，同时降低了高温性能。F9B57ECE-6143-440D-9FE3-977D76C47B17

（2）软化点和当量软化点的变化范围相接近，二者差值最大为4.1%，最小为1.1%，研究显示软化点评价改性沥青的高温性能具有一定的差异性，但当量软化点对高温性能评价更为精确合理。由此说明，表面活性剂类材料USP对SBS改性沥青高温性能存在一定的劣化效果。

4 短期老化对USP/SBS改性沥青性能的影响

（1）短期老化对USP/SBS改性沥青的低温性能影响见图4～6。由图4～6可知，短期老化后，SBS改性沥青、USP/SBS改性沥青的低温性能均降低了，随短期老化时间的延长，针入度、延度呈下降趋势，当量脆点呈增加趋势，且USP/SBS改性沥青的针入度值、延度值均高于SBS改性沥青，老化时间对SBS改性沥青的低温性能劣化程度高于USP/SBS改性沥青，如两种沥青的针入度在老化8 h后的下降率分别为29.6%和24.6%（与未老化相比），延度下降了55.1%和49.9%。说明短期老化降低了沥青的低温性能，由于沥青中轻质组分的挥发，沥青质和胶质组分增加，沥青低温脆性增加，尤其对低温延度指标的劣化更为显著，其次USP/SBS改性沥青受短期老化作用后的低温性能优于SBS改性沥青。

（2）短期老化对USP/SBS改性沥青的高温性能影响见图7～9。由图7～9可知，短期老化对沥青的高温性能有明显影响，随老化时间增加，SBS改性沥青、USP/SBS改性沥青的软化点、当量软化点和布氏黏度均呈增加趋势，当量软化点、布氏黏度与老化时间均呈拟合良好的线性关系，相关系数达到92%以上，且SBS改性沥青的高温性能指标均高于USP/SBS改性沥青，如短期老化时间1 h后，两种沥青的软化点指标分别增加了2.7%和2.9%，8 h后分别增加了13.5%和10.7%（与未老化沥青相比）。老化时间8 h后，当量软化点指标分别增加了18.1%和15.2%，布氏黏度指标分别增加了55.3%和47.2%。因此，短期老化的时间变化对SBS改性沥青的高温性能影响更为显著，而软化点指标和当量软化点指标的变化范围相接近，布氏黏度的变化范围最大，影响更为明显（影响程度变化范围达到42%）。

5 长期老化对USP/SBS改性沥青性能的影响

（1）长期老化对USP/SBS改性沥青的低温性能影响见下页图10～12。分析发现：长期老化后沥青的低温性能劣化程度更为显著，随老化时间增加，针入度、延度呈急剧下降趋势，当量脆点也呈下降趋势。如SBS和USP/SBS改性沥青的针入度在老化40 h后的下降率分别为68.0%和61.4%（与未老化相比），延度下降了76.7%和82.4%，当量脆点下降了14.7%和10.4%，说明长期老化后两种改性沥青的低温性能显著劣化，与短期老化相比，下降程度更为严重。另外，从延度指标来看，长期老化5 h后，两种沥青分别下降了59.7%和61.7%，10 h后分别下降了65.7%和71.7%，说明在老化5 h后，延度指标已不再显著变化，且两种沥青的差距越来越小。USP/SBS温拌改性沥青的长期老化表明老化改变了沥青分子结构，四组分发生显著改变，沥青进一步变硬变脆，低温性能严重劣化下降，尤其对于低温延伸性能，温拌改性沥青的优势也不再突出。

（2）长期老化对USP/SBS改性沥青的高温性能影响见图13～15。分析发现：与沥青低温性能变化相反，长期老化后，两种沥青的高温性能显著改善，随老化时间的延长，软化点、当量软化点和布氏黏度均呈增加趋势，其中两种沥青当量软化点、布氏黏度指标的差异随老化时间增加呈逐漸增加状态。SBS改性沥青的各项高温指标均优于USP/SBS改性沥青，如老化40 h后，软化点指标分别增加了21.3%和20.7%（与未老化相比），当量软化点指标增加了29.1%和29.8%，说明40 h后的长期老化对两种沥青的高温性能改善效果相一致。3种高温性能指标中，布氏黏度指标受老化影响最为显著，老化40 h后分别增加了235.1%和224.1%。

6 结语

（1）温拌剂USP显著改善了SBS改性沥青的低温延伸性能，降低了高温稳定性能，随温拌剂USP掺量的增加，针入度、延度均呈增加趋势，当量脆点、软化点和当量软化点呈下降趋势，掺量越大对各项基本性能影响越显著。

（2）短期老化降低了USP/SBS温拌改性沥青的低温性能，提高了其高温性能，随老化时间增加，针入度、延度指标呈下降趋势，软化点、当量软化点和布氏黏度均呈增加趋势;此外，USP/SBS温拌改性沥青能够抵抗短期老化对高温和低温性能的劣化，短期老化对SBS改性沥青高温性能的改善效果较为显著。

（3）长期老化对USP/SBS温拌改性沥青的低温性能、高温性能影响更显著。随老化时间增加，针入度、延度呈急剧下降趋势，软化点、当量软化点和布氏黏度均呈增加趋势。此外，延度指标经过长期老化5 h后已不再显著变化，且两种沥青的差距越来越小，而两种沥青的当量软化点、布氏黏度指标间的差异随老化时间增加逐渐呈增加趋势。

参考文献：

[1]黄卫东，郑 茂，唐乃膨，等.SBS改性沥青高温性能评价指标的比较[J].建筑材料学报，2017，20（1）：139-144.

[2]寇长江，肖 鹏，康爱红，等.SBS改性沥青高温流变性能与相态结构的关系[J].材料科学与工程学报，2017（6）：136-142.

[3]祁文洋，李立寒，张明杰，等.SBS改性沥青的阶段性老化特征与机理[J].同济大学学报（自然科学版），2016，44（1）：95-99.

[4]何 亮，凌天清，马 育，等.Sasobit温拌橡胶沥青及混合料高温蠕变特性[J].长安大学学报（自然科学版），2015，35（6）：16-23.

[5]王 辉，刘国俊，向军威.湿热地区温拌沥青的性能与选择[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2017，14（2）：14-19.

[6]李海莲，李 波，王起才，等.基于表面能理论的老化温拌SBS改性沥青结合料的粘附性[J].材料导报，2017，31（16）：129-133.

[7]JTG E20-201 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].F9B57ECE-6143-440D-9FE3-977D76C47B17