基于DSR的不同SBS改性沥青高温流变性能分析

2024-01-02廖春花杨忠良

湖南交通科技 2023年4期

汪海, 苏怡, 周钊, 廖春花, 程承, 杨忠良

(1.贵州省水城公路管理局，贵州六盘水 553000； 2.西南林业大学土木工程学院，云南昆明 650224；3.云南省临沧市气象局，云南临沧 677099)

道路建设的快速发展和交通量的不断增加，对沥青路面质量提出了更高的要求，普通沥青的技术性质已难以满足。SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，既具有橡胶的弹性性质，又有树脂的热塑性性质[1]。可按嵌段比(S/B)对其进行分类，不同嵌段比的SBS自身性质不同，嵌段比中S是聚苯乙烯链段，给改性材料提供足够的强度；B是聚丁二烯链段，给材料提供了良好的弹性性能[2]。也可按结构分类，一般分为线型和星型2种[3]。SBS作为沥青改性剂可提高沥青的高温稳定性和低温抗裂性，因而SBS改性沥青的应用越来越广泛，但不同SBS嵌段比、结构类型、生产厂家和掺量下，SBS对沥青的改性效果有所区别[4]。

针对不同SBS的改性问题，研究人员已做过一些研究，如利用不同种类的SBS对沥青进行改性，通过常规试验发现相同掺量下，SBS的嵌段比越低，对沥青的变形恢复能力改善效果越好，短期老化后星型SBS比线型SBS的抗老化能力好[5]。对不同嵌段比的SBS改性沥青进行动态力学性能测试，得到沥青路面可以针对不同铺筑需要有目的地选用不同S/B制备的改性沥青[6]。采用2种不同的SBS(791，792)研究S/B不同对改性沥青分散形态与性能的影响，结果表明S/B高的SBS改性沥青针入度较小；SBS掺量低于5%时，S/B低的改性沥青软化点高；超过5%后S/B高的改性沥青软化点则较高，S/B低的改性沥青弹性恢复率较好[7]。

综上可知，不同类型SBS对沥青性能的改善作用不同，但对不同类型SBS高温流变性能及抗疲劳差异性的影响研究尚不完善。因此，本研究选用不同类型、不同厂家的4种SBS制备改性沥青，通过旋转薄膜加热试验(RTFOT)、温度扫描、频率扫描、多应力重复蠕变(MSCR)和线性振幅扫描(LAS)试验方法，探究不同SBS类型对改性沥青高温流变性能的影响，并基于Burgers模型及VECD模型，分别对不同类型SBS的黏弹分量及抗疲劳特性进行分析，以期为合理选择SBS类型作理论参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1基质沥青

本文所用沥青为韩国SK70#基质沥青，其技术指标达到规范相应技术要求(见表1)。

表1 基质沥青技术指标类别针入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)软化点/℃延度/cm测试值65.446.6>150规范限值60～80>46>100规范方法T 0604T 0606T 0605

1.1.2SBS改性剂

试验采用的聚合物改性剂为中石化岳阳巴陵石化公司提供的线型SBS改性剂(YH-792)和星型SBS改性剂(YH-815)，以及惠州李长荣橡胶公司提供的线型SBS改性剂(3456)和星型SBS改性剂(1475)，其外观均呈白色立柱状，4种改性剂的嵌段比见表2。

表2 SBS改性剂技术指标结构聚合物名称嵌段比(S/B)线型YH-79240/60345630/70星型YH-81540/60147530/70

1.2 SBS改性沥青的制备

SBS改性沥青的制备步骤如下：①首先将基质沥青置于120 ℃的烘箱中，加热基质沥青至流动状态；②将基质沥青放置于170 ℃的油浴锅中，利用高速剪切机先在转速为500 r/min下缓慢加入4%掺量(占沥青质量分数)的SBS，再以6 000 r/min的剪切速率剪切1 h，使SBS改性剂分散到沥青中；③最后在170 ℃恒温下发育1 h以脱除气泡，在相同步骤下制得4种不同结构相同掺量的SBS改性沥青，制备流程如图1所示。以基质沥青作为对比试样，各试样分别命名如下：基质沥青160 ℃剪切1 h为SK70；4%的YH-792型SBS改性沥青170 ℃剪切1 h、发育1 h为SK70+4%SBS1；4%的YH-815型SBS改性沥青170 ℃剪切1 h、发育1 h为SK70+4%SBS2；4%的1475型SBS改性沥青170 ℃剪切1 h、发育1 h为SK70+4%SBS3；4%的3456型SBS改性沥青170 ℃剪切1 h、发育1 h为SK70+4%SBS4。

图1 SBS改性沥青的制备

1.3 试验方法

1.3.1沥青短期老化试验

采用旋转薄膜加热试验(RTFOT)模拟沥青短期老化。按照SH/T 0736的试验方法，取质量为(35±0.5)g的沥青试样进行测试，烘箱的温度控制在(163±0.5)℃，对试样进行85 min和5 h不同程度的老化，再对样品进行相关性能测试。

1.3.2流变性能试验

1.3.2.1 温度扫描

利用温度扫描可以得到固定频率下沥青材料随着温度增长的复数模量(G*)及相位角(δ)变化情况，得到的车辙因子(G*/sinδ)可用于评价材料的高温抗变形能力。采用控制应变模式，夹具选用直径为25 mm的平行板，间距取1 mm，在46～82 ℃温度范围内对沥青试件进行扫描，控制加载应变老化前12%、老化后10%，加载频率为10rad/s，采样间隔为6 ℃。

1.3.2.2 频率扫描

频率扫描试验夹具及试样与温度扫描试验相同，采用控制应变模式，在30～90 ℃温度下对沥青试件进行扫描，目标应变值为老化前12%、老化后10%，加载频率为0.1～100 rad/s，采样间隔为10 ℃。试验测得的黏弹性参数(储存模量、损失模量、相位角和动态剪切黏度等)可以用来判定SBS改性沥青的相容性[8-9]。

1.3.2.3 多应力重复蠕变(MSCR)试验

MSCR试验分2个阶段，第1阶段施加0.1kPa的应力，加载1s，卸载9 s，重复次数10次；第2阶施加3.2 kPa的应力，重复上述步骤。2个加载应力之间不间断，共20次循环，整个试验共耗时200 s。参考AASHTO MPl9-10分级标准的要求，试验温度选择64 ℃，采用直径为25 mm的平行板夹具，试样厚度取1 mm。

1.3.2.4 线性振幅扫描(LAS)试验

依据AASHTO TP-101-12，采用动态剪切流变仪进行LAS试验，试验采用的温度为25 ℃，夹具选用8 mm的震荡板，其间距取2 mm。在试验中，先对样品进行频率扫描，然后进行线性振幅应变扫描试验。将样品在0.1%应变下，0.2～30 Hz频率范围内进行频率扫描，再进行线性振幅扫描，采用控制应变的加载方式，扫描时间为300 s，在试验期间，加载的正弦波荷载振幅从0.1%线性增加到30%。根据流变特性和振幅扫描结果计算疲劳抗力，定义疲劳失效准则Df为疲劳破坏D达到初始|G*|sinδ的35%，如式(1)所示。疲劳寿命通过式(2)预测。

(1)

Nf=A35(γmax)B

(2)

2 结果与分析

2.1 温度扫描分析

以沥青不同温度下的复数模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ评价其高温抗车辙能力，车辙因子越大，表明沥青路面在高温条件下越不易产生车辙变形，即沥青的高温性能越好[11]。各SBS改性沥青温度扫描结果如图2所示。由图2可以看出基质沥青和各SBS改性沥青试样的G*随着温度增加而不断降低，而δ则不断增加。同一温度下，加入SBS后其G*较基质沥青大大提高，同时δ降低，这是由于加入SBS改性剂，增加了沥青的弹性，从而改善了高温性能。经不同程度老化后，整体上SK70+4%SBS2(星型)的G*均大于其他沥青，且δ均低于其他沥青，说明其高温性能最好；其次为SK70+4%SBS1(线型)、SK70+4%SBS4(线型)、SK70+4%SBS3(星型)。前两者嵌段比(SB=40/60)大于后两者(SB=30/70)，出现该结果的原因是聚苯乙烯含量较多的SBS分子链段较硬，掺入后能够提高改性沥青的抗变形能力。因此，相同SBS结构和掺量情况下，嵌段比越大，其高温抗变形性能越好。

(a)未老化

(b)老化85 min

(c)老化 5 h

随着沥青的老化，沥青的复数模量会增大，因此为评价SBS对沥青是否具有抗老化效果，可采用老化指数来评价沥青的老化程度和表征改性沥青的抗老化性能。基于此，本研究采用相位角老化指数δAI来反映沥青的老化情况，其计算如式(3)所示,δAI越大则表明沥青老化程度越小[12]。

(3)

式中：δ1为沥青老化前相位角；δ2为沥青老化5 h后的相位角。

基质沥青和SBS改性沥青试样在不同温度下相位角老化指数δAI变化规律如图3所示。由图3可以看出，4种SBS改性沥青的δAI基本都大于基质沥青，说明SBS改性剂中的聚丁二烯基发生降解，同时，沥青中的沥青质有利于抑制SBS降解，因此，SBS改性沥青的抗老化性能较基质沥青好。此外，4种SBS改性沥青的δAI大小为：SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS4，表明嵌段比越大的SBS，其抗老化性能越好。

图3 SBS改性沥青的相位角老化指数

2.2 多应力重复蠕变(MSCR)分析

根据试验结果绘制出0.1、3.2 kPa应力水平下应变随时间的变化曲线，对不同沥青之间的变化曲线进行对比分析，其中应变随时间变化如图4所示。

图4 SBS改性沥青的蠕变恢复曲线

由图4可见：老化前，0.1、3.2 kPa应力水平下SBS改性沥青的累积应变显著小于基质沥青，对比不同类型的SBS改性沥青可知，SK70+4%SBS2的累积应变最小，SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS4的总应变均较低且相近，而基质沥青和SK70+4%SBS3均较高。对于短期老化后的改性沥青试样，仍然是SK70+4%SBS2具有最小的累积应变，然后依次为SK70+4%SBS1、SK70+4%SBS4、SK70+4%SBS3和SK70。高温条件下的累积应变越小，高温抗变形能力越好[14-15]，由此可知，SK70+4%SBS2在各试验条件组合下均表现出最优的高温抗变形能力，表明相同嵌段比下，星型结构的SBS改性沥青弹性恢复能力优于线型SBS，这可能是由于星型SBS相对分子质量高，弹性模量比线型SBS高[16]。此结果与DSR测试结果具有很好的一致性。

通过Burgers模型对MSCR试验结果进行分析，Burgers模型是一种广泛应用的黏弹性力学模型，它能更好地反映沥青材料的黏弹性性能[17]。黏弹性模型可以响应黏弹性材料的瞬时弹性应变、黏弹性应变和黏性应变。本文研究采用恒定应力的蠕变载荷模式，Burgers蠕变方程如式(4)所示[18]：

(4)

黏弹性沥青材料在蠕变载荷下的蠕变弹性一般分为3个部分，如式(5)所示:

J(t)=Je+Jev(1-e-t/Jev)+Jv

(5)

式中：Je=1/Em为瞬时弹性部分；Jev=ηk/Ek为延迟弹性部分；Jv=t /ηm为黏性部分。

根据伯格斯模型对四参数进行拟合，可以对MSCR试验中蠕变恢复过程中沥青的瞬时弹性部分、延迟弹性部分和黏性部分进行比较分析(见图5)。

图5 SBS改性沥青的黏弹性成分比较

由图可以看出，老化前，在应力水平为0.1kPa时，SK70+4%SBS1的瞬时弹性部分最大，但在3.2 kPa应力水平下，除SK70+4%SBS3和SK70+4%SBS4外，沥青样品的延迟弹性部分均明显降低，说明应力水平是分析SBS改性沥青蠕变恢复过程中黏弹性成分的关键。老化5 h后，所有沥青试样的延迟弹性部分均增加，瞬时弹性部分整体上降低，但SBS改性沥青的瞬时弹性部分比基质沥青大，其中SK70+4%SBS1的瞬时弹性部分最大，表明老化会导致沥青试样的变形增加，但添加SBS后可以降低沥青的弹性变形，尤其是SBS1改性剂。

2.3 初始自愈合温度分析

频率扫描得到不同SBS改性沥青复合黏度的测试结果，利用频率和复合黏度进行拟合得到不同SBS改性沥青的流动特性指数，结果如图6所示。由图6可知：流动特性指数为0.9时，老化前基质沥青和SK70+4%SBS1～SK70+4%SBS4的初始自愈合温度分别为50、46、62、48、51 ℃，由于SBS2和SBS4改性剂的添加，SBS改性沥青流动性降低，故若想达到相同的流动状态需要提高其温度。老化后各沥青试样的初始自愈合温度明显提高，其中老化5 h后初始自愈合温度差异较大。SK70+4%SBS1的自愈合温度最低，为67 ℃；SK70+4%SBS2的自愈合温度最高，为87 ℃。表明相同嵌段比下，线型SBS改性的沥青更容易达到流体状态，由于星型SBS相对分子质量较高，在其阻碍下沥青难以达到流体状态。

图6 SBS改性沥青在不同温度下的流动特性指数

2.4 线性振幅扫描(LAS)分析与评价

为探究老化对SBS改性沥青疲劳性能的影响，对25 ℃条件下LAS试验结果进行分析。图7为25℃时改性沥青在RTFOT老化85 min和5 h后的应力-应变曲线。由图7可知，沥青试样存在峰值应力，经RTFOT老化85 min后，SBS的加入降低了沥青的峰值应力，同时SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2提高了沥青的失效应变，失效应变大小为：SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS4>基质沥青。经RTFOT老化5 h后，除SK70+4%SBS4外，各沥青试样的峰值应变均降低，即老化程度的增加使得沥青在重复荷载作用下的应力-应变承受能力降低。各沥青试样在应力峰值处有一个范围较宽的峰值区，该峰值区的范围越大，表明沥青在这一范围内对应变的敏感性越低，对应沥青的疲劳性能则越好[19]。由图7(b)可知，SBS改性沥青应力-应变曲线的峰值区范围明显大于基质沥青，表明老化5 h后SBS改性沥青对应变的敏感性小于基质沥青，且失效应变的大小顺序仍然与RTFOT老化85 min的结果相似，表明在相同嵌段比下，星型SBS改性沥青的疲劳性能优于线型SBS改性沥青，而无论是线型还是星型，嵌段比S/B为40/60时疲劳性能优于嵌段比S/B为30/70。

图7 应力-应变曲线

利用VECD模型绘制沥青试样疲劳损伤曲线如图8所示。其中横坐标D代表累计损伤参数，纵坐标C即|G*|sinδ，表示沥青试样的完整性参数。当C=1时，沥青试样处于未损伤状态；当C=0时，沥青试样已经完全破坏；当累计损伤参数D给定时，C越大，则材料抵抗损伤的能力越强[20]。由图8可知，基质沥青的虚模量下降速度最快，SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2的下降速度最慢，且损伤曲线趋势基本相同，从疲劳损伤曲线的斜率可以看出各沥青试样的虚模量下降速度，即损伤速度。对比不同老化程度沥青试样可以发现，沥青的损伤速度随老化程度增加而加快。经RTFOT老化85min和5h后各沥青的C值均未降至0，表明改性沥青具有良好的耐老化性能。SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2沥青在2种老化程度下的疲劳曲线规律明显不同，说明当老化程度增加时，损伤强度逐渐增大。在RTFOT老化85 min条件下，抗损伤能力SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3；而在RTFOT老化5 h条件下，抗损伤能力SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS1，这可解释为当老化程度增加时，SK70+4%SBS2的抗损伤能力表现更好。

图8 损伤特征曲线

Bahia等[21]认为强度低的面层应该采用较低的路面预期，最大承受应变2.5%，而强度高的面层应该采用较高的路面预期，最大承受应变5.0%。根据公式，可以计算出每种沥青在2.5%和5.0%两种应变水平下的疲劳寿命，结果如图9所示。

图9 不同沥青在两种剪切应变下的疲劳寿命

由图9可看出，随着应变水平增大，各沥青试样的疲劳寿命数量级显著降低，表明在高应力水平下，SBS改性沥青的疲劳性能会变差。在同一应变条件下，随着老化程度的增加，基质沥青与SK70+4%SBS1沥青的疲劳寿命下降，这与VECD模型得到的结论一致。但是其余3种SBS改性沥青经过RTFOT-5 h老化后疲劳寿命反而增大，即这3种改性沥青在老化程度加深时其抵抗重复变形能力较强。此外，对比相同应变下4种SBS改性沥青的疲劳寿命发现，经RTFOT老化85 min后，疲劳寿命SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3；经RTFOT老化5 h后，疲劳寿命SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS1。由此可见嵌段比较大的SBS改性沥青疲劳性能更好；经5 h老化后，相同嵌段比下，星型SBS对沥青疲劳性能改善效果明显好于线型SBS。