韓 森，牛冬瑜，陳 凱，高景偉，李 俊

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051；3.陜西交建機械化養(yǎng)護有限公司，陜西 西安 710075；4.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

?

加工與存儲溫度對SBS改性瀝青的性能影響分析

韓 森1,4，牛冬瑜1，陳 凱2，高景偉3，李 俊4

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051；3.陜西交建機械化養(yǎng)護有限公司，陜西 西安 710075；4.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

選取4個加工溫度(160，170，180，190 ℃)與3個存儲溫度(90，120，150 ℃)對3種SBS改性瀝青(E+S-YS，E+S-YY，S+S-YY)進行改性加工與存儲；應(yīng)用瀝青常規(guī)試驗與重復(fù)蠕變試驗，進行了感溫性、高溫性能、低溫性能的試驗研究。研究結(jié)果表明：不同的加工溫度與儲存溫度，對3種SBS改性瀝青的性能影響不同，當加工溫度為180 ℃、存儲溫度為150 ℃時，S-YY改性劑的改性瀝青各項性能達到最優(yōu)；當加工溫度為170 ℃、存儲溫度為120 ℃時，S-YS改性劑的改性瀝青各項性能達到最優(yōu)。針對不同類型的SBS改性瀝青提出相應(yīng)的制備與存儲的溫度推薦值。

道路工程；SBS改性瀝青；加工溫度；存儲溫度；性能

0 引 言

SBS改性瀝青因其較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐疲勞性等，廣泛應(yīng)用于高等級瀝青路面中。在生產(chǎn)與存儲過程中，為保持SBS改性瀝青的良好的性能，應(yīng)使SBS在基質(zhì)瀝青與SBS體系中處于細分布的理想狀態(tài)。但是，由于SBS與基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青屬于熱力學不相容體系，使得改性瀝青在較高溫度的加工與存儲過程中存在著不穩(wěn)定。同時，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的SBS改性瀝青生產(chǎn)過程中關(guān)于溫度的參數(shù)界限值不能完全控制改性瀝青的性能，使其性能波動較大，部分性能較差，甚至達不到規(guī)范要求[1]。因此，如果在生產(chǎn)工藝中，忽略SBS改性瀝青的控制溫度，將會嚴重影響改性瀝青的性能質(zhì)量。

近年來，研究人員針對加工工藝中溫度對SBS改性瀝青性能影響進行了廣泛的研究。郝培文，等[2]研究了拌和溫度對SBS改性瀝青性能的影響，并指出合理的拌和溫度可以促使SBS與基質(zhì)瀝青均勻混融，并提高其技術(shù)性能。叢玉鳳，等[3]也提出了選取合理的剪切溫度，可使改性瀝青具有較高的儲存穩(wěn)定性與良好的路用性能。S.S.Galooyak，等[4]通過分析改性瀝青的離析機理，提出了SBS與基質(zhì)瀝青在溶解度參數(shù)與密度上的差異，在高溫存儲下SBS改性瀝青會發(fā)生離析。黃衛(wèi)東，等[5]發(fā)現(xiàn)在常溫和高溫貯存下改性瀝青軟化點下降，運用熒光顯微照相技術(shù)研究了SBS與瀝青、軟瀝青質(zhì)的相互作用以及SBS在瀝青中的溶脹分散過程等，分析常溫長時間貯存后改性瀝青的離析變大現(xiàn)象。以上研究缺乏針對相同改性劑不同基質(zhì)瀝青與相同基質(zhì)瀝青不同改性劑的對比研究；同時，對于不同加工溫度與存儲溫度的SBS改性瀝青性能評價多應(yīng)用現(xiàn)有的針入度評價體系，很難準確評價改性瀝青的高溫性能[6]，以至于溫度控制參數(shù)尚難達成統(tǒng)一共識。因此，對SBS改性瀝青加工溫度與存儲溫度存在的問題進行分析研究，對確保SBS改性瀝青優(yōu)良的質(zhì)量性能具有重要意義。

實踐證明，整個生產(chǎn)工藝中的加工溫度及存儲溫度都會影響改性瀝青的使用性能[7]。為研究其變化規(guī)律以控制改性瀝青的生產(chǎn)，筆者通過選取不同的加工溫度與存儲溫度，對3種不同的改性瀝青進行加工與存儲，應(yīng)用常規(guī)瀝青試驗與重復(fù)蠕變試驗，分析不同溫度對SBS改性瀝青的改性效果與瀝青使用性能的影響。以期提出系統(tǒng)合理的加工與存儲溫度，使SBS改性瀝青的性能達到較高的指標要求。

1 試 驗

1.1 試驗材料

1)基質(zhì)瀝青采用韓國SK-90 # 瀝青(簡稱S)與埃索ESSO-90 # 瀝青(簡稱E)，其技術(shù)性能指標見表1。

表1 基質(zhì)瀝青基本性質(zhì)試驗結(jié)果

2)SBS改性劑為S-YY、S-YS(S代表星型結(jié)構(gòu)，且S-YY的分子質(zhì)量較大)，嵌段比(S/B)為30/70，摻入量為4%。

3)自制穩(wěn)定劑，劑量為2.6‰。

瀝青配制情況如表2。

表2 SBS改性瀝青制備

Table 2 Preparation of SBS modified asphalt

1.2 改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱到120 ℃左右，加入SBS改性劑，選取160，170，180，190 ℃等4個加工溫度，低速剪切10 min后，在5 500 r/min條件下進行混合分散50 min，制得改性瀝青[8-9]。在SBS充分溶脹基礎(chǔ)上加入穩(wěn)定劑繼續(xù)攪拌30 min，制得不同加工溫度的12組SBS改性瀝青成品試樣。依針入度指標PI、當量軟化點T800、重復(fù)蠕變試驗擬合Gv值、當量脆點T1,2與5 ℃延度作為分析指標進行試驗。選取最佳剪切溫度加工SBS改性瀝青，分別在90，120，150 ℃下存儲，得到不同存儲溫度的9組SBS改性瀝青試樣，見表3。

表3 試樣制備說明

Table 3 Instructions of sample preparation

1.3 改性瀝青性能評價指標

1)依據(jù)JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[10]，對改性瀝青進行針入度試驗、延度試驗和軟化試驗。采用針入度指標PI、當量軟化點T800、5 ℃延度、當量脆點T1,2來評價道路瀝青的路用性能[11-13]。

2)采用重復(fù)蠕變試驗，基于Burgers模型擬合高溫指標Gv值，來評價改性瀝青的高溫性能[14]。重復(fù)蠕變試驗在DSR儀器上完成。試驗采用應(yīng)力水平為60 kPa，試驗溫度為60 ℃。每個蠕變周期加載1 s，恢復(fù)9 s，荷載周期為100次。選取伯格斯(Burgers)模型作為瀝青材料的流變模型，如圖1。

圖1 Burgers 模型

Burgers本構(gòu)方程如式(1)：

(1)

式中：γ為剪應(yīng)變；τ0為恒定的剪應(yīng)力，Pa；G0為Maxwell模型的彈性模量，Pa；η1為Kelvin模型的黏性系數(shù)，Pa·s；η0為Maxwell模型的黏性系數(shù)，Pa·s；t為蠕變時間即加載時間，s；Jv為蠕變?nèi)崃?，Jv=t/η0。

由式(1)可知，Burgers模型的應(yīng)變可分為瞬時彈性部分γe、延遲彈性部分γde與黏性部分γv，各參數(shù)可由線性規(guī)劃、迭代等數(shù)學解法確定[15]。

為了求解Jv，可將式(1)兩邊同時除以常量τ0：

(2)

令1/G0=J0，1/G1=J1，J(t)=γ/τ0，則式(2)為：

J(t)=J0+J1(1-e-t/J1η)+Jv

(3)

應(yīng)用式(3)直接對柔量進行擬合計算，以Gv=1/Jv作為蠕變勁度的黏性成分，用來評價SBS改性瀝青的高溫抗變形性能。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 剪切溫度對SBS改性瀝青性能的影響

對E+S-YS，E+S-YS，S+S-YY這3種不同的SBS改性瀝青，在不同剪切溫度下，測試改性瀝青的技術(shù)性能，試驗結(jié)果見表4與圖2。

表4 不同加工溫度的SBS改性瀝青的重復(fù)蠕變試驗結(jié)果

圖2 不同加工溫度下針入度指標PI、當量軟化點T800、當量脆點T1,2的變化趨勢

2.1.1 感溫性

由圖2可知：

1)隨加工溫度的升高，3種改性瀝青的PI值變化趨勢均為先增大后減小。

2)在170 ℃時，E+S-YS的PI值達到了最大值；加工溫度在180 ℃時，E+S-YY和S+S-YY的PI值達到了各自相對最大值。這說明較高的加工溫度有利于改善改性瀝青的感溫性。

3)比較三者的PI值隨加工溫度的變化程度，S+S-YY受加工溫度的影響最為顯著，E+S-YY次之，E+S-YS受影響最小。說明加工溫度對不同改性瀝青影響程度不完全一致。

4)E+S-YS的PI在170 ℃以后逐漸降低，而E+S-YY與S+S-YY的PI在180 ℃以后降低。由此說明，過高的加工溫度對感溫性起不到改善效果。

5)在不同加工溫度下，不同SBS改性劑的改性瀝青，其感溫性能變化趨勢不同。S-YS與S-YY的加工溫度分別為170與180 ℃，其感溫性能改善效果最好。

2.1.2 高溫穩(wěn)定性

隨著加工溫度的升高，3種改性瀝青的T800值變化趨勢與PI值近似，總體變化幅度不大。在170 ℃時，E+S-YS改性瀝青的T800，達到最高值后，隨著溫度的升高，其逐漸降低。在180 ℃時，E+S-YY與S+S-YY改性瀝青的T800，達到最高值后，隨著溫度的升高，其逐漸降低。

由圖2可知，在不同的加工溫度下，不同SBS改性劑品種的改性瀝青其Gv指標明顯不同。添加S-YY的高溫性能排序依次為：T800(180 ℃)>T800(190 ℃)>T800(170 ℃)>T800(160 ℃)；而添加S-YS的高溫性能排序依次為：T800(170 ℃)>T800(190 ℃)>T800(180 ℃)>T800(160 ℃)。由于重復(fù)蠕變試驗中瀝青的行為與實際路用行為最為接近，Gv指標能夠更為合理、準確的評價出SBS改性瀝青的高溫性能方面的差異。由此說明，針對不同品種的SBS改性劑，選取適宜的加工溫度能夠使SBS相與瀝青相相互作用明顯，擴散、溶脹作用的程度增強，形成了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終達到了增強SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性的效果。因此，S-YS與S-YY的加工溫度分別為170與180 ℃，高溫穩(wěn)定性改善效果最佳。

2.1.3 低溫抗裂性

由圖2可知：

1)E+S-YS與S+S-YY在加工溫度從160 ℃升高至170 ℃時，E+S-YY在加工溫度從160 ℃升高至180 ℃時，其延度的試驗結(jié)果為逐漸增加。由此說明，適當提高加工溫度，能夠增強分子間的熱運動，提高SBS分散相及微粒之間抵抗外力的能力，使得形變能力增強，延度增加。

2)3種改性瀝青，在加工溫度為180 ℃或190 ℃時，分別出現(xiàn)延度下降的現(xiàn)象，說明過高的加工溫度易使延度降低，從而加強了低溫抗裂性的改善。

3)隨著加工溫度的升高，不同SBS改性劑的改性瀝青，其T1,2變化趨勢均為先降低后升高，但S-YY在180 ℃時，而S-YS在170 ℃時，T1,2分別降低至最低值。因此，選取合適的加工溫度可以改善不同SBS改性瀝青的低溫性能。

2.2 存儲溫度對SBS改性瀝青性能的影響

結(jié)合以上研究，選取180 ℃為加工溫度，制備E+S-YS，E+S-YS，S+S-YY等3種不同的SBS改性瀝青試樣。在不同存儲溫度(90，120，150 ℃)下，將SBS改性瀝青試樣存儲48 h，并對試樣的技術(shù)性能進行試驗測試，試驗結(jié)果見表5及圖3。

表5 不同存儲溫度的SBS改性瀝青的重復(fù)蠕變試驗結(jié)果

圖3 不同存儲溫度下針入度指標PI、當量軟化點T800、當量脆點T1,2的變化趨勢

2.2.1 感溫性

由圖3可知：

1)基質(zhì)瀝青相同、改性劑不同的SBS改性瀝青，在不同的存儲溫度的條件下，其針入度指數(shù)變化規(guī)律不同。隨著存儲溫度的升高，添加S-YY的兩種改性瀝青，PI值逐漸升高；而添加S-YS的改性瀝青，其PI值為先增大后減小。

2)基質(zhì)瀝青不同、改性劑相同的SBS改性瀝青，在不同的存儲溫度的條件下，其針入度指數(shù)變化規(guī)律近似。

3)對比不同存儲溫度，發(fā)現(xiàn)三者在150 ℃的存儲溫度下PI值浮動較小，說明較高的存儲溫度對溫度敏感性是有利的。

2.2.2 高溫穩(wěn)定性

隨著存儲溫度的升高，3種改性瀝青的T800值與PI值變化趨勢近似，總體變化幅度略有差異。E+S-YY與S+S-YY改性瀝青的T800，隨著溫度的升高，其逐漸升高。當存儲溫度為150 ℃時，這兩種改性瀝青的T800達到最高值。E+S-YS改性瀝青的T800，在存儲溫度為120 ℃時，達到最高值。其后隨著溫度的升高，其T800又降低。由表5可知，在不同的存儲溫度下，3種SBS改性瀝青其Gv指標明顯不同。添加S-YY改性劑的改性瀝青，其高溫性能排序依次為：T800(150 ℃)>T800(120 ℃)>T800(90 ℃)；而添加S-YS改性劑的改性瀝青，其高溫性能排序依次為：T800(120 ℃)>T800(90 ℃)>T800(150 ℃)。由此說明，選取適宜的存儲溫度能夠保持SBS相與瀝青相相互之間的擴散、溶脹作用，確保兩者之間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，最終保證了不同SBS改性瀝青較好的高溫穩(wěn)定性。

因此，添加S-YS與S-YY的改性瀝青，其存儲溫度分別為120與150 ℃時，能夠保證其最佳的高溫穩(wěn)定性。

2.2.3 低溫抗裂性

由圖3可知：

1)3種改性瀝青的5 ℃延度隨著存儲溫度的增加，總體趨勢為逐漸增大。當存儲溫度到達150 ℃時，其5 ℃延度到達最大值。這表明添加S-YS與S-YY的改性瀝青在150 ℃存儲溫度下，其低溫抗裂性能最好。

2)3種改性瀝青的T1,2的值，規(guī)律與延度近似，在存儲溫度為150 ℃時，添加S-YY的改性瀝青，其T1,2達到了最低值；而添加S-YS的改性瀝青，在存儲溫度為120 ℃時，其達到了最低值，說明添加S-YS與S-YY的改性瀝青，其存儲溫度分別為120與150 ℃，低溫抗裂性能較好。

3 結(jié) 論

通過選取不同的加工溫度與存儲溫度，對3種不同SBS改性瀝青的感溫性、高溫性能、低溫性能進行了對比評價分析，得到如下結(jié)論：

1)以針入度指標PI、當量軟化點T800、重復(fù)蠕變試驗擬合Gv值、當量脆點T1,2與5 ℃延度，作為SBS改性瀝青感溫性能、高溫性能與低溫性能的評價指標，能夠確保評價結(jié)果的準確性與合理性。

2)隨著加工溫度與存儲溫度的升高，相同SBS改性劑不同基質(zhì)瀝青的改性瀝青各項性能指標變化規(guī)律近似相同；不同SBS改性劑相同基質(zhì)瀝青的改性瀝青變化規(guī)律差異較大。為了保證SBS改性瀝青的各項性能，應(yīng)根據(jù)不同SBS改性劑選取合理的加工溫度與存儲溫度。

3)當SBS改性劑為S-YY時，加工SBS改性瀝青，推薦加工溫度為180 ℃、存儲溫度為150 ℃；對于SBS改性劑為S-YS時，推薦加工溫度為170 ℃、存儲溫度為120 ℃。

[1] 袁燕,肖云,張肖寧.SBS改性瀝青剪切發(fā)育過程的動態(tài)力學熱分析[J].中國公路學報,2006,19(3):29-33. Yuan Yan,Xiao Yun,Zhang Xiaoning.Dynamic mechanical thermal analysis of shearing and developing process of SBS modified asphalt [J].China Journal of Highway and Transport,2006,19(3):29-33.

[2] 郝培文,張宜洛,江建坤,等.改性工藝參數(shù)對SBS改性瀝青性能影響研究[J].重慶交通學院學報,2001,20(2):50-53. Hao Peiwen,Zhang Yiluo,Jiang Jiankun,et al.Study on industrial parameter of SBS polymer-modified asphalt [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2001,20(2):50-53.

[3] 叢玉鳳,廖克儉,翟玉春.SBS改性瀝青生產(chǎn)工藝參數(shù)的考察[J].石油化工高等學校學報,2005,18(2):32-35. Cong Yufeng,Liao Kejian,Zhai Yuchun.Production process parameter in SBS modified asphalt [J].Journal of Petrochemical Universities,2005,18(2):32-35.

[4] Galooyak S S,Dabir B,Nazarbeygi A E,et al.Rheological properties and storage stability of bitumen/SBS/montmorillonite composites [J].Construction and Building Materials,2009,24(3):300-307.

[5] 黃衛(wèi)東,孫立軍.SBS與瀝青、軟瀝青質(zhì)的相互作用及其過程[J].同濟大學學報:自然科學版,2002,30(7):819-823. Huang Weidong,Sun Lijun.Interaction and procedure among styrene-butadiene triblock copolymer,asphalt and maltenes [J].Journal of Tongji University:Natural Science,2002,30(7):819-823.

[6] 周慶華,沙愛民.瀝青高溫流變評價指標對比[J].交通運輸工程學報,2008,8(1):27-30. Zhou Qinghua,Sha Ai’min.Comparison of high-temperature rheological evaluation indices for bitumen [J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2008,8(1):27-30.

[7] 韓森,張彩利,薛生高,等.SBS改性克拉瑪依瀝青相容性的改善[J].公路交通科技,2004,21(10):22-25. Han Sen,Zhang Caili,Xue Shenggao,et al.Modification of KLM asphalt by SBS and improvement of their compatibility [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2004,21(10):22-25.

[8] 孫健民.不同貯存溫度下SBS改性瀝青穩(wěn)定性研究[J].中外公路,2012,32(5):229-232. Sun Jianmin.Study the stability of SBS modified asphalt under the different storage temperatures [J].Journal of China & Foreign Highway,2012,32(5):229-232.

[9] 趙桂娟,郭平.不同溫拌劑對瀝青性能的影響分析[J].廣西大學學報:自然科學版,2013,38(1):67-74. Zhao Guijuan,Guo Ping.Influence of different warm-mixed agent on asphalt performance [J].Journal of Guangxi University:Natural Science,2013,38(1):67-74.

[10] JTJ 052—2000 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2000. JTJ 052—2000 Standard Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixtures for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2000.

[11] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2000. Shen Jin’an.Pavement Performance of Asphalt and Asphalt Mixture [M].Beijing:China Communications Press,2000.

[12] 原健安.芻議SBS改性瀝青的延度性質(zhì)[J].重慶交通學院學報,2005,24(5):25-28. Yuan Jian’an.A rustics opinion on ductility of SBS modified asphalts [J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2005,24(5):25-28.

[13] Kok B V,Colak H.Laboratory comparison of the crumb- rubber and SBS modified bitumen and hot mix asphalt [J].Construction and Building Materials,2011,25(8):3204-3212.

[14] 張肖寧,孟勇軍,鄒桂蓮.基于重復(fù)蠕變的改性瀝青高溫指標[J].華南理工大學學報:自然科學版,2008,36(2):23-28. Zhang Xiaoning,Meng Yongjun,Zou Guilian.High-temperature index of modified asphalt based on repeated creep [J].Journal of South China University of Technology:Natural Science,2008,36(2):23-28.

[15] 張肖寧.瀝青與瀝青混合料的黏彈力學原理及應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2006. Zhang Xiaoning.Sticky Elastic Theory and Application of Asphalt and Asphalt Mixture [M].Beijing:China Communications Press,2006.

Influence of Processing and Storage Temperature on SBS Modified Asphalt Performance

Han Sen1, 4, Niu Dongyu1, Chen Kai2, Gao Jingwei3, Li Jun4

(1. School of Material Science & Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China; 2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute, Tianjin 300051, China; 3. Shaanxi Transportation & Construction Mechanized Maintenance Co. Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 4. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Education Ministry, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

Four kinds of the processing temperatures (160,170,180,190 ℃) and three kinds of the storage temperatures(90, 120,150 ℃), which were in different range, were selected to process and store the different SBS modified asphalt (E+S-YS, E+S-YY, S+S-YY). The temperature sensitivity, high temperature performance and low temperature performance were analyzed by asphalt experimentation and repeat creep test. The results show that the different processing and storage temperatures affect the performances of three kinds of SBS modified asphalt differently. When the processing temperature is 180 ℃ and the storage temperature is 150 ℃, the various performances of S-YY modified asphalt achieve the optimal effect; while the processing temperature is 170 ℃ and the storage temperature is 120 ℃, the various performances of S-YS modified asphalt achieve the optimal effect. The recommended value of the processing and storage temperature for enhancing the performance of different SBS modified asphalt was proposed.

road engineering;SBS modified asphalt; processing temperature; storage temperature; performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.11

2013-11-25；

2014-02-26

陜西省交通科技項目(09-01K)

韓 森 (1958—)，男，陜西榆林人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。E-mail：343257251@qq.com。

牛冬瑜 (1984—)，男，陜西西安人，博士研究生，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。E-mail：niudongyu_1984@163.com。

U416.2

A

1674-0696(2015)01-048-06