陳 鵬, 鄒 玲, 莊 明, 侯洪超, 仲 丁, 張文剛

(1.北京中交橋宇科技有限公司， 北京 100000； 2.東南大學交通學院， 南京 211189； 3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司， 西安 710075； 4.山東理工大學建筑工程學院， 淄博 255000； 5.道路結(jié)構(gòu)與材料交通運輸行業(yè)重點實驗室(交通運輸部公路科學研究所)， 北京 100088)

苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS)改性瀝青的貯存穩(wěn)定性是影響其運輸及存儲的重要性能，中外學者對貯存穩(wěn)定性也開展了大量的研究工作。例如，孫建民[1]發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青在不同的貯存溫度下?lián)碛邢嗨频馁A存穩(wěn)定性變化規(guī)律；王立志等[2]發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的納觀表面形態(tài)越粗糙，SBS改性瀝青的48 h離析軟化點差則越大；一些外加劑也可以影響SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性，相關研究表明ZnO和TMTD(二硫化四甲基秋蘭姆)均能夠起到提升SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的作用[3-4]；納米二氧化硅、納米黏土可以與SBS形成空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而起到阻止SBS與瀝青分離的作用[5-6]。但在SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價上，中外基本上都采取48 h離析軟化點差作為評價指標。此外也有學者認為離析指數(shù)、中溫離析率和降解率也可以作為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的可靠指標[7]。但遺憾的是，采用上述指標對SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性進行評價的可靠性鮮有研究。近年來，動態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheological，DSR)活躍在瀝青的研究領域，發(fā)揮著巨大的作用，復數(shù)剪切模量(G*)可以用于表征瀝青抵抗剪切變形的能力，相位角(δ)則代表著瀝青中黏性成分與彈性成分的比值關系，車轍因子(G*/sinδ)可以用于評價瀝青的高溫性能[8-10]。有學者報道了DSR試驗過程中的相關參數(shù)與SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性可能存在某種聯(lián)系，但截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)關于這種猜測的詳細研究與報道[10-13]?；贒SR試驗結(jié)果是否可以評價SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性便成為了擺在研究人員面前的一道難題。

基于上述背景，現(xiàn)選擇SBSΙ-D改性瀝青為研究對象，測試其在163 ℃下不同貯存時間的離析軟化點差，基于G*、δ及G*/sinδ，提出基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標及其計算模型，為基于DSR試驗評價瀝青貯存穩(wěn)定性提供新的思路。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

選擇山東高速物資儲運有限公司生產(chǎn)的SBS Ι-D改性瀝青為原材料，該瀝青中SBS含量為4%，且線形SBS和星形SBS質(zhì)量比為1∶1，其技術(shù)指標如表1所示，除48 h離析軟化點差外，其余各項指標均滿足相關規(guī)范的要求。

表1 SBS Ι-D改性瀝青技術(shù)性能

圖1所示為SBSΙ-D改性瀝青在進行離析試驗前的熒光顯微圖，可以看出實驗所用SBSΙ-D改性瀝青中，SBS發(fā)育良好，基本形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖1 SBSΙ-D改性瀝青熒光顯微圖

1.2 試驗設計

將SBSΙ-D改性瀝青倒入直徑25 mm、長度140 mm的鋁管(一端開口)中，在163 ℃下進行貯存，將貯存0～48 h(間隔2 h)的鋁管放入-18 ℃的環(huán)境箱中進行冷卻，冷卻后取鋁管中上部1/3和下部1/3的瀝青備用，分別測取0～48 h(間隔2 h)的SBSΙ-D改性瀝青的離析軟化點差。采用AR 1500ex型動態(tài)剪切流變儀(DSR)對貯存不同時間的SBSΙ-D改性瀝青(上部1/3和下部1/3)分別進行溫度掃描試驗，獲取G*、δ以及G*/sinδ。依據(jù)試驗結(jié)果分析瀝青貯存穩(wěn)定性與G*、δ和G*/sinδ等參數(shù)間的關系，建立基于DSR的改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標及計算模型。

2 試驗結(jié)果

2.1 離析軟化點與貯存時間的關系

對不同貯存時間下的SBSΙ-D改性瀝青進行離析軟化點差試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同貯存時間下SBSΙ-D改性瀝青離析軟化點試驗結(jié)果

圖2顯示，隨著高溫貯存時間的延長，SBSΙ-D改性瀝青的離析軟化點差也隨即增大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是由于SBS與瀝青之間存在密度差，導致SBS上浮，形成改性瀝青中上部SBS含量高，下部中的SBS含量降低，這種離析現(xiàn)象隨著高溫貯存時間的延長而越發(fā)明顯。

2.2 基于DSR試驗結(jié)果的貯存穩(wěn)定性

選擇163 ℃貯存48 h的SBSΙ-D改性瀝青為研究對象，對其上部1/3及下部1/3的改性瀝青分別進行溫度掃描，掃描溫度范圍為46～88 ℃，間隔6 ℃。為了研究方便，同時將163 ℃下貯存48 h的SBSΙ-D改性瀝青再次攪拌均勻后，利用DSR進行溫度掃描。圖3所示為DSR溫度掃描結(jié)果。

圖3 DSR溫度掃描試驗結(jié)果

圖3顯示，隨著掃描溫度的逐漸上升，SBSΙ-D改性瀝青的G*和G*/sinδ相應降低，δ則逐漸升高。離析后的SBSΙ-D改性瀝青其上部1/3和下部1/3的G*、δ和G*/sinδ有著明顯的差值，而離析后再次攪拌均勻的SBSΙ-D改性瀝青G*、δ和G*/sinδ的數(shù)值則處于上部1/3和下部1/3之間。由于G*為復數(shù)剪切模量，其數(shù)值越大，表征瀝青的抗剪切變形能力也越高，可見離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的抗變形能力要強于下部1/3；δ通常用于表征瀝青中黏彈性成分的比值，一般認為δ越大，瀝青中黏性成分的含量就越大，δ越小，瀝青中彈性成分的含量就越大，可見離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的彈性成分遠多于下部1/3；G*/sinδ表征車轍因子，離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的車轍因子遠大于下部1/3。上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因與上部1/3含有大量的SBS關系密切。

3 基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標

3.1 基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標的提出與有效性檢驗

上述分析表明，DSR的試驗結(jié)果與SBS的離析關系密切，而SBS的離析則直接決定SBS改性瀝青的貯存穩(wěn)定性?；谠囼灲Y(jié)果提出離析參數(shù)的概念，即以163 ℃下貯存th的SBS改性瀝青再次攪拌均勻后DSR溫度掃描試驗結(jié)果(G*、δ和G*/sinδ)為基數(shù)，對同種SBS改性瀝青163 ℃下貯存th后，上部1/3與下部1/3的DSR溫度掃描結(jié)果差值的絕對值與基數(shù)比值，計算公式為

(1)

δ′=|(δ上-δ下)/δ原樣|

(2)

式(2)中：δ′為相位角離析參數(shù)，%；δ上為離析后SBS改性瀝青上部1/3的相位角，(°)；δ下為離析后SBS改性瀝青下部1/3的相位角，(°)；δ原樣為離析后再次攪拌均勻的SBS改性瀝青的相位角，(°)。

(G*/sinδ)′=(G*/sinδ)上-(G*/sinδ)下

(G*/sinδ)原樣

(3)

式(3)中：(G*/sinδ)′為車轍因子離析參數(shù)，%；(G*/sinδ)上為離析后SBS改性瀝青上部1/3的車轍因子，Pa；(G*/sinδ)下為離析后SBS改性瀝青下部1/3的車轍因子，Pa；(G*/sinδ)原樣為離析后再次攪拌均勻的SBS改性瀝青的車轍因子，Pa。

如圖4所示為DSR試驗中離析參數(shù)的變化圖。圖4中蘊含著兩個信息，一是各離析參數(shù)在不同溫度下的數(shù)值，二是各離析參數(shù)隨著溫度變化的斜率。需要注意的是，如果某種SBS改性瀝青不存在離析問題，那么該SBS改性瀝青的各離析參數(shù)的數(shù)值便為0，離析參數(shù)隨掃描溫度的變化斜率也相應為0。也就是說離析參數(shù)的大小和離析參數(shù)隨掃描溫度的變化斜率越接近0，則該瀝青的貯存穩(wěn)定性也就越好。

圖4 不同掃描溫度下的離析參數(shù)

基于上述分析，提出基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標及其計算模型，模型假設前提條件為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性分值最大為100，最小為0。該計算模型為

SS(G*)=100-{a1[AVG(G*′)]b1+

c1[SLOP(G*′)]d1}

(4)

式(4)中：SS(G*)為基于復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(G*′)為復數(shù)剪切模量離析參數(shù)平均值，Pa；SLOP(G*′)為復數(shù)剪切模量離析參數(shù)與溫度所形成的線性關系斜率；a1、b1、c1、d1為系數(shù)。

SS(δ)=100+a2[AVG(δ′)]b2+

c2[SLOP(δ′)]d2

(5)

式(5)中：SS(δ)為基于相位角離析參數(shù)的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(δ′)為相位角離析參數(shù)平均值，%；SLOP(δ′)為相位角離析參數(shù)與溫度所形成的線性關系的斜率；a2、b2、c2、d2為系數(shù)。

SS(G*/sinδ)=100-{a3[AVG(G*/sinδ)′]b3+

c3[SLOP(G*/sinδ)′]d3}

(6)

式(6)中：SS(G*/sinδ)為基于車轍因子的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性得分值；AVG(G*/sinδ)′為車轍因子離析參數(shù)平均值，%；SLOP(G*/sinδ)′為車轍因子離析參數(shù)與溫度所形成的線性關系的斜率；a3、b3、c3、d3為系數(shù)。

選取SS(G*)，基于復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值與試驗結(jié)果進行比較，以評判貯存穩(wěn)定性評價指標的可靠性。為了貯存穩(wěn)定性評價指標與離析軟化點指標具有可比性，依據(jù)模型假設前提條件對離析軟化點數(shù)據(jù)作如下修訂：SBS改性瀝青最大離析軟化點差為100 ℃，記0分，最小離析軟化點差為0 ℃，記100分。則不同貯存時間下基于DSR的貯存穩(wěn)定性得分值與基于離析軟化點差的貯存穩(wěn)定性得分值試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 圖5基于DSR和離析軟化點差的貯存穩(wěn)定性得分值

從圖5可以看出，基于復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值與基于離析軟化點差的貯存穩(wěn)定性得分值具有高度的一致性。相比較于離析軟化點試驗而言，基本復數(shù)剪切模量離析參數(shù)貯存穩(wěn)定性得分值的評價方法可靠性更高，更重要的是，在試驗過程中無需高溫貯存48 h，可以選擇更短的貯存時間便可以計算出貯存48 h所對應的穩(wěn)定性得分值。

3.2 基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標與現(xiàn)有指標對比

中外普遍采取離析軟化點作為SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性的評價指標，該指標的獲取依托于軟化點試驗。中國對于軟化點試驗的相關方法和規(guī)定與美國及日本是完全相同的，在《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[14]中規(guī)定，軟化點試驗允許的重復性誤差為：當軟化點小于80 ℃時誤差為1 ℃，當軟化點大于80 ℃時誤差為2 ℃，此外，在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]中規(guī)定，SBS改性瀝青的48 h離析軟化點差不大于2.5 ℃。所以離析軟化點在試驗過程中誤差的影響是相對較大的，而本文中基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標則借助DSR試驗的高度穩(wěn)定性及極低的誤差較好地彌補了離析軟化點的不足。表2所示為兩種指標的對比。

表2 SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標對比

4 結(jié)論

(1)SBS改性瀝青的離析軟化點差隨著高溫貯存時間的延長而逐漸增大，兩者基本呈線性關系。

(2)由于SBS改性的上浮作用，離析后SBSΙ-D改性瀝青上部1/3的彈性成分也遠多于下部1/3，上部1/3的抗變形能力及高溫性能明顯強于下部1/3。

(3)復數(shù)剪切模量離析參數(shù)G*′、相位角離析參數(shù)δ′、車轍因子離析參數(shù)(G*/sinδ)′以及3個參數(shù)與溫度所形成的線性斜率可以用于評價SBS改性瀝青離析程度的參數(shù)。

(4)本文所提出的基于DSR試驗的SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性評價指標其計算模型可以很好地用于貯存穩(wěn)定性的評價，其評價結(jié)果與基于離析軟化點差所獲得的評價結(jié)果具有高度的一致性。