加工与存储温度对SBS改性沥青的性能影响分析

韩 森，牛冬瑜，陈 凯，高景伟，李 俊

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061；2.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；3.陕西交建机械化养护有限公司，陕西 西安 710075；4.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)



加工与存储温度对SBS改性沥青的性能影响分析

韩 森1,4，牛冬瑜1，陈 凯2，高景伟3，李 俊4

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061；2.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；3.陕西交建机械化养护有限公司，陕西 西安 710075；4.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

选取4个加工温度(160，170，180，190 ℃)与3个存储温度(90，120，150 ℃)对3种SBS改性沥青(E+S-YS，E+S-YY，S+S-YY)进行改性加工与存储；应用沥青常规试验与重复蠕变试验，进行了感温性、高温性能、低温性能的试验研究。研究结果表明：不同的加工温度与储存温度，对3种SBS改性沥青的性能影响不同，当加工温度为180 ℃、存储温度为150 ℃时，S-YY改性剂的改性沥青各项性能达到最优；当加工温度为170 ℃、存储温度为120 ℃时，S-YS改性剂的改性沥青各项性能达到最优。针对不同类型的SBS改性沥青提出相应的制备与存储的温度推荐值。

道路工程；SBS改性沥青；加工温度；存储温度；性能

0 引 言

SBS改性沥青因其较好的高温稳定性、低温抗裂性、耐疲劳性等，广泛应用于高等级沥青路面中。在生产与存储过程中，为保持SBS改性沥青的良好的性能，应使SBS在基质沥青与SBS体系中处于细分布的理想状态。但是，由于SBS与基质沥青形成的改性沥青属于热力学不相容体系，使得改性沥青在较高温度的加工与存储过程中存在着不稳定。同时，现行规范规定的SBS改性沥青生产过程中关于温度的参数界限值不能完全控制改性沥青的性能，使其性能波动较大，部分性能较差，甚至达不到规范要求[1]。因此，如果在生产工艺中，忽略SBS改性沥青的控制温度，将会严重影响改性沥青的性能质量。

近年来，研究人员针对加工工艺中温度对SBS改性沥青性能影响进行了广泛的研究。郝培文，等[2]研究了拌和温度对SBS改性沥青性能的影响，并指出合理的拌和温度可以促使SBS与基质沥青均匀混融，并提高其技术性能。丛玉凤，等[3]也提出了选取合理的剪切温度，可使改性沥青具有较高的储存稳定性与良好的路用性能。S.S.Galooyak，等[4]通过分析改性沥青的离析机理，提出了SBS与基质沥青在溶解度参数与密度上的差异，在高温存储下SBS改性沥青会发生离析。黄卫东，等[5]发现在常温和高温贮存下改性沥青软化点下降，运用荧光显微照相技术研究了SBS与沥青、软沥青质的相互作用以及SBS在沥青中的溶胀分散过程等，分析常温长时间贮存后改性沥青的离析变大现象。以上研究缺乏针对相同改性剂不同基质沥青与相同基质沥青不同改性剂的对比研究；同时，对于不同加工温度与存储温度的SBS改性沥青性能评价多应用现有的针入度评价体系，很难准确评价改性沥青的高温性能[6]，以至于温度控制参数尚难达成统一共识。因此，对SBS改性沥青加工温度与存储温度存在的问题进行分析研究，对确保SBS改性沥青优良的质量性能具有重要意义。

实践证明，整个生产工艺中的加工温度及存储温度都会影响改性沥青的使用性能[7]。为研究其变化规律以控制改性沥青的生产，笔者通过选取不同的加工温度与存储温度，对3种不同的改性沥青进行加工与存储，应用常规沥青试验与重复蠕变试验，分析不同温度对SBS改性沥青的改性效果与沥青使用性能的影响。以期提出系统合理的加工与存储温度，使SBS改性沥青的性能达到较高的指标要求。

1 试 验

1.1 试验材料

1)基质沥青采用韩国SK-90 # 沥青(简称S)与埃索ESSO-90 # 沥青(简称E)，其技术性能指标见表1。

表1 基质沥青基本性质试验结果

2)SBS改性剂为S-YY、S-YS(S代表星型结构，且S-YY的分子质量较大)，嵌段比(S/B)为30/70，掺入量为4%。

3)自制稳定剂，剂量为2.6‰。

沥青配制情况如表2。

表2 SBS改性沥青制备

Table 2 Preparation of SBS modified asphalt

1.2 改性沥青的制备

将基质沥青加热到120 ℃左右，加入SBS改性剂，选取160，170，180，190 ℃等4个加工温度，低速剪切10 min后，在5 500 r/min条件下进行混合分散50 min，制得改性沥青[8-9]。在SBS充分溶胀基础上加入稳定剂继续搅拌30 min，制得不同加工温度的12组SBS改性沥青成品试样。依针入度指标PI、当量软化点T800、重复蠕变试验拟合Gv值、当量脆点T1,2与5 ℃延度作为分析指标进行试验。选取最佳剪切温度加工SBS改性沥青，分别在90，120，150 ℃下存储，得到不同存储温度的9组SBS改性沥青试样，见表3。

表3 试样制备说明

Table 3 Instructions of sample preparation

1.3 改性沥青性能评价指标

1)依据JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]，对改性沥青进行针入度试验、延度试验和软化试验。采用针入度指标PI、当量软化点T800、5 ℃延度、当量脆点T1,2来评价道路沥青的路用性能[11-13]。

2)采用重复蠕变试验，基于Burgers模型拟合高温指标Gv值，来评价改性沥青的高温性能[14]。重复蠕变试验在DSR仪器上完成。试验采用应力水平为60 kPa，试验温度为60 ℃。每个蠕变周期加载1 s，恢复9 s，荷载周期为100次。选取伯格斯(Burgers)模型作为沥青材料的流变模型，如图1。

图1 Burgers 模型

Burgers本构方程如式(1)：

(1)

式中：γ为剪应变；τ0为恒定的剪应力，Pa；G0为Maxwell模型的弹性模量，Pa；η1为Kelvin模型的黏性系数，Pa·s；η0为Maxwell模型的黏性系数，Pa·s；t为蠕变时间即加载时间，s；Jv为蠕变柔量，Jv=t/η0。

由式(1)可知，Burgers模型的应变可分为瞬时弹性部分γe、延迟弹性部分γde与黏性部分γv，各参数可由线性规划、迭代等数学解法确定[15]。

为了求解Jv，可将式(1)两边同时除以常量τ0：

(2)

令1/G0=J0，1/G1=J1，J(t)=γ/τ0，则式(2)为：

J(t)=J0+J1(1-e-t/J1η)+Jv

(3)

应用式(3)直接对柔量进行拟合计算，以Gv=1/Jv作为蠕变劲度的黏性成分，用来评价SBS改性沥青的高温抗变形性能。

2 试验结果分析

2.1 剪切温度对SBS改性沥青性能的影响

对E+S-YS，E+S-YS，S+S-YY这3种不同的SBS改性沥青，在不同剪切温度下，测试改性沥青的技术性能，试验结果见表4与图2。

表4 不同加工温度的SBS改性沥青的重复蠕变试验结果

图2 不同加工温度下针入度指标PI、当量软化点T800、当量脆点T1,2的变化趋势

2.1.1 感温性

由图2可知：

1)随加工温度的升高，3种改性沥青的PI值变化趋势均为先增大后减小。

2)在170 ℃时，E+S-YS的PI值达到了最大值；加工温度在180 ℃时，E+S-YY和S+S-YY的PI值达到了各自相对最大值。这说明较高的加工温度有利于改善改性沥青的感温性。

3)比较三者的PI值随加工温度的变化程度，S+S-YY受加工温度的影响最为显著，E+S-YY次之，E+S-YS受影响最小。说明加工温度对不同改性沥青影响程度不完全一致。

4)E+S-YS的PI在170 ℃以后逐渐降低，而E+S-YY与S+S-YY的PI在180 ℃以后降低。由此说明，过高的加工温度对感温性起不到改善效果。

5)在不同加工温度下，不同SBS改性剂的改性沥青，其感温性能变化趋势不同。S-YS与S-YY的加工温度分别为170与180 ℃，其感温性能改善效果最好。

2.1.2 高温稳定性

随着加工温度的升高，3种改性沥青的T800值变化趋势与PI值近似，总体变化幅度不大。在170 ℃时，E+S-YS改性沥青的T800，达到最高值后，随着温度的升高，其逐渐降低。在180 ℃时，E+S-YY与S+S-YY改性沥青的T800，达到最高值后，随着温度的升高，其逐渐降低。

由图2可知，在不同的加工温度下，不同SBS改性剂品种的改性沥青其Gv指标明显不同。添加S-YY的高温性能排序依次为：T800(180 ℃)>T800(190 ℃)>T800(170 ℃)>T800(160 ℃)；而添加S-YS的高温性能排序依次为：T800(170 ℃)>T800(190 ℃)>T800(180 ℃)>T800(160 ℃)。由于重复蠕变试验中沥青的行为与实际路用行为最为接近，Gv指标能够更为合理、准确的评价出SBS改性沥青的高温性能方面的差异。由此说明，针对不同品种的SBS改性剂，选取适宜的加工温度能够使SBS相与沥青相相互作用明显，扩散、溶胀作用的程度增强，形成了稳定的网络结构，最终达到了增强SBS改性沥青的高温稳定性的效果。因此，S-YS与S-YY的加工温度分别为170与180 ℃，高温稳定性改善效果最佳。

2.1.3 低温抗裂性

由图2可知：

1)E+S-YS与S+S-YY在加工温度从160 ℃升高至170 ℃时，E+S-YY在加工温度从160 ℃升高至180 ℃时，其延度的试验结果为逐渐增加。由此说明，适当提高加工温度，能够增强分子间的热运动，提高SBS分散相及微粒之间抵抗外力的能力，使得形变能力增强，延度增加。

2)3种改性沥青，在加工温度为180 ℃或190 ℃时，分别出现延度下降的现象，说明过高的加工温度易使延度降低，从而加强了低温抗裂性的改善。

3)随着加工温度的升高，不同SBS改性剂的改性沥青，其T1,2变化趋势均为先降低后升高，但S-YY在180 ℃时，而S-YS在170 ℃时，T1,2分别降低至最低值。因此，选取合适的加工温度可以改善不同SBS改性沥青的低温性能。

2.2 存储温度对SBS改性沥青性能的影响

结合以上研究，选取180 ℃为加工温度，制备E+S-YS，E+S-YS，S+S-YY等3种不同的SBS改性沥青试样。在不同存储温度(90，120，150 ℃)下，将SBS改性沥青试样存储48 h，并对试样的技术性能进行试验测试，试验结果见表5及图3。

表5 不同存储温度的SBS改性沥青的重复蠕变试验结果

图3 不同存储温度下针入度指标PI、当量软化点T800、当量脆点T1,2的变化趋势

2.2.1 感温性

由图3可知：

1)基质沥青相同、改性剂不同的SBS改性沥青，在不同的存储温度的条件下，其针入度指数变化规律不同。随着存储温度的升高，添加S-YY的两种改性沥青，PI值逐渐升高；而添加S-YS的改性沥青，其PI值为先增大后减小。

2)基质沥青不同、改性剂相同的SBS改性沥青，在不同的存储温度的条件下，其针入度指数变化规律近似。

3)对比不同存储温度，发现三者在150 ℃的存储温度下PI值浮动较小，说明较高的存储温度对温度敏感性是有利的。

2.2.2 高温稳定性

随着存储温度的升高，3种改性沥青的T800值与PI值变化趋势近似，总体变化幅度略有差异。E+S-YY与S+S-YY改性沥青的T800，随着温度的升高，其逐渐升高。当存储温度为150 ℃时，这两种改性沥青的T800达到最高值。E+S-YS改性沥青的T800，在存储温度为120 ℃时，达到最高值。其后随着温度的升高，其T800又降低。由表5可知，在不同的存储温度下，3种SBS改性沥青其Gv指标明显不同。添加S-YY改性剂的改性沥青，其高温性能排序依次为：T800(150 ℃)>T800(120 ℃)>T800(90 ℃)；而添加S-YS改性剂的改性沥青，其高温性能排序依次为：T800(120 ℃)>T800(90 ℃)>T800(150 ℃)。由此说明，选取适宜的存储温度能够保持SBS相与沥青相相互之间的扩散、溶胀作用，确保两者之间网络结构的稳定，最终保证了不同SBS改性沥青较好的高温稳定性。

因此，添加S-YS与S-YY的改性沥青，其存储温度分别为120与150 ℃时，能够保证其最佳的高温稳定性。

2.2.3 低温抗裂性

由图3可知：

1)3种改性沥青的5 ℃延度随着存储温度的增加，总体趋势为逐渐增大。当存储温度到达150 ℃时，其5 ℃延度到达最大值。这表明添加S-YS与S-YY的改性沥青在150 ℃存储温度下，其低温抗裂性能最好。

2)3种改性沥青的T1,2的值，规律与延度近似，在存储温度为150 ℃时，添加S-YY的改性沥青，其T1,2达到了最低值；而添加S-YS的改性沥青，在存储温度为120 ℃时，其达到了最低值，说明添加S-YS与S-YY的改性沥青，其存储温度分别为120与150 ℃，低温抗裂性能较好。

3 结 论

通过选取不同的加工温度与存储温度，对3种不同SBS改性沥青的感温性、高温性能、低温性能进行了对比评价分析，得到如下结论：

1)以针入度指标PI、当量软化点T800、重复蠕变试验拟合Gv值、当量脆点T1,2与5 ℃延度，作为SBS改性沥青感温性能、高温性能与低温性能的评价指标，能够确保评价结果的准确性与合理性。

2)随着加工温度与存储温度的升高，相同SBS改性剂不同基质沥青的改性沥青各项性能指标变化规律近似相同；不同SBS改性剂相同基质沥青的改性沥青变化规律差异较大。为了保证SBS改性沥青的各项性能，应根据不同SBS改性剂选取合理的加工温度与存储温度。

3)当SBS改性剂为S-YY时，加工SBS改性沥青，推荐加工温度为180 ℃、存储温度为150 ℃；对于SBS改性剂为S-YS时，推荐加工温度为170 ℃、存储温度为120 ℃。

[1] 袁燕,肖云,张肖宁.SBS改性沥青剪切发育过程的动态力学热分析[J].中国公路学报,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,张宜洛,江建坤,等.改性工艺参数对SBS改性沥青性能影响研究[J].重庆交通学院学报,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] 丛玉凤,廖克俭,翟玉春.SBS改性沥青生产工艺参数的考察[J].石油化工高等学校学报,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] 黄卫东,孙立军.SBS与沥青、软沥青质的相互作用及其过程[J].同济大学学报:自然科学版,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] 周庆华,沙爱民.沥青高温流变评价指标对比[J].交通运输工程学报,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] 韩森,张彩利,薛生高,等.SBS改性克拉玛依沥青相容性的改善[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] 孙健民.不同贮存温度下SBS改性沥青稳定性研究[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] 赵桂娟,郭平.不同温拌剂对沥青性能的影响分析[J].广西大学学报:自然科学版,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 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[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.沥青及沥青混合料路用性能[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.刍议SBS改性沥青的延度性质[J].重庆交通学院学报,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] 张肖宁,孟勇军,邹桂莲.基于重复蠕变的改性沥青高温指标[J].华南理工大学学报:自然科学版,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] 张肖宁.沥青与沥青混合料的黏弹力学原理及应用[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

陕西省交通科技项目(09-01K)

韩 森 (1958—)，男，陕西榆林人，教授，博士生导师，主要从事路面结构与材料方面的研究。E-mail：343257251@qq.com。

牛冬瑜 (1984—)，男，陕西西安人，博士研究生，主要从事路面结构与材料方面的研究。E-mail：niudongyu_1984@163.com。

U416.2

A

1674-0696(2015)01-048-06