现场存储SBS改性沥青的性能提升方法研究

秦成林， 闫 烨， 董夫强

（河海大学土木与交通学院，南京 210098）

SBS改性沥青由于其优异的高温性能、低温性能和温度敏感性能被广泛运用［1-3］，其性能的老化规律、老化机理以及性能提升措施是国内外学者的重要研究方向. 相对于基质沥青，SBS改性沥青老化分为SBS改性剂和沥青自身老化两部分［4-6］. 黄子义和刘攀［7］分别研究了SBS、脱油沥青和稳定剂的种类和掺量对改性沥青性能的影响，发现，SBS的种类和掺量、脱油沥青的掺量还有稳定剂的种类和掺量都对改性沥青性能有很大影响. Zhou等［8］采用分子模拟的方法研究了层状双氢氧化物（LDHs）添加剂的抗衰老机理，发现LDHs 与沥青组分极性的不同，在热氧化老化过程中会出现相分离现象. Zhao 等［9］研究了抗氧化剂（Irganox 1010）对沥青抗老化性能和化学成分的影响，发现Irganox 1010对沥青质起胶凝作用，具有良好的抗热氧老化和抗紫外老化性能. Zhang等［10］为了改善丁苯橡胶（SBR）改性沥青在短期和长期老化前后的高温性能和热稳定性，在沥青中加入聚磷酸（PPA），发现加入聚磷酸能够有效提高SBS改性沥青的高温性能和热稳定性，同时聚磷酸的胶凝效果不会进一步影响到改性沥青的热稳定性和高温性能. 部分学者研究了SBS改性沥青的短期和长期模拟老化实验、老化再生性能和机理［11-19］. 但对于实体工程中的SBS改性沥青在循环加热存储过程的性能衰减规律和恢复措施还有待研究.

经调研江苏高速公路两家养护单位发现，SBS改性沥青在使用过程中出现循环加热的存储情况. 目前，一般情况下日常养护的施工时长为5～6 h，局部小修在2 h左右，以前者居多. 在日常养护施工期间，SBS改性沥青在沥青储罐中的加热温度一般在160～180 ℃之间. 且在当天施工完成后，根据日后的施工安排及天气情况，养护单位会适当降低温度. 如果第二天继续施工，温度会降至150 ℃左右；如果超过3天不施工，温度会降至130 ℃左右；如果超过6天不施工，养护单位会关闭沥青存储罐的加热设备，让沥青存储罐自然降温，以防止沥青过度老化.

本文针对SBS改性沥青在循环加热存储后的性能衰减及恢复进行研究，结合室内试验，测定循环加热存储老化前后SBS改性沥青三大指标、布氏旋转黏度和离析的衰减情况；同时，以外掺高掺量SBS改性沥青和外掺自主研发的RE高黏改性剂为老化SBS改性沥青的性能提升方法，研究验证两者对最不利不同工况下的老化SBS改性沥青性能的恢复效果.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性沥青 选取江苏某公司产I-D类SBS改性沥青，主要性能指标见表1.

1.1.2 高掺量SBS 改性沥青 为使老化后的SBS 改性沥青的性能得到一定程度恢复，采用外掺高掺量SBS改性沥青的方法进行性能提升研究，不同高掺量SBS改性沥青性能见表2.

表1 SBS改性沥青的指标参数Tab.1 Properties of SBS modified asphalt

表2 不同高掺量SBS改性沥青的指标参数Tab.2 Properties of high content SBS modified asphalt

1.1.3 性能恢复剂 为使老化后的SBS改性沥青的性能得到一定程度恢复，选用自主研发的RE高黏改性剂作为恢复剂. 该RE高黏改性剂具备以下特点：短时间内易融入沥青；低温黏度高、高温黏度低；所制备高黏沥青黏韧性高，与集料黏结性强.

1.2 试验方法

1.2.1 三大指标测定 软化点、针入度和延度按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）标准进行测定.

1.2.2 布氏旋转黏度测定 按《沥青布氏旋转黏度试验》（JTJ/T 0625—2000）标准进行测试，采用美国Brookfield自动旋转黏度计测定在135 ℃恒温1～1.5 h后的沥青.

1.2.3 离析测定 采用SH/T 0660 方法进行评价：用一个直径2.54 cm，高14 cm 上部开口的薄壁圆柱管，装入50 g改性沥青后，将开口封闭，垂直放于163.5 ℃的烘箱中恒温48 h，取出后迅速放入冰箱中冷冻4 h，之后立即将其切为三段，用上下两段改性沥青分别进行软化点试验，计算两段软化点差为离析试验结果.

1.3 室内存储典型工况设计

综合实际施工情况，针对循环加热的存储情况，设计了四种典型的存储工况，具体如表3所示.

表3 循环加热存储工况及编号Tab.3 Cycle heating storage conditions and serial numbers

1.4 外掺高掺量SBS改性沥青的恢复沥青制备

将老化SBS 改性沥青样品加热至180 ℃，分别以一定的比例（掺量10%、20%、30%、50%）掺入高掺量SBS改性沥青，以300 r/min的搅拌速率持续搅拌30 min混合均匀.

1.5 外掺性能恢复剂的恢复沥青制备

将老化SBS 改性沥青样品加热至180 ℃，加入一定的比例的RE 高黏改性剂（掺量1%、3%、5%），以300 r/min的搅拌速率持续搅拌60 min混合均匀.

2 沥青性能衰减规律研究

2.1 针入度

各循环加热存储工况在不同循环加热次数条件下SBS改性沥青针入度的变化如表4和图1所示.

表4 SBS改性沥青的针入度变化情况Tab.4 Changes of penetrations of SBS modified asphalt 单位：0.1 mm

图1 SBS改性沥青的针入度变化情况Fig.1 Changes of penetrations of SBS modified asphalt

由试验结果可知，随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的针入度整体呈现下降趋势，且存储温度越高，SBS改性沥青的针入度衰减幅度越大. 但各循环加热存储工况下的沥青针入度指标大多都满足养护工程对SBS改性沥青的技术要求（50～70），从图1可以看出，针入度指标存在上下波动，且衰减最多的是从原样53.1衰减至47.5，所以针入度整体衰减程度较小.

2.2 软化点

各循环加热存储工况在不同循环加热次数条件下SBS改性沥青软化点的变化如表5和图2所示.

表5 SBS改性沥青的软化点变化情况Tab.5 Changes of softening points of SBS modified asphalt 单位：℃

由试验结果可知，随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的软化点整体呈现下降趋势，且存储温度越高，SBS 改性沥青的软化点衰减幅度越大. 从图2 可以看出，软化点指标衰减最严重的是从原样88.0 ℃衰减至73.5 ℃，软化点衰减程度较大.

图2 SBS改性沥青的软化点变化情况Fig.2 Changes of softening points of SBS modified asphalt

2.3 延度

各循环加热存储工况在不同循环加热次数条件下SBS改性沥青延度的变化如表6和图3所示.

由试验结果可知，随着循环加热次数的增多，SBS 改性沥青的5 ℃延度整体呈现下降趋势，且存储温度越高，SBS 改性沥青的5 ℃延度衰减幅度越大.从图3可以看出，5 ℃延度指标衰减最严重的是从原样32.85 ℃衰减至15.42 ℃，衰减了53.1%，5 ℃延度的衰减相对而言最为严重.

表6 SBS改性沥青的延度变化情况Tab.6 Changes of ductilities of SBS modified asphalt 单位：cm

图3 SBS改性沥青的延度变化情况Fig.3 Changes of ductilities of SBS modified asphalt

2.4 布氏黏度

各循环加热存储工况在不同循环加热次数条件下SBS改性沥青135 ℃布氏黏度的变化如表7和图4所示.

表7 SBS改性沥青的布氏旋转黏度变化情况Tab.7 Changes of rotational viscosities of SBS modified asphalt 单位：Pa·s

图4 SBS改性沥青的布氏旋转黏度变化情况Fig.4 Changes of rotational viscosities of SBS modified asphalt

由试验结果可知，随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的135 ℃布氏黏度整体呈现先略微升高后持续降低的趋势，且存储温度越高，SBS改性沥青的135 ℃布氏黏度衰减幅度越大. 从图4可以看出，135 ℃布氏黏度指标存在上下波动，且衰减最严重的是从原样2.480 Pa·s衰减至2.150 Pa·s，所以135 ℃布氏黏度衰减程度较小.

2.5 离析

各循环加热存储工况在不同循环加热次数条件下SBS改性沥青离析的变化如表8和图5所示.

表8 SBS改性沥青的离析变化情况Tab.8 Changes of segregations of SBS modified asphalt 单位：℃

图5 SBS改性沥青的离析变化情况Fig.5 Changes of segregations of SBS modified asphalt

由试验结果可知，随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的离析度增大，热存储稳定性呈现整体变差的趋势，即出现SBS改性沥青离析分层现象，但除个别离析度较大外，各存储工况下的沥青离析度指标基本都满足养护工程对SBS改性沥青的技术要求（≤2.0 ℃）.

综上所述，各循环加热存储工况下SBS改性沥青发生了老化，随着循环加热次数的增加沥青各项性能指标的衰减越严重，且存储温度越高性能指标衰减幅度越大.整体呈现为，随着循环加热次数的增加，针入度、软化点、135 ℃布氏黏度指标逐渐降低，体现其高温性能逐渐变差；5 ℃延度指标逐渐降低，低温性能衰减；离析度逐渐增加，热存储稳定性逐渐变差.

2.6 老化SBS改性沥青样品选取

本研究选取最不利工况C，加热循环3 次下老化SBS 改性沥青作为性能恢复的老化SBS 改性沥青样品，其性能指见表9.

表9 老化SBS改性沥青样品指标参数Tab.9 Properties of aged SBS modified asphalt

基于对养护用SBS改性沥青在最不利工况C的指标变化研究发现，从技术标准的角度分析，5 ℃延度和离析度均不满足技术标准要求；从衰减程度看5 ℃延度最大，软化点次之，再次则为离析. 因此，本研究重点关注对5 ℃延度、软化点和离析的性能恢复研究.

3 SBS改性沥青性能恢复研究

3.1 基于外掺高掺量SBS改性沥青性能恢复研究

为对选取的老化SBS 改性沥青样品进行性能恢复研究，分别考察高掺量SBS 改性沥青的外掺比例（10%、20%、30%、40%）对性能衰减后SBS改性沥青的延度、软化点指标的影响，同时考虑经济效益，分析其性能提升效果，性能恢复后其5 ℃延度性能指标检测结果见表10和图6，软化点性能指标检测结果见表11和图7，离析性能指标检测结果见表12和图8.

表10 不同外掺比例的高掺量SBS改性沥青对5 ℃延度的影响Tab.10 Changes of 5 ℃ductilities of SBS modified asphalt with high additive proportions 单位：cm

图6 老化SBS改性沥青5 ℃延度随高掺量SBS改性沥青外掺比例的变化曲线Fig.6 Changes of 5 ℃ductilities of aged SBS modified asphalt with high additive proportions

表11 不同外掺比例的高掺量SBS改性沥青对软化点的影响Tab.11 Changes of softening points of SBS modified asphalt with high additive proportions 单位：℃

图7 老化SBS改性沥青软化点随高掺量SBS改性沥青外掺比例的变化曲线Fig.7 Changes of softening points of aged SBS modified asphalt with high additive proportions

表12 不同外掺比例的高掺量SBS改性沥青对离析的影响Tab.12 Changes of segregations of SBS modified asphalt with high additive proportions 单位：℃

图8 老化SBS改性沥青离析随高掺量SBS改性沥青外掺比例的变化曲线Fig.8 Changes of segregations of aged SBS modified asphalt with high additive proportions

由试验结果可知，不同SBS改性剂掺量的高掺量SBS改性沥青对老化SBS改性沥青的5 ℃延度、软化点和离析提升效果不同. 在外掺比例相同的情况下，SBS改性剂含量越高的改性沥青对老化SBS改性沥青5 ℃延度和软化点的提升越大；在使用相同SBS改性剂含量的改性沥青时，其外掺比例越高，对老化SBS改性沥青5 ℃延度、软化点的提升越大，而对于离析则呈现出先降低后上升的趋势.

5.5%、6.0%、6.5%SBS掺量的高掺量SBS改性沥青对老化SBS改性沥青延度和软化点提升最大均在40%外掺比例下，而对于离析提升最大的是在20%和30%外掺比例下；综合三者的性能提升效果，性能提升效果最佳的方法为6.5%SBS 改性沥青外掺40%，其将老化SBS 改性沥青5 ℃延度由15.42 cm 提高至24.64 cm，软化点由73.5 ℃提高至83.6 ℃，离析由3 ℃降低至2.1 ℃. 从试验结果看，在外掺比例为40%的情况下，软化点指标满足养护工程用SBS 改性沥青的要求（≥80 ℃），离析指标满足养护工程用SBS 改性沥青的要求（≤2.5 ℃），但5 ℃延度指标并未达到养护工程技术要求（≥25 cm）.

综上所述，外掺高掺量SBS改性沥青对老化SBS改性沥青的性能提升具有一定的作用，但提升效果并不理想，且在考虑经济因素的条件下，高掺量SBS改性沥青的外掺比例不可过高.

3.2 基于外掺性能恢复剂性能恢复研究

为对选取的老化SBS改性沥青样品进行性能恢复研究，分别考察RE高黏改性剂的外掺比例（1%、3%、5%）对性能衰减后SBS改性沥青的延度、软化点等指标的影响，分析其性能提升效果，性能恢复后其各项性能测试结果如表13所示.

表13 不同掺量的高黏改性剂对老化SBS改性沥青性能的影响Tab.13 Changes of properties of SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

老化SBS改性沥青5 ℃延度随高黏改性剂掺量的变化见图9所示.

图9 老化SBS改性沥青5 ℃延度随高黏改性剂掺量的变化Fig.9 Changes of 5 ℃ductilities of aged SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

老化SBS改性沥青软化点随高黏改性剂掺量的变化见图10所示.

图10 老化SBS改性沥青软化点随高黏改性剂掺量的变化Fig.10 Changes of softening points of aged SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

老化SBS 改性沥青离析随高黏改性剂掺量的变化见图11所示.

图11 老化SBS改性沥青离析随高黏改性剂掺量的变化Fig.11 Changes of segregations of aged SBS modified asphalt with high viscosity modifier contents

由试验结果可知，随着高黏改性剂掺量的增加，延度和软化点均呈上升趋势，离析呈下降的趋势，三者的变化幅度较大. 当高黏改性剂的掺量达到5%时，老化SBS改性沥青5 ℃延度指标从15.42 cm提升至26.56 cm，软化点指标从73.5 ℃提升至80.3 ℃，离析指标从3.0 ℃降低至1.3 ℃，三者均已经达到了养护工程对SBS 改性沥青的要求. 说明高黏改性剂对于老化SBS 改性沥青的高温低温性能以及稳定性均具有良好的提升效果，但当掺量达到5%时导致135 ℃布氏黏度较原样沥青相比稍有增加，可能会影响施工和易性. 所以高黏改性剂掺量保持在3%～5%就可以达到较优的性能提升效果，不可掺加过多高黏改性剂.

4 结论

本文通过对SBS改性沥青性能衰减规律和性能恢复研究，得到以下结论.

1）在最不利存储工况C下：衰减最严重的为5 ℃延度，软化点次之，然后为离析；延度和离析均不满足规范要求，沥青的高低温性能和热存储稳定性逐渐变差.

2）外掺高掺量SBS改性沥青对老化SBS改性沥青的性能提升具有一定的作用，但效果并不理想；且在考虑经济因素的条件下，高掺量SBS改性沥青的外掺比例不可过高.

3）外掺RE高黏改性剂对老化SBS改性沥青的性能提升效果较为明显，当掺量达到5%时，老化SBS改性沥青延度、软化点、离析指标均已经达到养护工程对SBS改性沥青的要求.