SBS改性沥青短期老化性能研究

高 磊，喻金楼，聂桂海，罗雪平

(广州大学 广州市 510006)

0 引言

SBS改性沥青因其优异的综合性能已经广泛应用于沥青路面工程和建筑防水工程，但气候环境、重载交通、工况介质等众多因素会加剧SBS改性沥青的性能劣化，对构筑物的使用寿命产生不利影响，沥青的热氧老化是其主要原因之一[1-2]。祁文洋[3-4]认为SBS改性沥青老化存在两个明显老化阶段：第一阶段：沥青吸氧率低，小分子比例基本不变；第二阶段：沥青吸氧速率逐渐增大，小分子比例减少，并用测力延度指标来评价SBS改性沥青老化。徐欧明[5]等研究了紫外线对SBS改性沥青的老化特性。陈静云[6]等通过红外光谱对SBS改性沥青的老化进行微观分析，从官能团的角度探索沥青老化过程。

虽然目前已有很多关于SBS改性沥青老化前后的性能研究，但大部分侧重老化机理和组分变化，缺少对不同SBS掺量改性沥青的老化规律研究。因此，有必要对不同SBS掺量改性沥青进行较为深入的研究，为实际道路施工确定SBS最佳掺量，使SBS改性沥青的抗老化性能最佳，从而提高路面使用寿命。

1 原材料

(1)沥青

本实验所用沥青为壳牌新粤沥青有限公司提供的70号基质沥青，其基本性能指标详见表1。经检验其性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)。

表1 试验沥青基本指标

(2)改性剂

本研究选用星型LG-411SBS改性剂，其技术指标如表2所示，试样如图1所示。

图1 SBS改性剂

表2 试验改性剂基本指标

(3)稳定剂

本研究选用的稳定剂是硫化物稳定剂，其为墨绿色粉末状，如图2所示。

图2 稳定剂

2 改性沥青制备

SBS改性沥青的制备包括溶胀、剪切及发育三个部分。首先将预热的70号基质沥青与SBS改性剂混合，放入163℃的烘箱内溶胀30min；剪切阶段采用HR-6高速手持剪切分散机，在175℃的条件下，首先低速剪切15min，剪切速度为3000rad/min；然后高速剪切45min，剪切速度为10000rad/min，使改性剂均匀分散在基质沥青中；然后加入1‰的稳定剂，充分搅拌，放入175℃的烘箱内发育1h，完成SBS改性沥青的制备。流程图如图3所示。

图3 SBS制备工艺流程图

3 抗短期老化性能试验结果分析

3.1 针入度

沥青针入度是沥青主要质量指标之一，是表示沥青软硬程度、稠度的指标。本研究对不同掺量的SBS改性沥青进行短期老化，对比老化前后针入度、软化点，并计算针入度比和软化点增量，分析SBS改性沥青抗短期老化能力。SBS改性沥青25℃针入度和软化点试验结果如表3所示。

表3 SBS改性沥青25℃针入度和软化点试验结果

根据表3可知，在同一SBS改性剂掺量下，短期老化后的SBS改性沥青的针入度减小，软化点出现不同程度的增大。随着SBS改性剂掺量的增加，针入度逐渐较小，这是因为SBS掺入沥青中形成致密的网状结构，沥青黏度增加，限制了沥青的流动。软化点开始逐渐增大，在5%掺量时突然下降，这是因为SBS掺量过大，分散不均匀，产生离析，使得软化点降低[1]。

根据表3，计算得到SBS改性沥青25℃针入度比和软化点增量公式为：

ΔT=Tt-T0

其中：Kp—试样TFOT老化后残留物针入度比(%)；

Pt—试样TFOT老化5h后残留物针入度(0.1mm)；

p0—试样TFOT老化前残留物针入度(0.1mm)；

ΔT—试样TFOT老化5h后软化点增量(℃)；

Tt—试样TFOT老化5h后软化点(℃)；

T0—试样TFOT老化前软化点(℃)。

25℃ SBS改性沥青针入度比和软化点增量随SBS改性剂掺量变化关系如图4。

图4 25℃SBS改性沥青针入度比和软化点增量随SBS改性剂掺量变化关系

由图4可知：针入度比随着SBS改性剂掺量的增加而增加，当SBS改性剂掺量超过3%后，针入度比增大趋势变缓；3%、4%掺量时温度敏感性最低，软化点增量最小，有较好的抗老化性能。

3.2 旋转黏度

本试验采用Brookfield旋转黏度计探究SBS掺量对SBS改性沥青黏度的影响，进而评价其抗老化性能。在60℃条件下，选用29号转子，转速为1rad/min；在135℃条件下，选用21号转子，转速为30rad/min。图5、图6为不同掺量SBS在60℃、135℃条件下老化前后的黏度变化情况。

图5 不同SBS掺量60℃下老化前后黏度

图6 不同SBS掺量135℃下老化前后黏度

从图5、图6可以看出，SBS改性沥青老化前黏度均随SBS掺量的增加而增加，这主要是因为随着SBS改性剂的增加，分散在沥青中的组分增加，形成了密实网状结构，使得SBS改性沥青黏度增加；当SBS改性剂掺量小于4%时，老化后的SBS改性沥青黏度增长幅度较小，抗老化性能较好；当SBS改性剂掺量大于4%时，老化后的SBS改性沥青黏度增幅变大，抗老化性能减弱。

3.3 延度

延度是沥青在外力作用下发生拉伸变形而不破坏的能力指标，反映沥青的柔韧性。延度的大小直接影响沥青的低温变形能力，延度越大，低温变形能力越强。本研究采用试验温度为10℃、拉伸速度为50mm/min±2.5mm/min。不同掺量SBS改性沥青老化前后10℃延度试验结果如图7所示。

图7 不同掺量SBS改性沥青老化前后10℃延度试验结果

由图7可知：当SBS改性剂掺量低于4%时，老化前后的沥青延度均随SBS改性剂掺量的增加而增加，这是因为基质沥青与SBS逐渐交联形成空间网状结构，进而增加SBS改性沥青的延展性；当SBS改性剂掺量为5%时，老化前后的延度出现不同程度的下降，这是因为当SBS改性剂掺量为4%时，沥青延度已经达到最大值，空间网状结构已经完成，继续增加SBS改性剂，仅能增加沥青稠度，而无法提高其延展性，使得沥青脆性增加[2]。可见，SBS改性剂掺量为4%时抗老化性能最佳。

3.4 弹性恢复

弹性恢复用于评价热塑性橡胶类聚合物改性沥青的弹性恢复性能，即测定用延度试验仪拉长一定长度后的可恢复变形的百分率。本研究试验温度为25℃，拉伸速率为50mm/min±2.5mm/min。不同掺量的SBS改性沥青老化前后弹性恢复试验结果如图8。

图8 不同掺量的SBS改性沥青老化前后弹性恢复试验结果

如图8所示：随着改性剂掺量的增加，老化后的SBS改性沥青弹性恢复率逐渐升高，这是因为在老化过程中SBS改性剂与基质沥青中的轻质组分能够很好相融，从而改善SBS改性沥青的韧性[3]；老化前的SBS改性沥青弹性恢复率先增大后减小，与老化后改性沥青的弹性恢复率无明显规律，所以无法有效评价不同掺量SBS改性沥青的抗短期老化性能。

4 结论

通过本文研究可以得出以下结论：

(1)随着SBS改性剂掺量的增加，老化前后不同掺量的SBS改性沥青针入度逐渐减小，软化点逐渐升高，60℃动力粘度、135℃旋转黏度逐渐升高，延度先升高后减小。

(2)当SBS改性剂掺量为4%时，SBS改性沥青老化前后软化点最大，高温性能最好；残留针入度比和软化点增量较小，老化前后10℃延度最大，具有较低的温度敏感性，抗老化性能最佳。

(3)当SBS改性剂掺量超过4%时，老化后黏度迅速增大，延度下降，抗短期老化能力略有降低。