SBS和Hon7686改性沥青高温流变性能对比研究

莫龙梅

(广西北投交通养护科技集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

SBS改性沥青具有良好的性能，能大幅度提高沥青和沥青混合料高温性能和低温性能，在我国的改性沥青市场中占据了绝大部分的份额[1]。但SBS改性沥青也存在改性难度大、热储存性差、施工温度高等缺点[2]。美国霍尼韦尔公司研发了一种新型改性剂Hon7686，价格与SBS改性剂相差无几，具有显著提高沥青混合料高温性能而不影响低温性能的优点[3]。相较SBS改性沥青，Hon7686改性沥青对施工温度要求较低，与基质沥青的施工温度相差无几。Hon7686是一种新型多功能改性剂，国内研究者对此进行了一些研究，包括Hon7686改性沥青的施工工艺和温拌性能[4-6]。由于Hon7686改性沥青具有温拌剂的功能，能降低沥青混合料的施工温度，国内研究者尝试将其与SBS改性沥青进行复合改性，取得了良好的效果[7-8]。针对Hon7686改性沥青混合料性能，国内也有相关研究报道[9]。

尽管国内对Hon7686改性沥青研究较多，但研究多是针对Hon7686改性沥青的施工性能以及与SBS改性沥青的复合改性效果，对其高温流变性能不仅关注较少，在方法上也多采用常规指标如针入度、软化点、60 ℃动力黏度等进行表征。上述评价方法用于工程实践中尚可，但用于科学研究中往往不能准确区分不同掺量进行改性沥青的高温流变性能的差别。动态剪切流变试验能测试沥青结合料的复数模量与相位角，而高温下的复数模量与相位角能表征沥青的高温流变性能，更能揭示沥青的粘弹本质[10]。此外，多重应力蠕变恢复试验已被证明能较好地评价沥青结合料的高温性能[11-13]。因此，有必要采用动态剪切流变试验和多重应力蠕变恢复试验，评价Hon7686改性沥青和SBS改性沥青的高温流变性能，为相关工程选择合适的改性沥青提供参考。

1 改性沥青制备和试验方法

1.1 改性沥青制备

以70#沥青为基质沥青配制Hon7686改性沥青和SBS改性沥青。Hon7686改性剂为白色粉末状，酸性，堆积密度为625 kg/m3，熔点为137 ℃。Hon7686改性沥青按照改性剂占基质沥青质量比计，设置3%、4%、5%三种掺量。SBS改性剂为独子山石化所生产，星型结构，稳定剂采用硫磺稳定剂。以SBS占基质沥青质量比计，设置3%、4%、5%三种掺量。SBS改性沥青的制备方法为：将基质沥青加热至180 ℃，加入SBS改性剂，采用高速剪切机剪切30 min，再用搅拌机搅拌60 min，最后加入稳定剂再搅拌90 min。Hon7686改性沥青制备方法为：将基质沥青加热到160 ℃，加入Hon7686改性剂粉末，用高速剪切机剪切30 min。

1.2 试验方法

1.2.1 动态剪切流变试验

动态剪切流变试验测试原理为：对沥青施加正弦剪切应力或应变，仪器记录其应变或应力数据，通过计算机获得复数模量G*和相位角δ。美国SHRP计划以车辙因子G*/sinδ表征沥青结合料高温性能，并以此作为沥青高温分级标准。高温分级要求原样沥青G*/sinδ≥1.0 kPa，同时RTFOT后的沥青G*/sinδ≥2.2 kPa。试验采用应变控制模式，原样沥青应变水平为12%，RTFOT沥青应变水平为10%，试验温度为64 ℃～82 ℃，间隔6 ℃。

1.2.2 多重应力蠕变恢复试验

多重应力蠕变恢复试验(multiple stress creep recovery，MSCR)通过施加周期性的荷载，测试沥青的蠕变恢复能力，以表征沥青的高温性能。荷载有两个应力水平，分别为0.1 kPa和3.2 kPa，0.1 kPa应力水平循环加载20个周期，3.2 kPa应力水平循环加载10个周期[14]。每个周期加载1 s，卸载9 s，整个试验连续进行，持续时间为300 s。在0.1 kPa水平下沥青结合料处于线性粘弹区间范围，而在3.2 kPa应力水平下沥青结合料处于非线性粘弹区间范围，因此设置上述两个应力水平可同时获得沥青结合料在线性和非线性粘弹区间的力学性能。多重应力蠕变恢复试验根据AASHTO MP19-10[15]规范要求进行，试样采用RTFOT后的沥青，RTFOT根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求进行[16]。考虑到夏天路面温度在50 ℃～70 ℃，因此温度设置为52 ℃～76 ℃，间隔6 ℃。

多重应力蠕变恢复试验以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢复蠕变柔量Jnr0.1、Jnr3.2评价沥青结合料的高温性能，其值越低表明沥青高温性能越优；以应力敏感性指标Jnrdiff评价沥青结合料的应力敏感性，其值越高表明沥青对应力变化越敏感。相关指标计算方法见AASHTO MP19-10规范。

2 结果与分析

2.1 动态剪切流变试验

2.1.1 复数模量

由图1、图2可知：

图1 原样沥青复数模量G*-温度曲线图

图2 RTFOT沥青复数模量G*-温度曲线图

不管是原样还是短期老化状态，SBS改性沥青和Hon7686改性沥青复数模量均随着温度升高而急剧下降，温度是沥青结合料刚度下降的主要原因。相同掺量水平下，Hon7686改性沥青的复数模量均高于SBS沥青，表明Hon7686改性沥青相较SBS改性沥青在高温下具有更高的高温抗变形能力。

2.1.2 相位角

由图3、图4可知：

原样Hon7686改性沥青相位角随温度变化规律较为复杂，与掺量有很大关系。3%掺量的Hon7686改性沥青相位角随温度升高而平稳增大，表明Hon7686改性沥青由弹性逐渐往黏性方向发展；4%掺量的Hon7686改性沥青相位角随着温度升高反而逐渐减小，往弹性体方向发展；5%掺量的Hon7686改性沥青相位角随温度升高几乎无变化。其原因可能在于Hon7686改性沥青在低掺量时，Hon7686改性剂与基质沥青的化学反应对其高温流变性能影响有限，因此性质接近基质沥青；而掺量提高导致Hon7686改性沥青随温度升高,反而因为改性剂与基质沥青产生化学反应，导致其高温流变性能复杂。

图3 原样沥青相位角δ-温度曲线图

图4 RTFOT沥青相位角δ-温度曲线图

RTFOT后的Hon7686改性沥青相位角变化较为规律，体现为相位角随掺量增大而减小，随温度升高而增大。RFFOT后的Hon7686改性沥青与其原样状态相位角规律相差较大，正说明了Hon7686改性沥青经过短期老化之后，Hon7686改性剂与基质沥青的化学反应基本已经完成，不会出现相位角异常的现象。

不管原样SBS沥青还是RTFOT后的SBS沥青，相位角均随温度升高而逐渐增大。值得注意的是，相位角并非随着SBS改性剂掺量增大而减小，而是在4%处出现异常。4%掺量的SBS改性沥青相位角小于3%掺量和5%掺量的SBS改性沥青。出现该现象的原因可能是由于稳定剂的存在，导致SBS改性沥青在4%掺量处出现异常。

2.1.3 车辙因子

由图5和图6可知：

SBS改性沥青与Hon7686改性沥青车辙因子G*/sinδ均随着温度升高而逐渐减小，证明高温是沥青结合料产生永久变形的主要原因。相比于SBS改性沥青，无论是原样还是短期老化，Hon7686改性沥青的车辙因子更加优异，表明Hon7686改性沥青在线性粘弹区间的高温性能优于相同掺量水平的SBS改性沥青。

图5 原样沥青车辙因子-温度曲线图

图6 RTFOT沥青车辙因子-温度曲线图

综合SBS改性沥青与Hon7686改性沥青复数模量、相位角、车辙因子随温度的变化情况，可以认为Hon7686改性沥青在线性粘弹区间的高温性能优于相同掺量水平的SBS改性沥青。

2.2 多重应力蠕变恢复试验

2.2.1 不可恢复蠕变柔量

不同温度下SBS改性沥青和Hon7686改性沥青的不可恢复蠕变柔量相差太大，绘制在同一个图中难以对这两种改性沥青进行正确的对比。因此，将两种改性沥青在52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃下的不可恢复蠕变柔量Jnr0.1和Jnr3.2分别放在图7～10中。路面温度一般很难达到76 ℃，所以未对76 ℃下两种改性沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr0.1和Jnr3.2进行对比。

从图7和图8可以看出，相同掺量水平下，Hon7686改性沥青0.1 kPa应力水平不可恢复蠕变柔量Jnr0.1在所试验的温度水平下优于SBS改性沥青，但在3%掺量水平和70 ℃条件下略差于SBS改性沥青，这与该掺量水平下Hon7686改性沥青性质近于基质沥青有关。在4%、5%掺量下，Hon7686改性沥青的Jnr0.1明显优于同掺量水平SBS改性沥青。上述现象表明整体上，Hon7686改性沥青在低应力水平(0.1 kPa)下高温性能优于SBS改性沥青。

图7 52 ℃和58 ℃下Jnr0.1对比柱状图

图8 64 ℃和70 ℃下Jnr0.1对比柱状图

图9 52 ℃和58 ℃下Jnr3.2对比柱状图

图10 64 ℃和70 ℃下Jnr3.2对比柱状图

从图9和图10可以看出，相同掺量水平下，Hon7686改性沥青在较低温度(52 ℃、58 ℃)、较高掺量(4%、5%)下的Jnr3.2略优于SBS改性沥青，而在较高温度(64 ℃、70 ℃)下的Jnr3.2均比SBS改性沥青差。因此，高应力水平下，Hon7686改性沥青只有在温度不太极端(52 ℃、58 ℃)、掺量较高的情况下，与SBS改性沥青对比Jnr3.2才具有优势。

综合而言，在低应力水平下，Hon7686改性沥青整体优于SBS改性沥青，而在高应力水平下，Hon7686改性沥青仅在较低温度和较高掺量水平下才优于SBS改性沥青。

2.2.2 恢复率

从图11和图12可以看出，不管是0.1 kPa还是3.2 kPa应力水平，相同掺量水平下SBS改性沥青恢复率均优于Hon7686改性沥青。同时，Hon7686改性沥青恢复率随掺量变化较SBS沥青剧烈。表明3%～5%掺量范围内，Hon7686改性沥青与SBS改性沥青相比，力学响应对掺量变化更为敏感。

图11 0.1 kPa应力水平下恢复率曲线图

图12 3.2 kPa应力水平下恢复率曲线图

2.2.3 应力敏感性

将SBS改性沥青和Hon7686改性沥青应力敏感性指标Jnrdiff汇总于表1。

从表1中可以看出，Hon7686改性沥青的应力敏感性指标远大于SBS沥青。同时，两种改性沥青的应力敏感性指标随温度变化规律大致为随温度升高而增大。而Hon7686改性沥青在70 ℃和76 ℃处出现反常，表明Hon7686改性沥青在剪切荷载作用下其力学响应较为复杂，受温度的影响较大。

表1 SBS和Hon7686改性沥青Jnrdiff数值汇总表

3 结语

本文通过动态剪切流变试验和多重应力蠕变恢复试验，测试了3%、4%、5%掺量的SBS改性沥青和3%、4%、5%掺量的Hon7686改性沥青，分析了两种改性沥青在64 ℃～82 ℃区间的复数模量、相位角、车辙因子和52 ℃～76 ℃区间的不可恢复蠕变柔量、恢复率、应力敏感性，得出以下主要结论：

(1)无论是原样状态还是RTFOT状态，Hon7686改性沥青的车辙因子、复数模量均高于SBS改性沥青，高温下具有更高的刚度，但Hon7686改性沥青的相位角随温度变化规律相较SBS改性沥青略显复杂。

(2)同掺量水平下，各温度下Hon7686改性沥青在0.1 kPa应力水平下的不可恢复蠕变柔量优于SBS改性沥青，而3.2 kPa应力水平下的不可恢复蠕变柔量在较低温度(52 ℃、58 ℃)、较高掺量(4%、5%)时才相对SBS改性沥青有优势。与此同时， Hon7686改性沥青相较SBS改性沥青具有更大的应力敏感性。

(3)在实际工程中，考虑到Hon7686改性沥青施工温度低于SBS改性沥青，可在高温天气不极端、交通量较小的应用场景代替SBS改性沥青。