摘要

使用不同型号的SBS改性剂制备改性沥青，采用常规性能指标评价方法，频率扫描、多应力蠕变恢复试验（MSCR）以及弯曲梁流变试验（BBR）对改性沥青的高低温性能进行评价。研究结果表明：SBS可以有效提高沥青储存模量和损失模量，提高沥青黏弹性能，星型改性剂能较大幅度提升沥青高温性能，制备的改性沥青平均恢复率较高，平均不可恢复蠕变柔量较小，但是与沥青相容性较差。线型SBS能较大幅度地提升沥青低温性能，改性沥青蠕变劲度减小，且与沥青相容性较好，丁二烯／苯乙烯嵌段比越大，对沥青低温性能提升越明显，沥青BBR试验中的蠕变劲度与常规指标中５℃延度有较好的相关性，可以作为评价沥青低温性能的重要指标。

关键词：SBS改性沥青 | 频率扫描 | 多应力蠕变恢复试验 | 蠕变劲度 | 高低温性能

随着中国经济的迅速发展，道路交通建设逐步加快，交通量和汽车轴载不断增加，加之中国南北气候差别较大，使得沥青路面面临越来越严峻的考验，近年来，车辙、开裂、坑槽等路面病害越发频繁，与普通重交道路沥青相比，SBS改性沥青能有效提高沥青路面的高低温性能，增强沥青路面的高温抗车辙及低温抗开裂性能，正得到越来越广泛的应用。

SBS结构是影响改性沥青性能的重要因素之一，SBS由于聚合物剂量、粒子大小、内部结构类型、分子量大小等因素的差异产生不同的改性效果。目前，在改性剂SBS应用中，一般认为星型结构的SBS对沥青性能的提高幅度较大，但是与基质沥青的相容性较差，导致改性沥青加工难度较大，线型结构的SBS与基质沥青相容性较好，但是对沥青性能提升较小。

国内外对改性沥青高低温性能评价方法不同，中国一般采用常规指标分析评价改性沥青高低温性能，以软化点表征改性沥青的高温性能，部分学者运用动态力学分析方法对沥青高温性能进行分析，通过线性黏弹范围内的频率扫描试验，构建模量主曲线和相位角主曲线，通过全频范围内的复数模量大小评价沥青的高温性能。美国SHRP计划中，以车辙因子评价沥青的高温抗剪切性能，但是车辙因子在评价改性沥青高温性能方面存在一定的缺陷，后来提出以多应力蠕变恢复试验（MSCR）评价改性沥青的高温性能，有学者认为MSCR试验可以在更高的应变范围内，测量到改性剂的参数变化，因此可以准确获得聚合物改性沥青的力学响应。MSCR试验中采用平均恢复率和平均不可恢复蠕变柔量来评价改性沥青的黏弹性能和抗永久变形能力，且平均不可恢复蠕变柔量与沥青混合料的抗车辙性能具有较好的关联性。

目前评价改性沥青低温性能的传统指标主要有低温延度、弗拉斯脆点、测力延度等，SHRP计划里以低温弯曲梁流变试验评价沥青低温性能，以蠕变劲度和蠕变率作为沥青低温性能的评价指标，蠕变劲度和蠕变率能充分反映沥青低温下对应力的累积和松弛性能，与沥青的实际路用性能关联性较好。

该文通过采用不同型号SBS制备改性沥青，结合改性沥青常规性能分析和美国SHRP沥青性能评价方法，考察不同结构SBS对改性沥青高低温性能的影响，为改性沥青的实际生产提供指导。

试验部分

原材料

研究选择中海70＃道路沥青为基质沥青，选取巴陵石化生产的SBS4303-2和YH796，韩国产SBS501和505共４种SBS为改性剂，制备改性沥青。

基质沥青及４种SBS改性剂性能指标如表１、２所示。

试验方案

(1) SBS改性沥青的制备

先将基质沥青置于烘箱加热至较好的流动状态，外掺2%的SBS改性剂，在185℃条件下剪切1ｈ，加入一定比例的稳定剂，调整温度至180℃，发育一段时间制备出SBS改性沥青样品。

(2) SBS改性沥青性能分析

改性沥青常规性能指标及低温性能指标根据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行分析，高温性能采用频率扫描试验和ASTMD7405-10ａ多应力蠕变恢复试验分析。

多应力蠕变恢复试验是美国联邦公路局在沥青重复蠕变试验基础上，扩大了应力范围，选取0.1和3.2KPa两个应力水平，对旋转薄膜烘箱试验残留物进行加载试验，试验首先采用0.1KPa的剪切应力，加载1s，卸载9s，重复10个周期，紧接着采用3.2KPa的剪切应力重复上述步骤。整个试验共20个周期，耗时200s。采用恢复百分率Ｒ以及平均不可恢复蠕变柔量Ｊｎｒ来评价改性沥青的高温流变性能。试验结果见图１。

由于中国夏季路面沥青高温能达到60℃左右，因此频率扫描试验及多应力蠕变恢复试验选择的试验温度为60℃，频率扫描试验应变设定为10%，频率范围设定为0.1～100rad/s，将少量沥青样品放在直径为25mm的两平行板间，调整平行板间距为1000μｍ，用热刮刀刮去挤出的沥青，恒温10min后进行试验。

结果与讨论

SBS改性沥青常规性能指标分析

试验结果见表３。由表３可以看出：以SBS4303-2制备的改性沥青软化点更高，说明其高温性能好，其他３种SBS制备的改性沥青软化点相差不大，以SBS4303-2制备的改性沥青60℃动力黏度更大，也进一步证明了其良好的高温性能，但是SBS4303-2制备的改性沥青离析更大，说明其贮存稳定性能差，５℃延度指标方面，ＹＨ796改性沥青＞ＬＧ505改性沥青＞ＬＧ501改性沥青＞4303-2改性沥青，５℃延度指标可以作为评价改性沥青低温性能的常规指标，由此可以推出，４种改性沥青低温抗开裂性能大小顺序如下：ＹＨ796改性沥青＞ＬＧ505改性沥青＞ＬＧ501改性沥青＞4303-2改性沥青，脆点指标方面，４种改性沥青差别不大。进行动态剪切流变试验分析４种改性沥青的流变性能，其高温等级均达到了64℃。

频率扫描试验

60℃下的频率扫描结果见图２。由图２可以看出：基质沥青和４种SBS改性沥青的储存模量在低频区和高频区均相差较大，SBS4303-2改性沥青储存模量更高，储存模量表示交变应力作用下材料存储并可以释放的能量，是沥青弹性性能的表征，４种改性沥青的储存模量在低频区和高频区均明显大于基质沥青，这是由于SBS的掺入提升了沥青弹性，在低频区，SBS4303-2改性沥青储存模量出现了平台区，这是多相聚合物体系黏弹松弛行为，是由于体系内形成了松弛应力的骨架，说明SBS4303-2在沥青中相互交联，形成了网络结构，基质沥青的储存模量在低频区出现了散点，这是由于试验温度较高，且频率较低，导致基质沥青在该区域内处于黏流态，弹性性能较差。损失模量反映的是沥青变形过程中内部摩擦以热的形式散失的能量，是沥青黏性的表征，４种SBS改性沥青损失模量在低频区和高频区均高于基质沥青，说明SBS的加入也同时提升了沥青的黏性，沥青的黏弹性能均得到了显著提升。

改性沥青多应力蠕变恢复试验

图３为0.1KPa应力作用下，中海70＃道路沥青和４种SBS改性沥青在MSCR试验１个周期内蠕变恢复情况。

由图３可以看出：在同样的加载条件下，基质沥青产生的应变明显大于SBS改性沥青，４种改性沥青在应力加载1s时产生的应变大小顺序为：SBS505改性沥青＞SBS796改性沥青＞SBS501改性沥青＞SBS4303-2改性沥青。在蠕变恢复阶段，基质沥青仅在蠕变恢复开始，有很小部分的变形恢复，之后变形恢复基本保持不变，４种改性沥青在蠕变恢复阶段的变形恢复明显优于基质沥青，变形恢复大小顺序为：SBS4303-2改性沥青＞SBS796改性沥青＞SBS501改性沥青＞SBS505改性沥青。

根据多应力重复蠕变试验数据计算得到中海70＃道路沥青与４种SBS改性沥青在0.1KPa应力以及3.2KPa应力作用下的平均恢复率及平均不可恢复蠕变柔量，如图４和表４所示。

由图４和表４可以看出：

①在0.1和3.2KPa应力作用下，４种改性沥青的平均恢复率均明显高于基质沥青，这是由于SBS改性剂具有橡胶的高弹性和抗疲劳性能，能有效改善沥青黏弹性能，增强沥青抗剪切能力；

②0.1KPa剪切应力作用下，４种改性沥青平均恢复率大小顺序为：SBS4303-2改性沥青＞SBS505改性沥青＞SBS501改性沥青＞SBS796改性沥青；

③3.2KPa剪切应力作用下，４种改性沥青平均恢复率大小顺序为：SBS4303-2改性沥青＞SBS796改性沥青＞SBS505改性沥青＞SBS501改性沥青；

④在0.1和3.2KPa两个应力作用下，基质沥青平均不可恢复蠕变柔量均为更大，SBS4303-2改性沥青平均不可恢复蠕变柔量均是小的，可见SBS4303-2改性沥青高温性能明显优于其他３种SBS改性沥青。

改性沥青低温弯曲梁流变试验

根据中国大部分地区对道路沥青低温等级的要求，分别在-12和-18℃对中海70＃道路沥青和４种SBS改性沥青进行弯曲梁蠕变劲度试验。

可以得出：在-12℃下，中海70＃道路沥青的蠕变劲度模量更大，说明在该温度下其低温性能差，４种SBS改性沥青蠕变劲度均较基质沥青有所下降，说明SBS改性剂的加入提高了沥青低温性能，增强了其低温抗开裂性能，SBS796、SBS505和SBS501这３种线型SBS改性剂制备的改性沥青劲度模量小于SBS4303-2制备的改性沥青，说明在该温度下，这３种改性沥青低温性能较优，根据劲度模量数值，４种改性沥青低温性能优劣顺序为：SBS796改性沥青＞SBS505改性沥青＞SBS501改性沥青＞SBS4303-2改性沥青，这是由于SBS属于苯乙烯－丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯属于硬段，有较强的刚性，丁二烯属于软段，有较好的黏弹性，丁二烯段比例高，SBS性质倾向于橡胶方面的韧性和弹性，更能加强改性沥青的低温性能。在-18℃下，中海70＃道路沥青、SBS505改性沥青以及SBS501改性沥青劲度模量相差不大，说明在该温度下，2%掺量的改性剂未能起到提升沥青低温性能作用。

Matest-Pavetest的BBR是一种热电型低温沥青弯曲梁流变仪，用于测试沥青胶结料在室温到-40℃（±0.03℃）的弯曲蠕变试验。 荷载由微型 伺服控制作动器施加，可施加+25N的负载，加载频率可以从静态到动态25Hz，无需配置空压机供应压缩空气。沥青弯曲梁流变仪通过 伺服控制，不需要频繁校准以及重复调节空气轴承的压力。 只需输入所需的荷载数值，伺服控制的作动器就会以难以置信的 精度施加并保持所设定的荷载。 使用安装在机器正面的温度控制器可以非常准确地控制温度。用户可以使用控制器或通过软件设置 浴温。沥青弯曲梁流变仪系统的核心是Matest-Pavetest的控制和数据采集系统（CDAS2）和（TestLab）软件。

常规应用
•沥青胶结料的弯曲蠕变试验
•受荷载作用下的裂缝密封低温特性
•满足ASTM D6648、 AASHTO T313和SHRP沥青试验规 范的沥青胶结料低温挠曲蠕变测试

产品特点
▍沥青弯曲梁流变仪通过伺服控制的设计不需要经常进行标定和反复 调整空气轴承的压力
▍加载频率从静态到动态 25Hz
▍不需要配套空压机提供压缩空气
▍采用外置式固态 Peltier 帕尔贴系统直接热电制冷 （无氟）
▍设计了单独的空气 - 水热交换器
▍集成的单独式浴槽，使用乙醇作为浴槽介质进行冷却

▍通过软件控制设定和监测水浴温度

▍全自动荷载闭环控制，无需每次开机手动调整满点/零点等旋钮

结论

（1）对中海70＃道路沥青及４种改性沥青进行了常规性能指标的分析，SBS改性剂能提高沥青的高低温性能，星型改性剂在提升沥青高温性能方面效果更佳，但是与改性沥青的相容性差，４种改性剂对沥青脆点的影响相差不大。

（2）采用频率扫描试验对中海70＃道路沥青及４种改性沥青高温流变性能进行了分析发现，SBS改性剂能明显提高沥青的储存模量和损失模量，提升沥青黏弹性能，SBS4303-2改性剂效果更好。

（3）采用多应力蠕变恢复试验评价中海７０＃道路沥青及４种改性沥青高温性能发现，SBS4303-2改性沥青平均恢复率更大，平均不可恢复蠕变柔量小，说明4303-2改性沥青抵抗变形能力强，SBS501、SBS505和SBS796，３种改性沥青平均恢复率及平均不可恢复蠕变柔量相差不大，说明SBS改性剂的空间结构和分子量是影响改性沥青高温抗变形性能的主要因素，SBS嵌段比对改性沥青高温性能影响较小。

（4）采用低温弯曲梁流变试验评价改性沥青的低温性能，在-12℃条件下，沥青蠕变劲度减小，表明该温度下SBS改性剂能够提升沥青低温性能-18℃条件下，SBS改性剂效果不明显。星型SBS改性剂在提高沥青低温性能方面效果较差，线型SBS改性剂能有效提升沥青低温性能，且丁二烯／苯乙烯嵌段比越高，越有利于提升沥青的低温性能。

参考文献：

［１］任满年，柴志杰．沥青生产与应用技术问答［Ｍ］．北京：中国石化出版社，2005．

［２］张肖宁．沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用［Ｍ］．北京：人民交通出版社，2006．

［３］郭咏梅，倪富健．基于ＤＳＲ的改性沥青及混合料动态黏弹性能［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，2014（２）．

［４］唐培培，申爱琴，肖葳．基于流变特性的温拌沥青温度与频率敏感性分析［Ｊ］．公路交通科技，2016（３）．

［５］沈金安．沥青及沥青混合料的路用性能［Ｍ］．北京：人民交通出版社，2001．

［６］栾自胜，雷军旗，屈仆等．SBS改性沥青低温性能评价方法［Ｊ］．武汉理工大学学报，2010（２）．

［７］詹小丽．基于ＤＭＡ方法对沥青粘弹性能的研究［Ｄ］．哈尔滨工业大学博士学位论文，2007．

［８］ＡＳＴＭＤ７４０５－１０ａＳｔａｎｄａｒｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＭｕｌｔｉｐｌｅＳｔｒｅｓｓＣｒｅｅｐａｎｄＲｅｃｏｖｅｒｙ（MSCR）ｏｆＡｓｐｈａｌｔＢｉｎｄｅｒＵ－ｓｉｎｇａＤｙｎａｍｉｃＳｈｅａｒＲｈｅｏｍｅｔｅｒ［Ｓ］．

如涉侵权，请联系删除！

了解更多产品详细信息，获取产品资料，欢迎垂询TIPTOP卓致力天！

服务热线 | 400-633-0508     邮箱：tiptop@tiptoptest.com