关键词：SBS改性剂 | 基质沥青 | 改性沥青 | 高低温性能

SBS改性沥青的品质受到基质沥青的化学组成、SBS的嵌段比、SBS的类型、SBS的添加量、化学添加剂的种类及用量等的影响，其中基质沥青化学组成与所添加的组分的相容性，是影响改性沥青性能及其稳定性的重要因素[1]。在沥青四组分组成中，真正改善性质的是芳香分(A)和胶质(R),它们对SBS部分溶解，整个体系呈两相结构，改性效果明显，而在沥青全组分中，饱和分(S)起到非常重要的溶胀作用，没有它的溶胀，聚合物在芳香分和胶质的溶解性差，也起不到改性的效果[2]。

本研究选取四种不同油源的基质沥青，旨在通过考察基质沥青与SBS剂量对改性沥青高、低温性能的影响，为提高SBS改性沥青的高、低温性能提供建议。

试验过程

试验材料

本实验选取的四种沥青编号为：I、II、III、IV,其性质如表1所示。聚合物选用编号为3501F的线型SBS,其性质如表2所示。SBS的添加量分别为2.0%、3.0%、4.0%、5.0%,稳定剂添加比例为0.25%。

试验方法

本实验中采用高速剪切机来制备SBS改性沥青，方法如下：基质沥青加热至180℃,将SBS加入到基质沥青中，高速剪切机以3000r/min的转速剪切30min后加入稳定剂，继续剪切20min后再加入一次稳定剂，继续剪切20min后将转速调至1000r/min,使其在该转速下剪切1h后装入器皿，等待后续测试。

测试方法

(1)常规测试SBS改性沥青常规测试项目与方法如表3所示。

(2)流变分析原样沥青的动态剪切流变实验(DSR),以车辙因子(G*/sinδ)作为评价沥青高温性能的指标，G*/sinδ越大，表示高温抗yong久变形能力越强，即混合料的高温稳定性越好[3]。G*/sinδ中G*是动态剪切复数劲度模量，G*越大表示沥青的抗流动变形能力越强；相位角δ是沥青结合料的弹性(可恢复部分)与粘性(不可恢复部分)成分的比例指标。本次DSR实验中，角频率为10rad/s,剪变速率为12%。

BBR试验采用弯曲蠕变劲度模量(S)和蠕变曲线的斜率(m)两个参数来评价沥青低温抗裂性能。S表示沥青抵抗荷载的能力，劲度模量S越小，则表示沥青的低温柔性越大；m表示蠕变劲度的变化速率，m值越大，则表示低温应力越不易累积，沥青路面不易发生低温开裂，这两个参数是建立在流变力学基础上的，能充分反映温度、时间对沥青低温流变性质的影响。

结果与讨论

SBS剂量与基质沥青组成对改性沥青高温性能的影响

(1)改性沥青的软化点根据实验结果，绘制出了SBS改性沥青的软化点随SBS剂量变化关系曲线，如图1所示。

从图1可以看出，随着SBS剂量的增加，四种不同基质沥青改性后的软化点有相同的变化趋势，但变化幅度不尽相同。SBS剂量由2.0%提高到3.0%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的软化点分别提高了11，10，9，11.5℃;当剂量由3.0%提高到4.0%时，I-SBS、II-SBS、III­SBS、IV-SBS的软化点分别提高了21，16，23，26°C;当剂量由4.0%提高到5.0%时，I-SBS、II­-SBS、III-SBS的软化点分别提高了3，2，7，0.5℃，可以看出，四种基质沥青改性后的软化点均在SBS剂量由3.0%提高到4.0%时增加zui快。

在较低SBS剂量下的改性沥青体系中，沥青为连续相，SBS为分散相，SBS会吸附沥青中部分轻组分使其发生溶胀，这导致沥青中小分子含量相对减少，同时，SBS的加入及溶胀也增加了沥青分子的运动阻力，从而使改性沥青的高温稳定性得以提高，但由于剂量比较低，SBS改性剂对沥青小分子的吸附未充分发挥，而沥青中仍有相对较多的小分子存在，这使得SBS改性剂与沥青没能达到稳定的互锁状态；当随着剂量增高，改性沥青中SBS与沥青的相态会发生变化，由沥青为连续相，SBS为分散相的相态逐渐转化为沥青与SBS均为连续相，此状态时，SBS的微相分离结构作用得以充分发挥，其微区相互缠绕交联形成互锁的网络结构，使其作用效果zui好，此时软化点的增长加快，表现在软化点变化曲线上就是其曲线斜率增da；而当剂量继续增加时，由于沥青中能被吸附的小分子可能已被吸附稳定，表现为软化点的变化幅度降低。

就本实验中改性沥青软化点的变化全程而言，其变化幅度顺序为：III-SBS>IV-SBS>I-SBS>II-SBS,主要原因在于基质沥青性质的差异，从图1可以看出：I、II、III、IV四种基质沥青油分（包括饱和分与芳香分）含量从大到小的顺序为III>I>IV>II,从这个现象基本可以看出，基质沥青中油分含量越多，改性沥青的软化点变化就越快，但沥青是一个极度复杂的胶体体系，在制备改性沥青中整个体系发生的某些变化很难得知，这可能就是导致IV-SBS软化点大于I-SBS的原因所在。

结合图1与表1可以看出，随着基质沥青中沥青质含量的增加，改性沥青的软化点随之增da，这就说明，更高含量的沥青质可以使改性沥青的高温性能更好，但随着SBS剂量的增加，这种表现则不是非常明显。从图1可以看出，SBS剂量在2.0%~3.0%范围内时，II-SBS的软化点大于IV-SBS,而SBS剂量在4.0%~5.0%范围内时，IV-SBS的软化点则大于II-SBS,这说明SBS在较低剂量时，基质沥青对改性沥青高温性能的影响zui突出，而SBS在较高剂量时，基质沥青对改性沥青高温性能的影响会逐渐减弱，改性剂的影响则逐渐加强。

(2)改性沥青的G*/sinδ

张国强[4]等人通过对改性沥青软化点与车辙动稳度之间相关性的分析，发现采用软化点指标在评价改性沥青高温性能时，表现出一定的局限性。本文采用车辙因子(G*/sinδ)来进一步表征改性沥青的高温抗yong久变形能力，以G*/sinδ-T作图，如图2所示。

图2中(a)-(d)分别表示I、II、III、IV四种基质沥青的SBS改性沥青的车辙因子随温度变化关系曲线，从图中可以看出，当温度升高时，四种基质沥青改性后的G*/sinδ表现出了相同的变化趋势，均随之减小，说明高温能使改性沥青的抗车辙能力下降，即温度越高，改性沥青的抗yong久变形能力越弱。同时，从图2亦可看出，随着SBS剂量的增加，G*/sinδ不断增加，这表明，较高的SBS剂量对沥青高温抗车辙能力有更好的改善。

在试验温度范围内，车辙因子的对数值随温度基本呈线性变化，所以，在某一温度下，改性沥青的G*lsinδ随SBS剂量的变化幅度能代表在该试验温度范围内的变化情况。从图2中(a)~(d)可以看出，温度为60℃,SBS剂量从2.0%提高到3.0%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的G*lsinδ分别增加了1410，1784，487，832Pa;当SBS剂扯由3.0%提高到4.0%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS的G*/sinδ分别增加了1604，2266，848，1226Pa;当SBS剂量从4.0%提高到5.0%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV­SBS的G*/sinδ分别增加了2786，3734，1696，1525Pa。从变化幅度数据可以看出，G*/sinδ在SBS剂董由4.0%提高到5.0%时变化幅度zui大。图3展现出了在相同SBS添加剂量下，四种改性沥青的G*/sinδ随温度变化的关系曲线，可以看出，在相同SBS添加剂量下，四种基质沥青改性后的G*/sinδ大小不同，从大到小的顺序是II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III-SBS,对照基质沥青的四组分含量数据可以看出，基质沥青中沥青质含量的增加，有利于改性后沥青G*/sinδ的提高，高温抗车辙能力增强。

SBS剂量与基质沥青组成对改性沥青低温性能的影响

(1)改性沥青的低温延度

依据试验数据，绘制出了SBS改性沥青5℃延度随SBS剂量变化的关系曲线，如图4所示。

从图4可以看出，随SBS剂量的增加，四种基质沥青改性后，5℃延度均呈现增加趋势，但增加幅度不尽相同。当SBS剂量在2%-3%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS在5℃时的延度分别增加了4，10，7，7cm;当SBS剂量从3.0%提高到4.0%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV­SBS在5℃时的延度分别增加了  1、2、15、4cm;当剂量从4.0%提高到5.0%时，I-SBS、II-SBS、III-SBS、IV-SBS在5℃时的延度分别增加了4，2，4，3cm,出现这种先大后小增幅的主要原因是SBS有较好的伸缩性能，少量的SBS在吸收沥青轻组分后，能溶胀充分，并形成局部网络。当有外力作用时，SBS与沥青形成的网络很容易伸展变形，降低切向应力，使纵向伸长，表现为延度很大。当SBS剂量增加时，网络更加趋于发达，这使得抵抗外力的作用增强，但切向应力却难于降低，所以随着SBS剂量的增加，低温延度却没有大幅度的增加。另一方面，从图4可以看出，在相同SBS剂量下，不同基质沥青在改性后，5°C延度大小不同，其大小顺序表现为：III-SBS>I-SBS>IV-SBS>II-SBS,而基质沥青中油分含量的顺序为IIl>I>IV>II,可以看出油分含量越多，改性后沥青的低温延度越好。

(2)改性沥青的劲度模量与m值

有研究表明测试0°C以下的沥青延度比较困难，而0°C以上的延度与路面实际低温相关性不强，认为较低温度下的延度尚难以反映沥青的低温延展性[4]。另外，在前述试验中，四组分中油分虽与改性沥青的低温延度有较好的相关性，但FuqiangDong等研究认为，基质沥青中芳烃含量过高或沥青质含量不足，会对改性沥青单方面指标的改善有利，但整体性能却没有显著提高芞本文对SBS改性后的沥青进行了弯曲梁流变(BBR)试验，根据试验结果，劲度模量(5)随SBS剂量变化的关系曲线如图5所示，m值随SBS剂扯的变化关系曲线如图6所示。

图5描述的是在特定温度下，劲度模量随SBS剂量的变化关系，从图5可以看出，在不同的温度下，劲度模量随SBS的增加呈现相同的变化趋势，均不断减小。低温时改性沥青的劲度模扯大小顺序均是：II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III­-SBS,其中，劲度模量变化幅度zui大的是III-SBS，S表示沥青抵抗荷载的能力，是结合料在相同温度、相同荷载作用下的内应力，S值越小，其低温柔性越大。

图6是在特定温度下，m值随SBS剂量的变化关系曲线图，从图6中可以看出，在不同的测试温度下，当SBS剂量增加时，m值均不断增加，在-12℃时，改性沥青的m值大小顺序为：III-SBS>I-SBS>IV-SBS>II-SBS,在温度为-18°C时，m值的大小顺序为：I-SBS>II-SBS>IV­SBS>III-SBS,而在温度为-24°C时，m值的大小顺序为：II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III-SBS。

如果材料在低温下，S值小，m值大，则表明该材料的低温性能好。低温劲度小，说明结合料在相同温度、相同荷载作用下，其内应力较小。但即使内应力小，如果不能通过变形及时松弛掉，则会在荷载的频繁作用下产生应力的累积，而当累积的总应力超过结合料的低温抗拉强度时，路面就会产生低温开裂。综上所述，四种基质沥青改性后沥青的低温性能优劣顺序为：II-SBS>I-SBS>IV-SBS>III-SBS,可见，四组分中与低温延度有较好正相关的油分含量并没有与BBR试验所得到的结果产生明显的相关性。

结论

a) SBS剂量的增加，改性沥青的高温性能随之增强，当SBS剂量在4.0%-5.0%范围内时，对沥青的改性作用能够充分发挥，因此，此阶段改性沥青高温性能的改善zui突出。随着基质沥青中沥青质含量的增加，改性沥青的高温性能增强，基质沥青中油分含量越多，则软化点增加速度越快。

b) 改性沥青5°C延度随SBS剂量的增加呈现先增加快后增加缓慢的变化趋势，油分含量多的基质沥青低温延度相对较好，即改性沥青5°C延度随着基质沥青中油分含量的增加而增加。但BBR试验结果表明，油分越多的基质沥青在改性后其低温性能并未表现出任何优势，BBR试验结果与四组分中的油分含量并不存在相关性。

c) 通过流变测试发现，四种基质沥青改性后，高、低温性能优劣顺序均为：II-SBS>I-SBS>V-SBS>III-SBS,可见，沥青质含量、油分含量以及胶质含量分别在12wt%、75wt%、13wt%左右的基质沥青在经过SBS改性后，高、低温性能更好。

参考文献：

[1]曹炳铖,刘庆勋.SBS改性沥青质量影响因素分析及对策[J].石油沥青,2014,28(05):63-68

[2]张玉贞,王翠红,黄小胜,钱家麟.聚合物SBS和沥青的相容性研究[J].石油学报(石油加工),2001,(02):68-71.

[3]高建华,魏志峰,楚晓辉,李玉梅.SHRP法评价胶粉及胶粉复合改性沥青性能[J].中外公路,2011,31(05 )250-252.

[4]张国强,黄卫东.不同改性沥青的软化点及动稳定度的评价与分析[J].石油沥青,2001,15(03):33-36.

[5]FuqiangDong,WenzheZhao,YuzhenZhang,JianmingWei,WeiyuFan,YanjieYu,Zhe Wang. Influence of SBS and asphalt on SBS dispersion and the performance of modified asphalt[J].Construction and Building Materials,2014,62.

全文完 发布于《石油沥青》2019年12月第33卷期 通讯作者：王勤芳，硕士研究生 

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