最新型SBR改性沥青的研制

     作者：张毅                                                                                                                            

    一般认为，SBR可以增加沥青的弹性和粘性并降低沥青的温度敏感性[4-6]。本研究分别对SBR改性沥青和基质沥青进行不同时间的模拟老化试验，采用动态剪切流变仪(DSR)高低温扫描来评价紫外老化对SBR改性沥青性能的影响，分析实验结果以此探明紫外老化对SBR改性沥青性能的影响规律。

    1原材料

    1.1沥青

    本研究采用韩国SK公司生产的SK-90基质沥青，其基本性能参数见表1。

    1.2改性剂

    本研究采用丁苯橡胶( SBR)对沥青进行改性，其基本性能参数见表2。

    2实验设计

    2.1  改性时间选择

    在单纯机械搅拌法和单纯剪切法中，每隔20min取样进行软化点、针入度、延度实验，通过试验结果来评价SBR改性剂随改性时间在沥青中的分散情况。SBR的掺量为3%（质量百分比）；机械搅拌转速为800 r／min，剪切搅拌速率为

4 000 r／min，改性温度为160℃。针入度和延度测试依据《JTG E20- 2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，其测试温度分别为25℃和5℃。 试验后，所测得的延度均大于1 500 mm，因此无法判断SBR改性剂在沥青中的分散情况。软化点和针入度随搅拌时间的变化见图1～图3。

       软化点曲线随添加剂混合搅拌时间的延长呈现先波动再平缓的过程。在机械搅拌中，软化点在前80 min上下波动较大，之后软化点曲线呈现一条直线的趋势，因此认为在80 min后，SBR在沥青中混合均匀。在剪切搅拌中，软化点在前80min同样呈现波动的趋势，表明SBR含量在软化点样品中并不相同，因此认为在80 min以前SBR在沥青中没有混合均匀，在80 min后，软化点均一，认为SBR在沥青中分散良好。

    由于针入度是对样品大范围取样进行分析，在SBR分布不均匀的情况下，不同取样点的SBR含量势必不同，测得的针入度不同，因而采用方差处理数据进行分析。针入度的方差曲线随混合时间的延长呈现逐渐稳定在较小值的过程。在机械搅拌中，方差在前60 min有较大下降趋势，之后方差曲线保持在较小值，因此在60 min后，SBR在沥青中混合更为均匀。在剪切搅拌中，方差在前60 min呈现波动的趋势，表明SBR含量在针入度样品中分布或者含量并不相同，该实验数据表明在60 min以前SBR在沥青中没有混合均匀。在80 min后，方差保持在较低水平，认为SBR添加剂经过80 min搅拌后在沥青中分散良好。在保证SBR改性剂在沥青中分散均匀的情况下，应尽量防止沥青因加热时间过长而老化，故选择合理改性时间为90 min。

    2.2改性温度选择

    通过改变SBR改性剂的添加温度，研究120，140，160，180℃4种温度下改性沥青的性能变化，分析改性温度与改性沥青性能的关系，研究最佳SBR改性剂添加温度。试验SBR掺量为3%，机械搅拌转速800 r/min。得到针入度和软化点随改性温度变化曲线见图4和图5。

    由图可知，针人度随改性温度升高有下降趋势，可见改性温度过高，会加速沥青的老化，从而导致针入度有下降。在140 0C和160℃改性温度条件下，针入度无太大改变，为了尽量避免沥青在高温下的老化，选择最佳改性温度为150 0C。所测软化点在120，140和160 0C时没有明显的变化，而在180℃改性温度下，软化点有明显的增加，说明在此温度下，改性过程中产生较明显的沥青老化现象。故改性温度选为1500C是合适的。

    3  改性沥青性能

    沥青作为一种典型的粘弹性材料，粘弹性会随着温度的升高或降低而产生较大的变化。低温时沥青处于高弹态，随着温度升高，沥青向高温时的粘流态转化，沥青材料中的粘性成分不断增多，弹性成分不断减少；沥青在剪切试验中所受的最大剪切应力变小，同时最大剪切应变不断增大，表现为沥青的复合剪切模量随着温度的升高逐渐下降，而相位角随着温度的升高逐渐增大，沥青流动性逐渐增强，宏观上会变得更加柔软。本研究通过动态剪切流变仪( DSR)对实验室制备得到的SBR改性沥青进行温度扫描，研究SBR改性沥青的性能，以及紫外老化对其性能的影响规律。

    图6，图7为基质沥青与SBR掺量为3%（质量比）的改性沥青，在老化前后复合模量和相位角随温度变化的关系。

    由图6、图7可见，复合剪切模量随温度的升高而降低，相位角随温度的升高而增大。随着温度的升高，沥青材料的粘弹性中的粘性成分不断增加，弹性成分不断减小，因而复合模量不断减小。由于在应力的频率一定时，当试验从低温温度开始时，比较小，表明应变相对于应力的滞后现象不明显，是因为沥青内部链段运动速度缓慢，因此，造成的内耗低。随着温度不断升高，沥青在慢慢向高弹态转变时，沥青内部的粘度仍然较大，但链段却开始产生运动，所以链段运动时受到的摩擦阻力较大，因此应变相对于应力的滞

后程度加深，从而增大，内耗也随之增大，当温度进一步升高，沥青由高弹态向粘流态转变，粘性成分增大，因而内耗增加，增大。

    随着紫外老化时间的增加，复合模量有增大的趋势，同时相位角减小。SBR的加入未改变沥青的复合模量和相位角的基本趋势，所以也没有改变沥青的基本性质；趋势虽是一样的，但是复合模量、相位角变化的幅度是不一样的。在使用DSR对沥青进行高温温度扫描时，SBR改性后复合模量明显增大，相位角差别不大但增大变缓，可知改性沥青更硬，且粘性成分更少，因此其抗车辙能力更好。

    在使用DSR对沥青进行低温温度扫描时，与基质沥青相比，掺加了SBR后，低温下的复合模量减小和相位角增大趋势均变缓。由图可知，初始-5℃下，SBR改性前后沥青的复合模量和相位角差别不大，则在之后的变化中，同温下改性后沥青的复合模量更大，相位角更小，即相应具有更少的粘性成分，则沥青低温抗变形、抗开裂能力提高。

    无论是高温还是低温扫描，SBR改性沥青的复合模量和相位角的变化幅度均变缓，短期老化及紫外老化之后，SBR改性沥青的复合模量和相位角差别较基质沥青要小得多，即抗高温老化和抗紫外光老化能力更强。

    4  结论

    (1) SBR改性沥青的最佳制备条件为：温度15 00C，纯机械搅拌90 min，转速800 r／min。

    (2) SBR改性剂的添加可降低改性沥青针入度，升高软化点，增加延度值。即经SBR改性后沥青的热稳定性得到改善，硬度变大，低温抗裂性能有明显提升。

    (3)随着紫外老化时间的增加，复合模量有增大的趋势，同时相位角减小，说明沥青经紫外老化后其粘性成分减小，沥青老化变硬。高温温度扫描实验结果显示，SBR改性后复合模量明显增大，相位角虽然差别不大但增速变缓，可知改性沥青更硬，且粘性成分更少，则其抗车辙能力更好。

    (4)紫外老化后，SBR改性沥青的模量曲线和相位角曲线随温度的变化趋势变缓，表明SBR改性沥青的温度敏感性降低。因此，与基质沥青相比，其材料性能更稳定，有着更好的抗紫外老化性能。

    5摘要

    通过沥青基本性能分析方法，研究了实验室制备SBR改性沥青的最佳改性搅拌时间和最佳改性温度等，并利用室内紫外老化加速设备，研究在不同紫外光条件下，老化前后SBR改性沥青的性能变化。研究发现，随着紫外老化时间的增加，SBR改性沥青的复合模量有增大的趋势，同时相位角减小，说明沥青的粘性成分减小，沥青老化变硬。高温温度扫描时，SBR改性后复合模量明显增大，相位角差别不大但增速变缓，可知改性沥青更硬，抗车辙能力更好。SBR改性沥青与基质沥青相比，有更好的抗紫外老化性能。