基于DSR的不同SBS改性瀝青高溫流變性能分析

汪 海, 蘇 怡, 周 釗, 廖春花, 程 承, 楊忠良

(1.貴州省水城公路管理局，貴州 六盤水 553000； 2.西南林業大學 土木工程學院，云南 昆明 650224；3.云南省臨滄市氣象局，云南 臨滄 677099)

道路建設的快速發展和交通量的不斷增加，對瀝青路面質量提出了更高的要求，普通瀝青的技術性質已難以滿足。SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，既具有橡膠的彈性性質，又有樹脂的熱塑性性質[1]?？砂辞抖伪?S/B)對其進行分類，不同嵌段比的SBS自身性質不同，嵌段比中S是聚苯乙烯鏈段，給改性材料提供足夠的強度；B是聚丁二烯鏈段，給材料提供了良好的彈性性能[2]。也可按結構分類，一般分為線型和星型2種[3]。SBS作為瀝青改性劑可提高瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性，因而SBS改性瀝青的應用越來越廣泛，但不同SBS嵌段比、結構類型、生產廠家和摻量下，SBS對瀝青的改性效果有所區別[4]。

針對不同SBS的改性問題，研究人員已做過一些研究，如利用不同種類的SBS對瀝青進行改性，通過常規試驗發現相同摻量下，SBS的嵌段比越低，對瀝青的變形恢復能力改善效果越好，短期老化后星型SBS比線型SBS的抗老化能力好[5]。對不同嵌段比的SBS改性瀝青進行動態力學性能測試，得到瀝青路面可以針對不同鋪筑需要有目的地選用不同S/B制備的改性瀝青[6]。采用2種不同的SBS(791，792)研究S/B不同對改性瀝青分散形態與性能的影響，結果表明S/B高的SBS改性瀝青針入度較??；SBS摻量低于5%時，S/B低的改性瀝青軟化點高；超過5%后S/B高的改性瀝青軟化點則較高，S/B低的改性瀝青彈性恢復率較好[7]。

綜上可知，不同類型SBS對瀝青性能的改善作用不同，但對不同類型SBS高溫流變性能及抗疲勞差異性的影響研究尚不完善。因此，本研究選用不同類型、不同廠家的4種SBS制備改性瀝青，通過旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)、溫度掃描、頻率掃描、多應力重復蠕變(MSCR)和線性振幅掃描(LAS)試驗方法，探究不同SBS類型對改性瀝青高溫流變性能的影響，并基于Burgers模型及VECD模型，分別對不同類型SBS的黏彈分量及抗疲勞特性進行分析，以期為合理選擇SBS類型作理論參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1基質瀝青

本文所用瀝青為韓國SK70#基質瀝青，其技術指標達到規范相應技術要求(見表1)。

表1 基質瀝青技術指標類別針入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)軟化點/℃延度/cm測試值65.446.6>150規范限值60～80>46>100規范方法T 0604T 0606T 0605

1.1.2SBS改性劑

試驗采用的聚合物改性劑為中石化岳陽巴陵石化公司提供的線型SBS改性劑(YH-792)和星型SBS改性劑(YH-815)，以及惠州李長榮橡膠公司提供的線型SBS改性劑(3456)和星型SBS改性劑(1475)，其外觀均呈白色立柱狀，4種改性劑的嵌段比見表2。

表2 SBS改性劑技術指標結構聚合物名稱嵌段比(S/B)線型YH-79240/60345630/70星型YH-81540/60147530/70

1.2 SBS改性瀝青的制備

SBS改性瀝青的制備步驟如下：①首先將基質瀝青置于120 ℃的烘箱中，加熱基質瀝青至流動狀態；②將基質瀝青放置于170 ℃的油浴鍋中，利用高速剪切機先在轉速為500 r/min下緩慢加入4%摻量(占瀝青質量分數)的SBS，再以6 000 r/min的剪切速率剪切1 h，使SBS改性劑分散到瀝青中；③最后在170 ℃恒溫下發育1 h以脫除氣泡，在相同步驟下制得4種不同結構相同摻量的SBS改性瀝青，制備流程如圖1所示。以基質瀝青作為對比試樣，各試樣分別命名如下：基質瀝青160 ℃剪切1 h為SK70；4%的YH-792型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發育1 h為SK70+4%SBS1；4%的YH-815型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發育1 h為SK70+4%SBS2；4%的1475型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發育1 h為SK70+4%SBS3；4%的3456型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發育1 h為SK70+4%SBS4。

圖1 SBS改性瀝青的制備

1.3 試驗方法

1.3.1瀝青短期老化試驗

采用旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)模擬瀝青短期老化。按照SH/T 0736的試驗方法，取質量為(35±0.5)g的瀝青試樣進行測試，烘箱的溫度控制在(163±0.5)℃，對試樣進行85 min和5 h不同程度的老化，再對樣品進行相關性能測試。

1.3.2流變性能試驗

1.3.2.1 溫度掃描

利用溫度掃描可以得到固定頻率下瀝青材料隨著溫度增長的復數模量(G*)及相位角(δ)變化情況，得到的車轍因子(G*/sinδ)可用于評價材料的高溫抗變形能力。采用控制應變模式，夾具選用直徑為25 mm的平行板，間距取1 mm，在46～82 ℃溫度范圍內對瀝青試件進行掃描，控制加載應變老化前12%、老化后10%，加載頻率為10rad/s，采樣間隔為6 ℃。

1.3.2.2 頻率掃描

頻率掃描試驗夾具及試樣與溫度掃描試驗相同，采用控制應變模式，在30～90 ℃溫度下對瀝青試件進行掃描，目標應變值為老化前12%、老化后10%，加載頻率為0.1～100 rad/s，采樣間隔為10 ℃。試驗測得的黏彈性參數(儲存模量、損失模量、相位角和動態剪切黏度等)可以用來判定SBS改性瀝青的相容性[8-9]。

1.3.2.3 多應力重復蠕變(MSCR)試驗

MSCR試驗分2個階段，第1階段施加0.1kPa的應力，加載1s，卸載9 s，重復次數10次；第2階施加3.2 kPa的應力，重復上述步驟。2個加載應力之間不間斷，共20次循環，整個試驗共耗時200 s。參考AASHTO MPl9-10分級標準的要求，試驗溫度選擇64 ℃，采用直徑為25 mm的平行板夾具，試樣厚度取1 mm。

1.3.2.4 線性振幅掃描(LAS)試驗

依據AASHTO TP-101-12，采用動態剪切流變儀進行LAS試驗，試驗采用的溫度為25 ℃，夾具選用8 mm的震蕩板，其間距取2 mm。在試驗中，先對樣品進行頻率掃描，然后進行線性振幅應變掃描試驗。將樣品在0.1%應變下，0.2～30 Hz頻率范圍內進行頻率掃描，再進行線性振幅掃描，采用控制應變的加載方式，掃描時間為300 s，在試驗期間，加載的正弦波荷載振幅從0.1%線性增加到30%。根據流變特性和振幅掃描結果計算疲勞抗力，定義疲勞失效準則Df為疲勞破壞D達到初始|G*|sinδ的35%，如式(1)所示。疲勞壽命通過式(2)預測。

(1)

Nf=A35(γmax)B

(2)

2 結果與分析

2.1 溫度掃描分析

以瀝青不同溫度下的復數模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ評價其高溫抗車轍能力，車轍因子越大，表明瀝青路面在高溫條件下越不易產生車轍變形，即瀝青的高溫性能越好[11]。各SBS改性瀝青溫度掃描結果如圖2所示。由圖2可以看出基質瀝青和各SBS改性瀝青試樣的G*隨著溫度增加而不斷降低，而δ則不斷增加。同一溫度下，加入SBS后其G*較基質瀝青大大提高，同時δ降低，這是由于加入SBS改性劑，增加了瀝青的彈性，從而改善了高溫性能。經不同程度老化后，整體上SK70+4%SBS2(星型)的G*均大于其他瀝青，且δ均低于其他瀝青，說明其高溫性能最好；其次為SK70+4%SBS1(線型)、SK70+4%SBS4(線型)、SK70+4%SBS3(星型)。前兩者嵌段比(SB=40/60)大于后兩者(SB=30/70)，出現該結果的原因是聚苯乙烯含量較多的SBS分子鏈段較硬，摻入后能夠提高改性瀝青的抗變形能力。因此，相同SBS結構和摻量情況下，嵌段比越大，其高溫抗變形性能越好。

(a)未老化

(b)老化85 min

(c)老化 5 h

隨著瀝青的老化，瀝青的復數模量會增大，因此為評價SBS對瀝青是否具有抗老化效果，可采用老化指數來評價瀝青的老化程度和表征改性瀝青的抗老化性能?；诖?，本研究采用相位角老化指數δAI來反映瀝青的老化情況，其計算如式(3)所示,δAI越大則表明瀝青老化程度越小[12]。

(3)

式中：δ1為瀝青老化前相位角；δ2為瀝青老化5 h后的相位角。

基質瀝青和SBS改性瀝青試樣在不同溫度下相位角老化指數δAI變化規律如圖3所示。由圖3可以看出，4種SBS改性瀝青的δAI基本都大于基質瀝青，說明SBS改性劑中的聚丁二烯基發生降解，同時，瀝青中的瀝青質有利于抑制SBS降解，因此，SBS改性瀝青的抗老化性能較基質瀝青好。此外，4種SBS改性瀝青的δAI大小為：SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS4，表明嵌段比越大的SBS，其抗老化性能越好。

圖3 SBS改性瀝青的相位角老化指數

2.2 多應力重復蠕變(MSCR)分析

根據試驗結果繪制出0.1、3.2 kPa應力水平下應變隨時間的變化曲線，對不同瀝青之間的變化曲線進行對比分析，其中應變隨時間變化如圖4所示。

圖4 SBS改性瀝青的蠕變恢復曲線

由圖4可見：老化前，0.1、3.2 kPa應力水平下SBS改性瀝青的累積應變顯著小于基質瀝青，對比不同類型的SBS改性瀝青可知，SK70+4%SBS2的累積應變最小，SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS4的總應變均較低且相近，而基質瀝青和SK70+4%SBS3均較高。對于短期老化后的改性瀝青試樣，仍然是SK70+4%SBS2具有最小的累積應變，然后依次為SK70+4%SBS1、SK70+4%SBS4、SK70+4%SBS3和SK70。高溫條件下的累積應變越小，高溫抗變形能力越好[14-15]，由此可知，SK70+4%SBS2在各試驗條件組合下均表現出最優的高溫抗變形能力，表明相同嵌段比下，星型結構的SBS改性瀝青彈性恢復能力優于線型SBS，這可能是由于星型SBS相對分子質量高，彈性模量比線型SBS高[16]。此結果與DSR測試結果具有很好的一致性。

通過Burgers模型對MSCR試驗結果進行分析，Burgers模型是一種廣泛應用的黏彈性力學模型，它能更好地反映瀝青材料的黏彈性性能[17]。黏彈性模型可以響應黏彈性材料的瞬時彈性應變、黏彈性應變和黏性應變。本文研究采用恒定應力的蠕變載荷模式，Burgers蠕變方程如式(4)所示[18]：

(4)

黏彈性瀝青材料在蠕變載荷下的蠕變彈性一般分為3個部分，如式(5)所示:

J(t)=Je+Jev(1-e-t/Jev)+Jv

(5)

式中：Je=1/Em為瞬時彈性部分；Jev=ηk/Ek為延遲彈性部分；Jv=t /ηm為黏性部分。

根據伯格斯模型對四參數進行擬合，可以對MSCR試驗中蠕變恢復過程中瀝青的瞬時彈性部分、延遲彈性部分和黏性部分進行比較分析(見圖5)。

圖5 SBS改性瀝青的黏彈性成分比較

由圖可以看出，老化前，在應力水平為0.1kPa時，SK70+4%SBS1的瞬時彈性部分最大，但在3.2 kPa應力水平下，除SK70+4%SBS3和SK70+4%SBS4外，瀝青樣品的延遲彈性部分均明顯降低，說明應力水平是分析SBS改性瀝青蠕變恢復過程中黏彈性成分的關鍵。老化5 h后，所有瀝青試樣的延遲彈性部分均增加，瞬時彈性部分整體上降低，但SBS改性瀝青的瞬時彈性部分比基質瀝青大，其中SK70+4%SBS1的瞬時彈性部分最大，表明老化會導致瀝青試樣的變形增加，但添加SBS后可以降低瀝青的彈性變形，尤其是SBS1改性劑。

2.3 初始自愈合溫度分析

頻率掃描得到不同SBS改性瀝青復合黏度的測試結果，利用頻率和復合黏度進行擬合得到不同SBS改性瀝青的流動特性指數，結果如圖6所示。由圖6可知：流動特性指數為0.9時，老化前基質瀝青和SK70+4%SBS1～SK70+4%SBS4的初始自愈合溫度分別為50、46、62、48、51 ℃，由于SBS2和SBS4改性劑的添加，SBS改性瀝青流動性降低，故若想達到相同的流動狀態需要提高其溫度。老化后各瀝青試樣的初始自愈合溫度明顯提高，其中老化5 h后初始自愈合溫度差異較大。SK70+4%SBS1的自愈合溫度最低，為67 ℃；SK70+4%SBS2的自愈合溫度最高，為87 ℃。表明相同嵌段比下，線型SBS改性的瀝青更容易達到流體狀態，由于星型SBS相對分子質量較高，在其阻礙下瀝青難以達到流體狀態。

圖6 SBS改性瀝青在不同溫度下的流動特性指數

2.4 線性振幅掃描(LAS)分析與評價

為探究老化對SBS改性瀝青疲勞性能的影響，對25 ℃條件下LAS試驗結果進行分析。圖7為25℃時改性瀝青在RTFOT老化85 min和5 h后的應力-應變曲線。由圖7可知，瀝青試樣存在峰值應力，經RTFOT老化85 min后，SBS的加入降低了瀝青的峰值應力，同時SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2提高了瀝青的失效應變，失效應變大小為：SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS4>基質瀝青。經RTFOT老化5 h后，除SK70+4%SBS4外，各瀝青試樣的峰值應變均降低，即老化程度的增加使得瀝青在重復荷載作用下的應力-應變承受能力降低。各瀝青試樣在應力峰值處有一個范圍較寬的峰值區，該峰值區的范圍越大，表明瀝青在這一范圍內對應變的敏感性越低，對應瀝青的疲勞性能則越好[19]。由圖7(b)可知，SBS改性瀝青應力-應變曲線的峰值區范圍明顯大于基質瀝青，表明老化5 h后SBS改性瀝青對應變的敏感性小于基質瀝青，且失效應變的大小順序仍然與RTFOT老化85 min的結果相似，表明在相同嵌段比下，星型SBS改性瀝青的疲勞性能優于線型SBS改性瀝青，而無論是線型還是星型，嵌段比S/B為40/60時疲勞性能優于嵌段比S/B為30/70。

圖7 應力-應變曲線

利用VECD模型繪制瀝青試樣疲勞損傷曲線如圖8所示。其中橫坐標D代表累計損傷參數，縱坐標C即|G*|sinδ，表示瀝青試樣的完整性參數。當C=1時，瀝青試樣處于未損傷狀態；當C=0時，瀝青試樣已經完全破壞；當累計損傷參數D給定時，C越大，則材料抵抗損傷的能力越強[20]。由圖8可知，基質瀝青的虛模量下降速度最快，SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2的下降速度最慢，且損傷曲線趨勢基本相同，從疲勞損傷曲線的斜率可以看出各瀝青試樣的虛模量下降速度，即損傷速度。對比不同老化程度瀝青試樣可以發現，瀝青的損傷速度隨老化程度增加而加快。經RTFOT老化85min和5h后各瀝青的C值均未降至0，表明改性瀝青具有良好的耐老化性能。SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2瀝青在2種老化程度下的疲勞曲線規律明顯不同，說明當老化程度增加時，損傷強度逐漸增大。在RTFOT老化85 min條件下，抗損傷能力SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3；而在RTFOT老化5 h條件下，抗損傷能力SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS1，這可解釋為當老化程度增加時，SK70+4%SBS2的抗損傷能力表現更好。

圖8 損傷特征曲線

Bahia等[21]認為強度低的面層應該采用較低的路面預期，最大承受應變2.5%，而強度高的面層應該采用較高的路面預期，最大承受應變5.0%。根據公式，可以計算出每種瀝青在2.5%和5.0%兩種應變水平下的疲勞壽命，結果如圖9所示。

圖9 不同瀝青在兩種剪切應變下的疲勞壽命

由圖9可看出，隨著應變水平增大，各瀝青試樣的疲勞壽命數量級顯著降低，表明在高應力水平下，SBS改性瀝青的疲勞性能會變差。在同一應變條件下，隨著老化程度的增加，基質瀝青與SK70+4%SBS1瀝青的疲勞壽命下降，這與VECD模型得到的結論一致。但是其余3種SBS改性瀝青經過RTFOT-5 h老化后疲勞壽命反而增大，即這3種改性瀝青在老化程度加深時其抵抗重復變形能力較強。此外，對比相同應變下4種SBS改性瀝青的疲勞壽命發現，經RTFOT老化85 min后，疲勞壽命SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3；經RTFOT老化5 h后，疲勞壽命SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS1。由此可見嵌段比較大的SBS改性瀝青疲勞性能更好；經5 h老化后，相同嵌段比下，星型SBS對瀝青疲勞性能改善效果明顯好于線型SBS。

3 結論

1)由復數模量、相位角和相位角老化指數發現，相同SBS結構和摻量情況下，嵌段比越大，其高溫抗變形性能和抗老化性能越好。

2)通過MCSR試驗發現，老化前后SK70+4%SBS2的累積應變最小。表明相同嵌段比下，星型結構的SBS改性瀝青的的彈性恢復能力優于線型SBS。計算黏彈性成分后發現老化會導致瀝青試樣的變形增加，但添加SBS后可以降低瀝青的彈性變形，尤其是SBS1改性劑對瀝青彈性變形的改善較好。

3)基于頻率掃描評價瀝青的自愈合性能，根據流動特性指數發現，相同嵌段比下線型SBS改性的瀝青更容易達到流體狀態，由于星型SBS相對分子質量較高，在其阻礙下瀝青難以達到流體狀態。

4)根據VECD模型對LAS試驗結果計算發現，嵌段比較大的SBS改性瀝青疲勞性能更好；但相同嵌段比下，星型SBS對瀝青疲勞性能改善效果明顯好于線型SBS。