劉敬東

(河北省高速公路管理局　石家莊　050000)

紫外老化對(duì)SBR改性瀝青性能的影響

劉敬東

(河北省高速公路管理局石家莊050000)

摘要通過(guò)瀝青基本性能分析方法，研究了實(shí)驗(yàn)室制備SBR改性瀝青的最佳改性攪拌時(shí)間和最佳改性溫度等,并利用室內(nèi)紫外老化加速設(shè)備，研究在不同紫外光條件下，老化前后SBR改性瀝青的性能變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著紫外老化時(shí)間的增加，SBR改性瀝青的復(fù)合模量有增大的趨勢(shì)，同時(shí)相位角減小，說(shuō)明瀝青的粘性成分減小，瀝青老化變硬。高溫溫度掃描時(shí)，SBR改性后復(fù)合模量明顯增大，相位角差別不大但增速變緩，可知改性瀝青更硬，抗車(chē)轍能力更好。SBR改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，有更好的抗紫外老化性能。

關(guān)鍵詞紫外老化加工工藝SBR改性瀝青

強(qiáng)烈的紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致瀝青材料的老化。近年來(lái)，隨著我國(guó)瀝青路面的比例日益增大，老化引起瀝青路面結(jié)構(gòu)損害的現(xiàn)象逐漸為人們所重視[1-3]。丁苯橡膠(SBR)是出現(xiàn)較早并廣泛應(yīng)用的聚合物改性劑，一般認(rèn)為，SBR可以增加瀝青的彈性和粘性并降低瀝青的溫度敏感性[4-6]。本研究分別對(duì)SBR改性瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的模擬老化試驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)高低溫掃描來(lái)評(píng)價(jià)紫外老化對(duì)SBR改性瀝青性能的影響,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果以此探明紫外老化對(duì)SBR改性瀝青性能的影響規(guī)律。

1原材料

1.1　瀝青

本研究采用韓國(guó)SK公司生產(chǎn)的SK-90基質(zhì)瀝青，其基本性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　SK-90號(hào)道路石油瀝青性能指標(biāo)

1.2　改性劑

本研究采用丁苯橡膠(SBR)對(duì)瀝青進(jìn)行改性，其基本性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　SBR基本參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1　改性時(shí)間選擇

在單純機(jī)械攪拌法和單純剪切法中，每隔20 min取樣進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、延度實(shí)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)SBR改性劑隨改性時(shí)間在瀝青中的分散情況。SBR的摻量為3%(質(zhì)量百分比)；機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min,剪切攪拌速率為4 000 r/min，改性溫度為160 ℃。針入度和延度測(cè)試依據(jù)《JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，其測(cè)試溫度分別為25 ℃和5 ℃。

試驗(yàn)后，所測(cè)得的延度均大于1 500 mm，因此無(wú)法判斷SBR改性劑在瀝青中的分散情況。軟化點(diǎn)和針入度隨攪拌時(shí)間的變化見(jiàn)圖1~圖3。

a)　軟化點(diǎn)與機(jī)械攪拌時(shí)間變化圖

b)　軟化點(diǎn)與剪切時(shí)間變化圖

a)　針入度與機(jī)械攪拌時(shí)間變化圖

b)　針入度與剪切時(shí)間變化圖

圖3　改性時(shí)間-方差δ

軟化點(diǎn)曲線隨添加劑混合攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先波動(dòng)再平緩的過(guò)程。在機(jī)械攪拌中，軟化點(diǎn)在前80 min上下波動(dòng)較大，之后軟化點(diǎn)曲線呈現(xiàn)一條直線的趨勢(shì)，因此認(rèn)為在80 min后，SBR在瀝青中混合均勻。在剪切攪拌中，軟化點(diǎn)在前80 min同樣呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)，表明SBR含量在軟化點(diǎn)樣品中并不相同，因此認(rèn)為在80 min以前SBR在瀝青中沒(méi)有混合均勻，在80 min后，軟化點(diǎn)均一，認(rèn)為SBR在瀝青中分散良好。

由于針入度是對(duì)樣品大范圍取樣進(jìn)行分析，在SBR分布不均勻的情況下，不同取樣點(diǎn)的SBR含量勢(shì)必不同，測(cè)得的針入度不同，因而采用方差處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。針入度的方差曲線隨混合時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定在較小值的過(guò)程。在機(jī)械攪拌中，方差在前60 min有較大下降趨勢(shì)，之后方差曲線保持在較小值，因此在60 min后，SBR在瀝青中混合更為均勻。在剪切攪拌中，方差在前60 min呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)，表明SBR含量在針入度樣品中分布或者含量并不相同，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在60 min以前SBR在瀝青中沒(méi)有混合均勻。在80 min后，方差保持在較低水平，認(rèn)為SBR添加劑經(jīng)過(guò)80 min攪拌后在瀝青中分散良好。在保證SBR改性劑在瀝青中分散均勻的情況下，應(yīng)盡量防止瀝青因加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而老化，故選擇合理改性時(shí)間為90 min。

2.2　改性溫度選擇

通過(guò)改變SBR改性劑的添加溫度，研究120,140,160,180℃ 4種溫度下改性瀝青的性能變化，分析改性溫度與改性瀝青性能的關(guān)系，研究最佳SBR改性劑添加溫度。試驗(yàn)SBR摻量為3%，機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速800 r/min。得到針入度和軟化點(diǎn)隨改性溫度變化曲線見(jiàn)圖4和圖5。

圖4　SBR改性瀝青針入度-時(shí)間變化圖

圖5　SBR改性瀝青軟化點(diǎn)-時(shí)間變化圖

由圖可知，針入度隨改性溫度升高有下降趨勢(shì)，可見(jiàn)改性溫度過(guò)高，會(huì)加速瀝青的老化，從而導(dǎo)致針入度有下降。在140 ℃和160 ℃改性溫度條件下，針入度無(wú)太大改變，為了盡量避免瀝青在高溫下的老化，選擇最佳改性溫度為150 ℃。所測(cè)軟化點(diǎn)在120,140和160 ℃時(shí)沒(méi)有明顯的變化，而在180 ℃改性溫度下，軟化點(diǎn)有明顯的增加，說(shuō)明在此溫度下，改性過(guò)程中產(chǎn)生較明顯的瀝青老化現(xiàn)象。故改性溫度選為150 ℃是合適的。

3改性瀝青性能

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，粘彈性會(huì)隨著溫度的升高或降低而產(chǎn)生較大的變化。低溫時(shí)瀝青處于高彈態(tài)，隨著溫度升高，瀝青向高溫時(shí)的粘流態(tài)轉(zhuǎn)化，瀝青材料中的粘性成分不斷增多，彈性成分不斷減少；瀝青在剪切試驗(yàn)中所受的最大剪切應(yīng)力變小，同時(shí)最大剪切應(yīng)變不斷增大，表現(xiàn)為瀝青的復(fù)合剪切模量隨著溫度的升高逐漸下降，而相位角隨著溫度的升高逐漸增大，瀝青流動(dòng)性逐漸增強(qiáng)，宏觀上會(huì)變得更加柔軟。本研究通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備得到的SBR改性瀝青進(jìn)行溫度掃描，研究SBR改性瀝青的性能，以及紫外老化對(duì)其性能的影響規(guī)律。

圖6，圖7為基質(zhì)瀝青與SBR摻量為3%(質(zhì)量比)的改性瀝青，在老化前后復(fù)合模量和相位角隨溫度變化的關(guān)系。

圖6　高溫下SK90號(hào)瀝青和SBR改性瀝青老化前后復(fù)合模量和相位角變化圖

圖7　低溫下SK90號(hào)瀝青和SBR改性瀝青老化前后復(fù)合模量和相位角變化圖

由圖6、圖7可見(jiàn)，復(fù)合剪切模量G*隨溫度的升高而降低，相位角δ隨溫度的升高而增大。隨著溫度的升高，瀝青材料的粘彈性中的粘性成分不斷增加，彈性成分不斷減小，因而復(fù)合模量不斷減小。由于在應(yīng)力的頻率一定時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)從低溫溫度開(kāi)始時(shí)，δ比較小，表明應(yīng)變相對(duì)于應(yīng)力的滯后現(xiàn)象不明顯，是因?yàn)闉r青內(nèi)部鏈段運(yùn)動(dòng)速度緩慢，因此，造成的內(nèi)耗低。隨著溫度不斷升高，瀝青在慢慢向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，瀝青內(nèi)部的粘度仍然較大，但鏈段卻開(kāi)始產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，所以鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力較大，因此應(yīng)變相對(duì)于應(yīng)力的滯后程度加深，從而δ增大，內(nèi)耗也隨之增大。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，瀝青由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變，粘性成分增大，因而內(nèi)耗增加，δ增大。

隨著紫外老化時(shí)間的增加，復(fù)合模量有增大的趨勢(shì)，同時(shí)相位角減小。SBR的加入未改變?yōu)r青的復(fù)合模量和相位角的基本趨勢(shì)，所以也沒(méi)有改變?yōu)r青的基本性質(zhì)；趨勢(shì)雖是一樣的，但是復(fù)合模量、相位角變化的幅度是不一樣的。在使用DSR對(duì)瀝青進(jìn)行高溫溫度掃描時(shí)，SBR改性后復(fù)合模量明顯增大，相位角差別不大但增大變緩，可知改性瀝青更硬，且粘性成分更少，因此其抗車(chē)轍能力更好。

在使用DSR對(duì)瀝青進(jìn)行低溫溫度掃描時(shí)，與基質(zhì)瀝青相比，摻加了SBR后，低溫下的復(fù)合模量減小和相位角增大趨勢(shì)均變緩。由圖可知，初始-5 ℃下，SBR改性前后瀝青的復(fù)合模量和相位角差別不大，則在之后的變化中，同溫下改性后瀝青的復(fù)合模量更大，相位角更小，即相應(yīng)具有更少的粘性成分，則瀝青低溫抗變形、抗開(kāi)裂能力提高。

無(wú)論是高溫還是低溫掃描，SBR改性瀝青的復(fù)合模量和相位角的變化幅度均變緩，短期老化及紫外老化之后，SBR改性瀝青的復(fù)合模量和相位角差別較基質(zhì)瀝青要小得多，即抗高溫老化和抗紫外光老化能力更強(qiáng)。

4結(jié)論

(1) SBR改性瀝青的最佳制備條件為：溫度150℃，純機(jī)械攪拌90 min，轉(zhuǎn)速800 r/min。

(2) SBR改性劑的添加可降低改性瀝青針入度，升高軟化點(diǎn)，增加延度值。即經(jīng)SBR改性后瀝青的熱穩(wěn)定性得到改善，硬度變大，低溫抗裂性能有明顯提升。

(3) 隨著紫外老化時(shí)間的增加，復(fù)合模量有增大的趨勢(shì)，同時(shí)相位角減小，說(shuō)明瀝青經(jīng)紫外老化后其粘性成分減小，瀝青老化變硬。高溫溫度掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SBR改性后復(fù)合模量明顯增大，相位角雖然差別不大但增速變緩，可知改性瀝青更硬，且粘性成分更少，則其抗車(chē)轍能力更好。

(4) 紫外老化后，SBR改性瀝青的模量曲線和相位角曲線隨溫度的變化趨勢(shì)變緩，表明SBR改性瀝青的溫度敏感性降低。因此，與基質(zhì)瀝青相比，其材料性能更穩(wěn)定，有著更好的抗紫外老化性能。

參考文獻(xiàn)

[1]黃曉明,吳少鵬.瀝青與瀝青混合料[M].南京:東南大學(xué)出版社,2002.

[2]張登良.改性瀝青機(jī)理及應(yīng)用[J].石油瀝青,2003,17(2):36.

[3]XIAO Y, VAN DE VEN M F C, MOLENAAROL A A A.Characteristics of two-component epoxy modified bitumen[J].Materials and structures,2011,44(3):611-622.

[4]WU S, PANG L, MO L.UV and thermal aging of pure bitumen-comparison between laboratory simulation and natural exposure aging[J].Road Materials and Pavement Design,2008,9(S1):103-113.

[5]吳歡,梁乃興.SBR 改性瀝青混合料紫外光照老化分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2007,26(2):72-74.

[6]王佳妮,薛忠軍,譚憶秋,等.幾種瀝青抗紫外老化措施性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2013(5):140-142.

Effect of Ultraviolet Aging on Performance of SBR Modified Asphalt

LiuJingdong

(Hebei Province Expressway Management Bureau, Shijiazhuang 050000, China)

Abstract：According to the analytical method of the asphalt's fundamental characteristics, we researched the optimum modified mixing time and the optimum modified temperature of SBR modified asphalt in the laboratory. Using the indoor UV accelerated aging equipment, we studied the performance variation of SBR modified asphalt to simulate different acting time of UV. The influence of UV light on the performance of SBR modified asphalt was then investigated. Research data showed that the shear complex modulus of SBR modified asphalt increased and phase angle decreased with the increasing of UV ageing time. This indicated that the viscidity ingredient of asphalt would decrease and the asphalt would get harder during ageing. The complex modulus obviously increased and the phase angle increased very slowly, when we scanned high temperature. We could get to know the modified asphalt became harder and the anti-rut capacity became better. Research results also illustrate that the investigated SBR modified asphalt has better ultraviolet aging resistance than traditional unmodified asphalt.

Key words:ultraviolet aging; processing technic; SBR; modified asphalt