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SBS改性沥青性能评价指标的思考
2021-03-12
高SBS含量改性沥青以其优异的粘结性、回弹性和耐久性等高性能备受青睐,但目前仍沿用原普通SBS改性沥青技术指评价。随着SBS含量增加,富SBS相由分散相转变为连续相,原评价指标的合理性值得探讨。本文分析了针入度、软化点、5℃延度、弹性恢复、黏韧性和胶结料弯曲试验的技术指标随SBS含量的变化趋势,除三大指标外,建议采用5℃弹性恢复和增加-20℃弯曲劲度模量指标,而黏韧性为参考指标,更为合理评价高性能SBS改性沥青。

关键词:评价指标;SBS改性沥青;高黏度;黏韧性;胶结料弯曲试验

SBS改性沥青
性能评价指标
思考
长期以来,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)被证明是更经济有效的沥青改性剂,可以提高沥青的高低温性能、抗开裂、抗水损和耐疲劳各方面的性能。根据改性沥青的应用场合,SBS在改性沥青中的含量为2%~15%。当SBS含量较少时,改性沥青中富沥青质相为连续相、富SBS相为分散相;随着SBS含量的增加,改性沥青发生相转变,富沥青质相为分散相、富SBS相为连续相。发生相转变的含量约为5%~7%。《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)》将SBS改性沥青分为I-A、I-B、I-C和I-D四种,但实际使用的高黏度改性沥青、高弹性改性沥青等也是SBS改性沥青,未列入技术规范正文。区别在于I-A~I-D四种为富SBS相为分散相的改性沥青,SBS含量不超过5%;高黏度改性沥青和高弹性改性沥青为富SBS相为连续相的改性沥青,SBS含量较高,改性沥青中富SBS相为连续相。交通部的沥青路面施工技术规范已施行了16年未有调整,许多省份在实际应用过程中提出了自己的沥青路面施工技术规范,对SBS改性沥青提出了更高的要求。此外,排水沥青路面的相关规范、钢桥面的相关规范对高黏度改性沥青和高弹性改性沥青提出了各自的要求。我国SBS改性沥青存在规范标准不统一、认识不统一、个别规范中技术指标不合理的问题。本文结合国内外和笔者的相关研究,对SBS改性沥青的相关指标进行分析思考,以供行业参考。

三大指标

于石油沥青而言,针入度是沥青分级的依据,是表征沥青稠度的指标。根据使用场合选择不同针入度的沥青,一般来讲,针入度大的沥青适用于气候寒冷、需要较好的抗疲劳和抗开裂性能的场合,针入度小的沥青适用于气候炎热、需要较好的抗车辙和抗扭转性能的场合[1]。加入SBS会降低沥青的针入度(如图 1)。但这不意味着其低温性能劣于原石油沥青或SBS含量更少的改性沥青。生产SBS改性沥青时,通常还会加入油类物质如糠醛抽出油、芳烃油、页岩油等提高SBS与沥青之间的相容性,变大改性沥青的针入度,降低改性沥青的熔融粘度。也可加入石油树脂、天然沥青等降低针入度至合适的范围。


针入度指数是用于评价沥青感温性能的指标。沥青对温度越敏感,针入度指数越小;沥青对温度越不敏感,针入度指数越大。PI的范围从对温度极为敏感的沥青(约为-3),到对温度敏感性很低的充分吹氧沥青(约为+7)。按针入度指数可将沥青划分为三种胶体结构类型:PI<-2是溶胶型沥青;PI>+2是凝胶型沥青;PI为-2~+2的是溶凝胶型沥青。针对石油沥青而言,当PI<-2时,沥青的温度敏感性强;当PI>+2时有明显的凝胶特征,耐久性差[2]。《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)》中对石油沥青的针入度指数要求,A级为-1.5~+1.0,B级为-1.8~+1.0。对于I-D型SBS改性沥青的要求为PI≥0,未设置上限。但江苏省地方标准《江苏省高速公路沥青路面施工技术规范(DB32/T1087-2008)》[3]和浙江省交通运输厅发布的《浙江省高速公路沥青路面规范化施工指南》[4]中都对石油沥青和SBS改性沥青的针入度指数提出更严格的要求。两个文件要求相同,70号A级石油沥青针入度指数为-1.3~+1.0。SBS改性沥青要求针入度指数为-0.2~+1.0。在实际生产过程中分析了改性沥青中SBS含量对针入度指数的影响,结果如图 2。可知当SBS掺量为5%以内时,针入度指数小于+1.0。随着SBS掺量的增加,针入度指数相对增加,表明增加SBS掺量可以降低沥青对温度的敏感性,但相关系数不很高。这是由于针入度指数评价感温性能并不十分准确。针入度指数大对于路用性能有好处,因此建议江苏和浙江取消SBS改性沥青针入度指数上限要求。




软化点通常认为是表征高温性能的指标,加入SBS可以提高软化点,但软化点的增加速度先快后慢,软化点增加到90℃以上后提高SBS的含量对软化点的提升效果不明显(如图 3)。所以对软化点的要求更高为90℃以上。



低温延度通常用于评价改性沥青的低温抗裂性能。5℃延度随SBS含量的变化如图 4所示。可知当富SBS相为分散相时,5℃延度随SBS含量的变大而变大。当富SBS相为连续相时,5℃延度受基质沥青的影响较为明显,且SBS含量的变大对5℃延度的提升作用不一定有效。这是由于随着SBS含量的变大,改性沥青的内聚力变大,拉伸行为不表现为断裂伸长率的变大为主,而表现为断裂强度的变大。可知,当SBS含量较大时,5℃延度与改性沥青混合料低温性能的相关性较差。


弹性恢复

弹性恢复常用于评价SBS改性沥青的弹性恢复性能,其测试标准条件为25℃,拉伸速度5cm/min,拉伸长度10cm,应力松弛时间为0,恢复时间1h。发现当SBS含量较少,即富SBS相为分散相时,弹性恢复率与SBS含量的相关性较好;而当SBS含量较多,即富SBS相为连续相时,弹性恢复率都为90%以上,与SBS含量的相关性较差,如图 5。尝试通过采用更严格的试验条件,以提高富SBS相为连续相的改性沥青弹性恢复率的区分度,发现减少恢复时间、变大拉伸长度,区分度增加不明显;而降低试验温度,区分度较好,如图 6。因此,建议富SBS相为连续相的改性沥青的弹性恢复试验温度改为5℃。


黏韧性


沥青黏韧性试验是评价改性沥青改性效果的一种典型试验,初始用于评价SBR改性沥青,后扩展至用于评价排水沥青路面用高黏度改性沥青。一般要求试验温度25°C,拉伸速度500mm/min,拉伸至300mm结束。试验时,一开始表现出需要较大的荷载,后来则有一较长的变形段。将总的功称作黏韧性,将后期较长时间变形部分的功称作韧性。在进行黏韧性测试时,基质沥青的内聚力小,拉伸的沥青比较细;随着SBS含量的增加,改性沥青的内聚力变大,拉伸的沥青变粗,如图 7。当内聚力大于改性沥青与试验器半球圆头之间的黏附力时,拉伸变形不到300mm时改性沥青即从半球圆头上拉脱,从而结果偏小。
70#基质沥青黏韧性/韧性=6/1,I-D改性沥青黏韧性/韧性=24/17,高黏度改性沥青黏韧性/韧性=27/21,当SBS的含量继续变大,黏韧性/韧性降低至25/19,如图 8[6]。表现为随着SBS含量的变大,黏韧性先变大后减小,大约在SBS含量为7%时,黏韧性达到峰值。大约黏韧性30N·m,韧性25 N·m;且受基质沥青种类的影响较为明显。(如图 9[7])。此外,在评价高黏度改性沥青的黏韧性时,还发现切线不容易找准的情况,导致在计算韧性时受试验人员的人为因素影响。日本在评价高黏度改性沥青时,要求黏韧性不小于20 N·m,而不要求韧性[8]。对于SBS含量更大的改性沥青开发了其他的胶结料技术指标(胶结料低温弯曲试验)。我国规范对高黏度改性沥青有的要求黏韧性不小于20 N·m,韧性不小于15 N·m[9-11];有的要求黏韧性不小于25 N·m,韧性不小于20 N·m[12, 13]。应注意由于SBS含量大导致黏韧性测试结果偏小的情况。


胶结料弯曲试验

由于黏韧性随着SBS含量的增加先变大后减小,因此需要寻找与SBS含量相关性更好的胶结料指标。日本于2003年开发了胶结料低温弯曲试验。具体的试验方法[14-16]为将热沥青倒入模具中成型20×20×120mm的小梁试件,待冷却后用热刮刀刮除高于试模的沥青,放在试验温度中保温3~3.5h。将试件放置在试验机支座上,测定支点间距为80mm,以100mm/min的速度在跨径加载,记录变形和荷载。与混合料弯曲试验的计算方法类似,抗弯拉强度、更大弯拉应变、弯拉应变能和弯曲劲度模量的计算方法如下:

式中:——试件的宽度(mm),为规定值20mm;
——试件的高度(mm),为规定值,20mm;
——支点间距(mm),为规定值,80mm;
——更大荷载(N),为测定值;
——更大荷载时的应变量(mm),为测定值。
严格意义上,弯拉应变能是弯拉强度对弯拉应变的积分。采用抗弯拉强度与更大弯拉应变的乘积作为弯拉应变能,是为了计算方便,无具体的物理意义,约为实际弯拉应变能的两倍。
研究发现,随着SBS含量的增加,改性沥青的-20℃弯拉应变能变大,且受基质沥青种类的影响较小,如图 10。测试市售成品沥青的弯拉应变能发现,基质沥青<普通SBS改性沥青<高黏度改性沥青<寒冷地区用高黏度改性沥青。-20°C条件下进行的弯曲试验,基质沥青、普通SBS改性沥青、高黏度改性沥青都发生脆性破坏,寒冷地区用高黏度改性沥青为屈服变形,表明其低温性能优异,结果如图 11[6]。目前日本大部分关于高SBS含量改性沥青的规范对胶结料低温弯曲试验提出了要求,见表 1。


可见对不同的改性沥青,要求的试验温度不同。这是由于当发生脆性破坏时,随着改性沥青低温性能变好,弯拉应变能变大;当低温性能进一步变好,破坏形式由脆性破坏转变为屈服变形时,随着低温性能变好,弯拉应变能减小。即可能出现性能更优的材料不满足规范要求的情况。
改善改性沥青的低温性能可以从SBS改性剂的角度,如提高SBS的含量、采用聚丁二烯嵌段比例更高的SBS或采用分子量更小的SBS;也可以从橡胶油的角度,如提高橡胶油的含量或采用倾点更低的橡胶油[18]。同一种改性沥青,随着测试温度的降低,破坏形式会由屈服变形转变为脆性破坏。改性沥青低温性能的提升会使得由屈服变形转变为脆性破坏的温度降低。因此当比较两种沥青在同一温度下的弯拉应变能时,应首先判断低温弯曲试验时的破坏形式,屈服变形的沥青比脆性破坏的沥青低温性能好;同为脆性破坏时,弯拉应变能大的沥青低温性能好;同为屈服变形时,弯拉应变能小的沥青低温性能好。而弯曲劲度模量和更大弯拉应变的变化不会因破坏形式的转变而出现拐点。随着低温性能的改善,弯曲劲度模量减小,更大弯拉应变变大。弯曲劲度模量相对于更大弯拉应变具有更好的区分度。因此建议采用胶结料低温弯曲试验时,只采用弯曲劲度模量来评价。

结论

随着SBS含量的增加,尤其是当富SBS相由分散性转变为连续相后,改性沥青的技术指标表现出不同的规律。有些指标如软化点、25℃弹性恢复随着SBS含量的增加变化不明显;有的指标如25℃黏韧性随SBS含量的增加先变大后减小;有的指标如25℃黏韧性和5℃延度受基质沥青种类的影响比较明显。除三大指标外,建议采用5℃弹性恢复和增加-20℃弯曲劲度模量指标,而黏韧性为参考指标,更为合理评价高性能SBS改性沥青。在评价高SBS含量改性沥青时,不能盲目借鉴低SBS含量改性沥青的经验,而应充分评价SBS含量对改性沥青胶结料和混合料指标的影响,以及胶结料指标和混合料指标之间的关系,提出合理的技术要求。
另外,低SBS含量改性沥青的技术指标很多是沿用了石油沥青的技术指标,属于重质油的范畴。而高SBS含量改性沥青由于富SBS相为连续相,表现出聚合物的性质,可以认为是高填充的热塑性橡胶,有些重质油的指标并不一定适合用于评价高SBS含量改性沥青,可以考虑参考橡胶的相关评价手段。