SBS改性沥青改性剂掺量及改性效果评价

SBS改性沥青改性剂掺量及改性效果评价鄂宇辉(辽宁省交通工程质量与安全监督局,沈阳󰀁110005)󰀁󰀁摘󰀁要󰀁SBS改性沥青在国内外已广泛应用,但由于缺乏改性剂掺量与改性效果的快速检测方法,无法对其质量进行有效控制。通过系统的室内试验及相关理论分析,最终确定检测与控制方法。󰀁󰀁关键词󰀁SBS改性沥青改性剂掺量改性效果1󰀁SBS改性沥青1.1󰀁SBS简介SBS(Styrene-Butadiene-Styrene)是一种热塑性弹性体,它是由苯乙烯(硬段S)和丁二烯(构成软段B)组成的,采用阴离子聚合制得的线型或星型嵌段共聚物。分子中间是聚丁二烯,两端是聚苯乙烯。其中丁二烯为软段即弹性段,苯乙烯段为硬段。软段作为连续相,使SBS呈高弹状态,硬段分布于丁二烯之间作为分散相起固定和补强作用。温度升高到超过苯乙烯玻璃化温度(+80󰀂)时,网状结构消失,冷却后又重新形成。由于SBS具有二相结构,因此具有两个玻璃化温度(-80󰀂相当于丁二烯的玻璃化温度)。在-80~+80󰀂范围内,SBS兼具橡胶的弹性和树脂的热塑性,因此具有很好的变形自恢复及裂缝自愈能力,是理想的沥青改性剂。国外的SBS最早是由美国菲利浦公司于1963年开始工业化生产的,随后全世界开始广泛应用。我国利用SBS改性沥青技术是在20世纪80年代初,到目前为止,SBS改性沥青已广泛地应用到高等级公路、市政工程和机场跑道。1.2改性基理SBS之所以能被广泛地用于沥青的改性与它独特的结构有关,在SBS的结构中,硬质的聚苯乙烯端链被聚丁二烯弹性体中央端连接起来,聚苯乙烯和聚丁二烯在常温时有不相容性,共聚物中分子链之间的聚苯乙烯内聚能密度较大,其两端首先分别与另外的聚苯乙烯聚集在一起,形成许多有约束成分的物理交联区域,同时又因其嵌段是柔性的聚丁二烯,可以形成网状结构。这种网状结构具有理想的弹性、塑性和延展性,从而改变沥青的力学性能,但是只有当沥青中的油分使聚合物充分溶胀后才能形成连续网络。由聚合物引起的油流动,可造成沥青胶体体系的不平衡,即使沥青中的芳香分、胶质与沥青质不相容,导致部分或全部沥青质絮凝。已有的试验表明各类改性沥青中,SBS改性沥青的抗永久变形能力最好。聚合物改性沥青一般指物理改性,即聚合物均匀分散沥青中形成聚合物与沥青的混和料。聚合物在沥青中分散均匀程度决定了改性的效果。由于改性道路沥青中SBS的加入量较少,可以理解为SBS是在沥青中发生溶解。这种溶解包括两个过程:先是溶胀过程,然后是扩散过程。即SBS首先吸收沥青中低分子物质溶胀体积增加,然后在热力或机械力的作用下以一定的状态分散在沥青中。当SBS加到热沥青中,沥青开始渗透,进入SBS粒子中,引起SBS的苯乙烯团逐渐溶胀,这时对溶胀的SBS加入强力剪切,在理想的拌和时间内会得到令人满意的分散体系。如果SBS能够均匀分散在沥青中,甚至形成相互交联的网状结构,不但可以改善沥青的高温性能,而且可以明显改善其抗低温变形能力。相反,如果SBS在沥青中分散不均匀或出现凝聚,会出现由于应力集中而使延度降低,SBS改性作用降到最小,甚至有负作用。因此考虑SBS与沥青相容性和分散性可通过低温延度试验来确定。如果SBS在沥青中呈现高相容和高分散则沥青低温延度明显增加。总之,基质沥青通过SBS改性后,高温稳定性有了大幅度提高,低温抗裂性得到增强,温度敏感性减弱,弹性恢复能力提高。2󰀁改性剂对改性沥青性能的影响影响改性沥青的因素有很多,如:基质沥青的质量、改性剂的质量、改性剂的掺量、改性沥青的加工工艺、改性沥青的储存及运输方法等。由于本文假 23 第8期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁北方交通定在基质沥青、改性剂均已进场,加工工艺、储存及运输方法一定的前提下,对改性沥青的改性效果进行研究,因此主要介绍改性剂对改性沥青性能的影响。改性剂的添加作用主要体现在:提高沥青的软化点;使沥青的25󰀂针入度下降;使延度的温度敏感性降低,5󰀂延度有很大提高。改性剂数量的多少直接决定改性的效果。SBS掺量为4%左右时,SBS对沥青软化点的改善效果与基质沥青类型密切相关;SBS掺量为6%时,不同基质沥青制成的改性沥青软化点则差别不大。这主要是由于SBS掺量为6%,SBS已在基质沥青中形成了较完善的网络状结构,改性沥青此时的软化点主要取决于分散的SBS数量及网络状结构的完善程度,而与基质沥青关系不大。从研究结果来看,SBS在沥青中形成网状结构的掺量应在4%~6%或6%左右。因此,国内在改性沥青生产中的SBS掺量取4%~6%是比较合适的。随SBS掺量增大,延度值有下降之后的回升趋势,这是由于延度试验时改性沥青破坏形态上的差异或由于SBS网络结构改变了基质沥青的变形特性的结果。同时,随温度降低而延度下降比较明显,但在一定温度条件下(5~10󰀂),随粉体SBS掺量的增大,延度先减小,后增大,呈凹曲线变化的趋势。基质沥青在温度5󰀂左右时延度下降十分显著,相比之下,SBS改性沥青在此温度区域内,延度下降幅度较小。这主要是由于SBS在改性沥青中形成网络状结构,同时SBS网在5󰀂温度区域内具备很好的变形适应能力,而SBS掺量较小时SBS网不够完整,这种改性沥青(如SBS掺量2%、4%)5󰀂延度相对基质沥青有所改善,但比SBS掺量大的改性沥青5󰀂延度要低得多。这充分证明,SBS网状结构对沥青变形性能的实质性影响。3控制指标的研究3.1改性剂质量及掺量控制的现状当前,由于受行业的限制,道路部门还无法对改性剂的质量进行检查,只能通过厂家的出厂合格证明予以确认,因此只能充分相信改性剂生产厂家并通过妥善的保管来确保SBS的质量不受影响。改性剂必须存放在通风条件良好的室内,并且注意防火;码垛不要太高,避免成团结块;生产时随用随时搬到现场,避免紫外线照射引起发黄变质;不用的要及时搬回室内避免雨淋受潮。而SBS改性剂含量的检测技术目前是一项空白,由于无法检查出改性沥青中SBS的含量,因此只能通过有效控制生产时SBS的掺量这一关键环节,这样就要求现场监理每天都应该对控制室的数据设置进行检查,认真核实操作人员是否按照给定的配比进行生产,确实保证改性剂的掺量,除此之外还可以通过改性剂每天的实际用量与当天的沥青混合料的实际数量进行校核来判断改性剂的掺量是否满足设计要求。即使通过这样的双控,我们由于没有任何检测手段,仍无法对改性沥青的掺量进行真实、有效的控制。因此,只能通过改性沥青性能对改性剂掺量进行控制并对改性效果进行评价。然而,仅规范规定的改性沥青的检测指标就有10多项,进行全套检验最少需要3d,这必然会影响工程进度,而且如果进行事后检验,必然会造成很大的经济损失。因此选取决定改性沥青路用性能的关键指标做室内试验,通过指标随改性剂掺量变化趋势及敏感性分析,来确定改性剂掺量控制及评价改性沥青改性效果的指标。3.2各检验指标的比较分析及室内试验根据辽宁省路面工程中应用改性沥青的实践经验,改性剂的最大掺量为内掺5%,因此主要是通过检测不同改性剂掺量的改性沥青的各项主要指标(针入度、软化点、延度、135󰀂运动粘度及60󰀂动力粘度),来研究改性剂掺量变化对沥青性能的影响。并通过各种试验操作难易程度、精度、操作所需时间及费用等方面的综合分析,最终确定检验指标。改性剂掺量变化范围从1.0%到5.5%,以体现性能指标的变化趋势。考虑到普通公路应用改性沥青时,改性剂掺量较小。因此在较常用的应用范围(3%~5%)以0.5%为步长,以便通过性能指标的检测对改性剂掺量进行精确控制。根据试验结果绘制各指标随改性剂掺量变化图。

󰀁󰀁根据图1~图5,做各指标敏感性分析(延度曲线变化不规律,不做敏感性分析)。从表1分析结果可以看出,从检测精度方面来看,60󰀂动力粘度对改性剂掺量变化最为敏感,所以其检测精度最高,其 24 北方交通󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007

次为135󰀂运动粘度,然后为软化点,最后为针入度。由于延度指标在改性剂掺量为5%附近出现不规律变化,所以不能作为检测指标。表1各指标敏感性分析指标针入度软化点135󰀂运动粘度60󰀂动力粘度4%掺量指标值62630.732180.6改性剂掺量3%5%3%5%3%5%3%5%指标值715949.589.50.3420.847105.6337.1变化量9-3-13.526.5-0.390.115-75156.5相对变化率0.145-0.048-0.2140.421-0.5330.157-0.4150.867绝对变化率0.1930.6350.6901.282表2󰀁指标各项指数综合比较指标试验设备投资试验前准备工作操作难易程度操作所需时间试验费用精度合计针入度24531419软化点11322312低温延度33253521135󰀂运动粘度4544522460󰀂动力粘度52114114󰀁󰀁注:各指数中,1代表投资最少、准备工作最简单、操作最简单、所需时间最短、试验费用最低、精度最高;5代表投资最大、准备工作最复杂、操作最难、所需时间最长、试验费用最高、精度最低。󰀁󰀁从试验操作及经济方面考虑,60󰀂动力粘度试验设备投资大,而且费用也相对较高,因此,该指标不适合作为改性效果评价的快速检测指标,它可以作为精确检测指标。通过敏感性分析,135󰀂运动粘度的精度和软化点指标检测精度相当,但135󰀂运动粘度的试验设备成本较高,操作困难,试验费用为所有指标中最高的一项,不适合作为快速检测指标。而软化点由于具有检测操作简单、方便,而且试验设备投入低,检测费用低等方面的优点,可以作为常规的快速检测指标。针入度的精度最低,而且对操作人员的技术水平要求较高,不适合作为快速检测指标。3.3󰀁控制指标的应用在基质沥青、改性剂均已进场后,分别取样,做不同改性剂掺量的软化点指标的室内标准试验,改性剂掺量变化范围为3.5%~5.5%,步长为0.5%。然后按图2和图5的样式绘制标准变化曲线。以后可以通过抽检改性沥青,做软化点指标试验,然后与标准曲线比对,来控制改性剂掺量和评价改性效果。也可以通过做60󰀂动力粘度试验来精确确定改性剂掺量,方法为做不同改性剂掺量的60󰀂动力粘度指标的室内标准试验,改性剂掺量变化范围为4%~5%,步长为0.2%。通过本方法对现场制备的改性沥青进行抽检,能有效控制改性沥青的质量。4󰀁结论(1)可以通过检测改性沥青的主要指标(针入度、软化点、135󰀂运动粘度及60󰀂动力粘度)对改性剂的掺量及质量进行检测。(2)软化点可作为快速检查改性剂的掺量的性能指标。60󰀂动力粘度可作为精确检查改性剂掺量的性能指标。(3)通过室内试验并绘制软化点及60󰀂动力粘度随改性剂掺量标准曲线,能对改性效果进行快速评价,从而对改性沥青质量进行有效控制。参考文献1󰀁公路工程沥青及沥青混合料试验规程,JTJ052-20002󰀁中华人民共和国行业标准.JTJ036-98公路改性沥青路面施工技术规范.北京:人民交通出版社,1999DosageofModifierforSBSModifiedAsphaltandEstimationofModifyingResultsAbstract󰀁SBSmodifiedasphalthasbeenalreadyappliedathomeandabroad.However,itsqualitycouldn!tbeeffectivelycontrolledlackofmodifierandhigh-speeddetectionofmodifyingresults.Throughsystematicaltrialinlabandcorrelativetheoreticalanalysis,thepaperdeterminesthemethodsfordetectionandcontrollastly.Keywords󰀁SBS󰀁Modifiedasphalt󰀁Dosageofmodfier󰀁Modifyingresults 25 第8期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁鄂宇辉:SBS改性沥青改性剂掺量及改性效果评价