聚合物改性沥青流变学研究

SBS聚合物改性沥青相分离研究摘要：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)聚合物改性粘合剂是由两相聚合物共同组成的混合物。

在引力场的影响下，这种类型的系统是热力学不稳定的，并且有可能发生相分离。

在本研究中，通过热存储测试确定相分离，并用软化点、动态力学分析(DMA)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)进行了表征。

关键词：SBS聚合物；DMA；FTIR；相分离。

一、研究背景聚合物在沥青和聚合物/沥青系统中的相容性和溶解或精细分散的能力决定了改性的粘结剂体系的形成。

聚合物改性沥青(PMBs)由于两个组分(沥青和聚合物)之间的化学组分不相似，通常由两个不同的阶段组成。

为了达到提高聚合物改性沥青性能的目的，良好的贮藏稳定性(低相分离)是一种基本要求。

因此，PMB规范中提出的许多建议都包含了确定相分离的方法。

本文用采取动态力学分析(DMA)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)方法研究了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)聚合物改性粘合剂的相分离现象。

研究了基质沥青的类型、SBS聚合物对相分离的特性和浓度的影响。

此外，还研究了分离相的流变学性质，并讨论了相分离的机理。

二、实验材料在本研究中，用两种不同聚合物含量的SBS对四中来源的五中沥青进行了改性。

在制备改性沥青时，600克沥青被加热到液体状态，倒进一个2000毫升的球形烧瓶中。

在到达175摄氏度时，将SBS粉末加入到沥青中。

然后继续混合，在180摄氏度和125r/min的条件下混合两小时。

完成后，SBS沥青从烧瓶中取出并分成小容器。

三、SBS改性粘结剂的热储存通过热储存试验测定PMB相分离。

铝箔管直径3.5厘米，高19厘米，填充约90克均质SBS改性粘结剂。

没有空气罩封管后，使其在180摄氏度的条件下垂直存放三天。

改性沥青管冷却到环境温度（房间），然后再加热至约210摄氏度c，此后铝箔剥落并将改性沥青试样水平切割成三个相等的部分。

从管的顶部和底部的样品进行软化点测试、评估PMB相分离、FTIR和DMA。

改性沥青流变性能的研究摘要本论文根据广坛高速公路养护项目对沥青和沥青混合料流变性进行研究。

目前，该课题刚开始进行试验，实验数据不全，所以本论文首先给出本课题的研究方案，对试验中将要涉及到的数据首先进行设想性研究，为将来进行试验和实验数据的分析提供理论依据。

沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质，尤其是在高温季节，在行车荷载的作用下，沥青的流变性对沥青路面的性能具有重大影响。

抗流变性能差的沥青路面将很容易形成车辙、推移等病害，严重缩短高速公路的使用寿命。

用沥青为结合材料修筑的沥青路面常出现两种主要病害:高温车辙与低温开裂,其产生的主要原因是沥青及沥青混合料的高、低温稳定性不足，研究其流变性质将会有重要的意义。

1沥青路面的发展自沈大高速公路及沪嘉高速公路建成通车以来，高等级公路以前所未有的速度发展，我国高速公路进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的时代。

根据交通部公布的《国家高速公路网规划》，从2005年起到2030年，国家将斥资两万亿元，新建5.1万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8.5万公里。

目前，我国高速公路的使用有如下特点：①行车渠道化，大量的车死轧一条车道，使道路过度疲劳，尤其在高温季节，对公路的破坏力很大，特别是对四车道的高速公路危害更大。

②交通量提高过快且货车占的比重较大，占总车数的60%－70%。

③超重车过多，占大型车辆的60%-70%，车辆载重远远大于设计指标。

再加上高温天气等环境条件，致使公路沥青路面沥青混合料的高温抗剪切能力不足，发生车辙损坏。

如今，沥青路面车辙损坏问题日益突出，已成为我国的主要公路病害。

路沥青作为沥青路面最主要的建筑材料，沥青及沥青混合料的质量好坏直接决定沥青路面的使用性能及使用寿命。

众所周知，我国的道路沥青主要采用石蜡基原油炼制，沥青的温度敏感性较大。

因此，在一些气候条件恶劣和交通负荷特别大的或一些政治经济特别重要的路段，当使用重交通道路沥青仍不能满足要求时，为使沥青混凝土达到更高的使用性能，可以考虑使用改性沥青。

聚合物改性沥青流变性能研究进展王立志;毕飞;赵品晖【摘要】沥青是道路工程中应用最为广泛的道路结构材料,加入聚合物改性剂,可以改善沥青的流变性能,对改性沥青流变特性的研究可以进一步地了解其改性机理,使其更好地适应路面环境.运用流变指标分析聚合物改性性能成为新的研究方向.文章概述了聚合物改性沥青分类,分析了不同种聚合物改性沥青基于动态剪切流变试验中G指标(复数剪切模量G?、相位角δ、车辙因子G?/sinδ)、重复蠕变与恢复试验以及零剪切粘度方面流变指标的变化,总结了不同流变指标方面的差异,并展望了流变指标对于评价聚合物改性沥青性能的应用前景.【期刊名称】《山东建筑大学学报》【年(卷),期】2018(033)006【总页数】7页(P56-62)【关键词】聚合物改性沥青;流变学;车辙因子;相位角【作者】王立志;毕飞;赵品晖【作者单位】山东建筑大学交通工程学院,山东济南250101;山东建筑大学交通工程学院,山东济南250101;山东建筑大学交通工程学院,山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TU9960 引言由于道路交通流量的迅猛增长、行车荷载的增加以及交通渠化等因素的综合影响[1],现代交通对沥青路面的高温稳定性提出了更高要求,采用高性能的改性沥青材料成为提高沥青路面质量的关键技术措施之一[2]。

所谓改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺改性剂,或采取对沥青轻度氧化得到低标号沥青等加工措施,制得的改善高温性能的沥青或沥青混合料[3]。

聚合物改性剂的加入,改善了沥青的流变性能,但改性沥青存在着高温条件下不易发生车辙及低温条件下不会硬化导致路面开裂等问题,因此,通过研究改性沥青的流变特性,可以进一步的了解其改性机理,从而能够更好的适应路面环境。

流变学理论是由Binham创立,目前将其定义为在力的作用下,材料流动和变形随时间变化与发展的规律。

通过流变学理论在沥青材料研究领域的运用和总结,发现其可以从沥青材料性能的本质解释不同情况下沥青的粘弹性能[4]。

聚合物改性沥青细观结构和重复蠕变特性研究王岚;常春清;邢永明【摘要】针对内蒙古等西北部地区常用的3种聚合物改性沥青(SBS改性沥青、胶粉改性沥青和复合胶粉改性沥青),利用扫描电子显微镜(SEM)观察它们的细观结构形貌,得到改性剂在沥青中的分布状态及其与沥青间的界面结合特性,发现3种改性沥青的改性剂与沥青间均具有良好的界面融合性.利用动态剪切流变仪(DSR)对3种改性沥青进行不同温度和荷载应力下的重复蠕变试验,通过对累积应变、蠕变劲度的黏性部分Gv随荷载和温度变化规律的分析表明:3种改性沥青随加载次数、温度及应力大小变化的规律相同,但同样条件下胶粉改性沥青具有最低的温度敏感性、最小的累积应变和最大的Gv值,说明其具有最好的抗高温变形性能,其次为复合胶粉改性沥青.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2014(017)004【总页数】5页(P721-725)【关键词】聚合物改性沥青;细观结构;重复蠕变;蠕变劲度模量;延迟弹性【作者】王岚;常春清;邢永明【作者单位】内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学理学院,内蒙古呼和浩特010051【正文语种】中文【中图分类】U443.33聚合物改性沥青由于具有较好的高、低温性能而被广泛应用于沥青路面.常用的聚合物改性沥青有SBS改性沥青、橡胶粉（CR）改性沥青以及复合胶粉（CCR）改性沥青等［1－3］.CR 改性沥青是将废旧橡胶轮胎磨成粉末加入沥青中，经剪切研磨后再经溶胀作用而制成的一种环保型改性沥青，具有造价低、高低温性能及降噪性能良好等优点.CCR 改性沥青是将SBS和废旧橡胶粉同时作为改性剂并按一定比例加入沥青中而制成的一种改性沥青.近年来，这3种改性沥青在包括内蒙古在内的中国西北部地区得到了广泛应用.该类地区气候温差大，夏季高温干燥，因而要求沥青具有较低的温度敏感性和较好的抗高温变形性能.因此深入了解、对比分析上述3种改性沥青的性能，可为合理选用沥青提供理论依据.目前，关于沥青蠕变性能的研究很多.如利用弯曲梁流变仪（BBR），通过对低温条件下沥青的弯曲蠕变劲度及弯曲劲度－时间关系曲线的斜率进行分析，以研究胶粉改性沥青胶粉含量、溶胀率对其低温性能的影响［4－5］，以及老化作用对改性沥青低温性能的影响［6－7］；也有利用动态剪切流变仪（DSR）对沥青进行剪切蠕变试验，通过总应变和永久应变来分析沥青的变形恢复能力［8］；利用DSR 通过剪切蠕变试验、蠕变恢复试验及重复蠕变试验，对蠕变柔量、永久变形及累积应变的变化进行分析，研究热沥青添加剂对沥青流变性能的影响［9］；还有利用蠕变恢复试验数据进行拟合，得到伯格斯模型参数，进而对沥青的黏弹特性及抗车辙性能进行分析［10－11］；此外，通过研究证明，利用重复蠕变试验得到蠕变劲度的黏性部分来评价沥青的抗高温特性与混合料车辙试验结果一致，说明利用蠕变劲度的黏性部分来评价沥青黏弹特性具有可靠性［12］.综观已有的相关研究，大多基于蠕变试验、蠕变恢复试验、重复蠕变试验结果之上，而综合沥青细观结构和重复蠕变特性，对比研究几种聚合物改性沥青流变性能随温度和荷载变化规律的还不多见.本文针对中国西北部地区常用的3种聚合物改性沥青，基于细观结构特征及流变学原理，利用HITACHIS－3400N 扫描电子显微镜（SEM）来观察3种改性沥青的微观结构表面形貌，得到其细观结构特征；利用动态剪切流变仪（DSR）进行重复剪切蠕变试验，对比分析改性沥青的高温变形恢复特性，得出3种聚合物改性沥青胶浆变形随时间、温度和荷载的变化规律.1 聚合物改性沥青的微观形貌分析图1 聚合物改性沥青微观形貌Fig.1 Microstructure of polymer modified asphalts试验所用基质沥青均为盘锦AH－90道路石油沥青，CR 改性沥青为基质沥青中掺入20%1）本文所涉及的掺量等均为质量分数.的0.60mm（30目）橡胶粉颗粒制成；SBS改性沥青中SBS改性剂的掺量为4%；CCR 改性沥青中掺入18%的橡胶粉颗粒和2%的SBS改性剂.利用扫描电镜观察3 种改性沥青的微观形貌及改性剂的分布.试样在扫描电镜下的微观表面形貌如图1所示.由图1可见，SBS改性沥青中，由于SBS改性剂本身呈网状结构，因此使其具有很强的吸附沥青能力，两者间融合很好，呈现出表面均匀的特征.CR改性沥青中橡胶粉颗粒表面粗糙，因而具有较大的表面积，且不能溶解于沥青，它和沥青之间的界面模糊，界面厚度较大，橡胶颗粒被沥青完全包裹，两者紧密结合，两相界面之间具有良好的黏结性.与SBS改性沥青相比，CR 改性沥青呈现出非均匀相，是一种不均匀体系.在沥青中掺加胶粉颗粒后，由于两者的模量不同，在温度降低时会在胶粉颗粒中引起应力集中现象，促使其产生大量银纹和剪切带，此时胶粉颗粒会消耗大量能量，因此可以提高沥青的冲击强度和可塑性，使改性沥青的低温柔韧性能得到提高［13］.CCR 改性沥青中的改性剂与沥青间的界面结合状态介于CR 和SBS改性沥青之间，兼具SBS和CR 改性沥青的性质.由于3种改性沥青中的轻组分经过渗透、扩散进入SBS或橡胶粉颗粒网络结构中，使SBS及橡胶粉颗粒溶胀，从而有效降低了游离蜡含量［14］.组分的变化使得高蜡含量的沥青从溶胶结构转变为溶－凝胶型结构，感温性显著下降.2 重复蠕变试验及分析利用DSR 进行3种改性沥青胶浆重复蠕变试验.考虑到恢复时间接近蠕变时间的10倍已经足以使改性沥青的延迟弹性得到完全恢复，且在重复荷载作用之后得到的永久变形发展曲线基本接近直线［13］，故加载方式采用加载1s（进行蠕变试验）、卸载9s（变形恢复）作为1 次蠕变恢复循环，共进行100次循环.由于中国西北地区夏季路面最高温度基本为50～65 ℃，因此重复蠕变试验温度t采用55，65℃，加载应力P 则采用150，300Pa.2.1 累积应变图2为不同加载应力、不同试验温度下3种改性沥青胶浆的重复蠕变累积应变曲线.可以看出，随着加载次数的增加，3种改性沥青的累积应变增大.由曲线斜率可以看出，无论在何种温度和加载应力下，SBS改性沥青累积应变增加的速率都为最大.在加载应力相同的情况下，温度的升高均使改性沥青的累积应变增加，其中CR 改性沥青累积应变的增幅最小，SBS改性沥青的增幅最大，而且在相同温度下SBS改性沥青累积应变随加载次数增加而增加的幅度也是最大的.在3种改性沥青中，CR 改性沥青的累积应变最小，而SBS改性沥青的累积应变最大，说明CR 改性沥青对温度的敏感性最小，具有较好的抵抗高温变形能力，其次为CCR 改性沥青.这是由于CR 改性沥青中的橡胶粉在高温下把芳香油从沥青中吸附到了橡胶粉的聚合物链中，从而溶胀形成溶－凝胶状结构，使沥青的温度敏感性降低［15］.当加载应力不同时，加载应力越大，改性沥青的累积应变越大，其中SBS改性沥青的增幅最大，CR 改性沥青的增幅最小，说明CR 改性沥青在高温下具有最高的模量和抗变形能力.这是由于胶粉粒子在CR改性沥青体系中起着增强作用，使得沥青的模量增加.此外，由图2还可看出，尽管3种改性沥青的累积应变均随温度升高和应力增大而增加，但其中SBS改性沥青的累积应变都为最大，其次为CCR 改性沥青，说明SBS改性沥青抗变形能力最差.图2 累积应变随荷载作用次数变化关系Fig.2 Relationship between accumulated strain and loading number2.2 延迟弹性性能沥青作为典型的黏弹性材料，具有一定的延迟弹性，在变形恢复研究中，黏度不再是唯一的指标，延迟弹性对改性沥青变形发展的影响也至关重要.通过蠕变恢复试验可将延迟弹性从永久变形中分离出来.将恢复阶段的初始应变即卸载瞬时应变用εL表示，恢复阶段末的残余应变用εP表示.用εP／εL表示永久变形占总变形的比例，即变形中黏性部分的比例.统计3种改性沥青在加载应力P＝150Pa，试验温度t＝55，65℃条件下重复蠕变试验的应变后得出了加载次数为1，10，25，50，75，90，100次时的εP／εL 值，如图3所示.由图3可见，在不同试验温度下，3种改性沥青的εP／εL值在加载前期阶段都随着加载次数的增加而增加，体现了沥青的永久变形随加载次数的增加而不断积累；CCR 改性沥青及SBS改性沥青在加载25次之后的εP／εL值基本趋于平缓且较接近，在50次之后这种趋势则更加明显，而CR改性沥青在加载50次之后的εP／εL值也趋于平缓.情况表明，加载50次后随加载次数的增加材料变形发展逐渐趋于稳定，改性沥青延迟弹性的影响也随之减小.因此可以认为加载次数达到50次后，加载应力的影响已比较稳定，用此时的累积应变可以对沥青进行可靠的评价.图3 εP／εL随加载次数变化关系Fig.3 Relationship betweenεP／εL and loading number（P＝150Pa）2.3 蠕变劲度模量由四单元Burgers模型本构方程可知，沥青的蠕变柔量J（t）主要由3部分组成：弹性部分Je，延迟弹性部分Jde和黏性部分Jv，即：在评价改性沥青高温性能时，用沥青高温性能评价指标G＊／sinδ 无法反映沥青结合料的延迟弹性变形.因为在动态剪切试验结果中，G＊作为沥青的劲度模量包括了沥青的弹性和黏性两部分，而δ也是关于弹性和黏性的相对指标.用G＊／sinδ作为高温性能评价指标仅仅将沥青的弹性部分和黏性部分分开，而黏性部分中存在着延迟弹性部分，它会使沥青变形随着荷载作用的消失而逐渐恢复.尤其是聚合物改性沥青，由于改性剂的添加提高了沥青的弹性和延迟弹性部分的性能，所以G＊／sinδ并不是评价改性沥青高温性能的最佳指标.文献［16－17］提出采用黏性柔度的倒数GV（蠕变劲度的黏性部分）作为评价改性沥青高温性能的指标.因为黏性变形是产生永久变形的主要原因，对Burgers流变模型分析可知，GV的拟合是基于Burgers模型中Maxwell元件黏壶部分的残余应变与时间t的关系特性，反映的是沥青对永久变形的抵抗能力，它将改性沥青的延迟弹性从黏性部分中分离出来.因此，通过对改性沥青黏性性能的研究来评价其高温变形性能是行之有效的，GV与沥青混合料抗车辙变形性能具有较好的相关性.针对3种改性沥青在55℃，150Pa条件下的试验结果，利用Burgers模型本构方程（式（2）），通过试验数据拟合得到GV值，GV值与加载次数之间的关系见图4.由图4可知，3种改性沥青在加载初期的GV值较大，随着加载次数的增加而逐渐减小，并在50次之后开始保持稳定.Bahia等［16］建议采用第50次和51次蠕变恢复试验的数据进行流变模型拟合，以剔除初期加载不稳定因素和延迟弹性效应的影响.由图4可明显看出，CR 改性沥青的GV值大于CCR 改性沥青和SBS 改性沥青的CV值，说明CR 改性沥青具有更好的抗车辙能力.式中：J0，J1为弹性柔量（MPa－1）；η1 为Burgers模型中黏壶1的黏滞系数. 图4 GV随加载次数的变化Fig.4 Relationship between GV and loading number（t＝55℃，P＝150Pa）为分析不同温度及加载应力下3种改性沥青黏性性能的变化规律，采用Origin软件分别对它们在重复蠕变恢复试验第50次和第51次的数据进行拟合得到GV值，并对其取平均，结果见图5.由图5可知，随温度增加，3种改性沥青的GV值减小，说明改性沥青抵抗变形的能力随温度升高而下降，这与实际沥青路面的高温性能变化规律相一致.在温度相同、加载应力不同时各改性沥青的GV值均变化不大，这说明加载应力的变化不至于影响改性沥青的黏性性能.对比分析3种改性沥青在不同温度及加载应力下的GV值，可以看到CR 改性沥青明显大于CCR 改性沥青和SBS改性沥青，说明CR 改性沥青的抗高温变形能力要强于另外2种改性沥青.图5 3种改性沥青在不同条件下的GV值Fig.5 GV values for three modified asphalts under different conditions3 结论（1）橡胶粉和SBS改性剂与沥青间界面结合良好，使得改性沥青的相态结构发生变化，降低了沥青的感温性.（2）随加载次数、加载应力的增大和温度的升高，3种改性沥青的累积应变增大，其中CR 改性沥青的累积应变最小，具有最好的抗高温变形能力和最小的温度敏感性，其次为CCR 改性沥青.（3）采用重复蠕变恢复试验第50次和第51次数据进行拟合得到的GV值来评价沥青的高温性能，发现CR 改性沥青的GV值最大，因而具有最好的蠕变恢复能力，其次为CCR 改性沥青.参考文献：［1］SHIVOKHIN M，GARCA－MORALES M，PARTAL P，et al.Rheological behavior of polymer－modified bituminous mastics—A comparative analysis between physical and chemical modification［J］.Construction and Building Materials，2012，27：234－240.［2］de ALMEIDA JNIOR A F，BATTISTELLE R A，BEZERRA B S，et e of scrap tire rubber in place of SBS in modified asphalt as an 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沥青流变性能的研究沥青是一种粘弹性物质，具有一定的流变性质要求，其流变性对沥青路面的性能具有重大影响。

抗流变性能差的沥青路面将会出现车辙、断裂等问题，严重缩短高速公路的使用寿命。

沥青流变研究的样品包括沥青、改性沥青和沥青混合料。

完整的沥青流变性研究，需要涵盖这三种样品。

沥青主要由烷烃（平均相对分子质量在500～800之间）、芳香烃（平均相对分子质量在800～1000之间）、胶质（平均相对分子质量在1300～1800之间）、沥青质（是高度缩合的芳香烃，平均相对分子质量在数千到一万之间）等成分混合而成。

原料沥青的流变性较差，因此在要求严格的高等级公路中，普遍使用改性沥青，如目前国内外应用最广泛的聚合物改性沥青- SBS改性沥青，由于能同时改善沥青的高低温性能且价格便宜，在道路改性沥青中占有很大的份额。

其他的还有PE、EV A、SBR 改性沥青等。

沥青及改性沥青都是流变性相当复杂的混合体系，相应的流变测试方法众多，本文仅就AASHTO和SHRP中的研究方法做一简单介绍。

1993年，美国联邦高速公路管理局（FHWA）的美国国家公路和运输协会（AASHTO）制定了“国家战略性公路研究计划（Strategic Highway Research Program，简称SHRP）”，该计划的研究成果称为Superpave TM，提出了一个按照沥青的路用性能分级（PG分级）的沥青结合料规范，该规范是SHRP计划研究成果的精髓。

PG分级直接采用沥青路面所能承受的高温和低温所形成的温度差作为设计温度范围。

在PG性能分级规范中，用路面最高设计温度下的动态剪切流变试验（DSR）所测的抗车辙因子（G*/sinδ）表征沥青的高温性能，车辙因子G*/Sinδ表明胶浆抵抗流动变形的能力，G*/Sinδ值越大, 则沥青胶浆抵抗高温车辙的能力越强。

在AASHTO《美国各州公路工作者协会设计方法》设计TP5-98 (AASHTO TP5-98，现已更新为T315-08）中明确规定了动态剪切流变测量方法。

复合高粘改性沥青流变行为研究进展摘要：本文针对复合高粘度改性沥青的流变性能研究进展进行阐述，综述了高温性能等级、低温蠕变行为、温度敏感性、抗变形能力和疲劳性能的相关试验，并对复合高粘改性沥青流变行为的研究现状进行了展望。

关键词：高粘改性沥青；流变行为；性能1前言随着公路技术等级和路面等级不断提高，高速发展的同时，受重大荷载和恶劣环境影响的沥青路面经常会出现沥青老化、集料剥落松散等病害，导致沥青路面性能不足、安全性变低。

因此能够满足现代交通荷载并抵御天气影响的复合高粘度改性沥青，成为公路预防性养护中不可或缺的核心材料，其市场需求巨大，应用前景广阔。

复合高粘度改性沥青具有较高的粘度、韧性和软化点等优点，在集料之间可以形成较强的粘结。

复合高粘改性沥青较好的流变性质能有效防止高温下的沥青熔体流动堵塞路面空隙，影响路面的使用。

高聚物在粘流态发生的形变行为称为流变行为，其研究包括沥青粘弹性指标的测定和计算，在不同温度下对沥青施加不同荷载时会显现不同的粘弹性能。

沥青路面的车辙、疲劳、开裂等破坏问题都与沥青及沥青混合料的流变性、粘弹特性相关，因此探究复合高粘改性沥青的流变行为对解决路面病害及提高沥青材料性能具有重要意义。

本文对复合高粘度改性沥青的流变行为研究进展进行了综述，包括高温性能等级、低温蠕变行为、温度敏感性、抗变形能力和疲劳性能等，并分析总结了各自存在的问题及发展趋势。

2高温性能等级通过动态剪切流变仪(DSR)测得的复剪切模量|G*|和相位角δ来计算得到高温性能等级(PG)。

在战略公路研究计划(SHRP)的研究计划中，车辙阻力的特征是车辙因子|G*|/sinδ。

发现橡胶复合改性沥青普遍具有优异的高温抗车辙性能和抗疲劳开裂性能。

通过试验发现掺入高弹剂SR-1后，混合料的抗车辙性能有一定的提升，混合料的高温稳定性也得到提高。

通过试验发现，改性沥青种类和针入度等级对沥青混合料高温稳定性有显著影响，对于同种改性沥青，降低沥青标号有利于提高混合料的高温稳定性。

第20卷 第2期 重 庆 交 通 学 院 学 报2001年6月Vol.20 No.2 JOURNAL OF C HONGQI NG JIAOTONG UNIVERSI TY June2001文章编号:1001 716X(2001)02 0046 04聚合物SBS改性沥青机理分析李明国1, 梁乃兴2(1 西安公路交通大学,陕西西安710064;2 重庆交通学院,重庆400074)摘要:从聚合物SBS改善基质沥青技术性能出发,通过沥青改性前后四组分的变化来分析沥青改性的机理,并得出了沥青组分变化同路用性能之间的关系.关 键 词:SBS;改性沥青;四组分;机理中图分类号:414 75 文献标识码:A在高等级公路建设中,沥青路面作为一种无接缝的连续式路面,由于其自身的诸多优点,多年来一直受到世界各国的重视.在国内,大部分国产沥青由于产源及生产工艺等因素的制约,沥青含蜡量高,温度敏感性大,水稳性不够理想,耐久性欠佳,历来被认为难以适用于高等级公路路面.聚合物改性沥青被证明是改善这一状况的有效途径之一.其中热塑性弹性体SB S类改性沥青,由于改性后高、低温性能都能兼顾,其优良独特的改性效果是其它改性剂无法比拟的,所以SB S类改性沥青特别受到国内外研究人员的青睐.鉴于改性沥青良好的使用效果,人们越来越希望了解外掺剂与沥青之间的相互作用,即沥青改性的机理.但由于机理研究过于复杂,进展依然缓慢.笔者从沥青改性前后组分的变化情况来分析沥青改性的机理.1 改性剂SBS对基质沥青技术性能的改善作用采用的改性剂为1401型SBS,基质沥青为兰炼90#沥青(LL).从表1中掺加不同剂量的SBS改性前后的技术指标试验结果可以看出,感温性指标PI值、高温稳定性指标T800随SBS掺量从0%~ 12%,呈递增趋势,5 延度随SBS掺量的增加而增大,且在10%左右存在一个最大值.这表明改性以后沥青的感温性能、高温性能、低温抗裂性能均得到了改善.至于5 延度为什么在10%左右存在一个最大值,在机理分析中予以阐述.表1 兰练90#沥青掺加SBS改性前后指标试验结果项目LL LL+3%SBS LL+6%SB S LL+10%SBS LL+12%SBS针入度0 1mm15 313029323325 847970676530 1601261019898 PI-1 033-0 2630 6321 4591 715T800( )45 349 254 458 259 5 T1 2( )-14 9-18 6-23 1-29 0-31 0延度cm 10 89 428 550 874 064 6 5 7 813 837 050 348 2软化点( )46 050 355 691 297 7收稿日期:2000 09 20基金项目:交通部重点科技项目 聚合物改善国产沥青路用性能及机理研究(编号:95 06 02 18)作者简介:李明国(1972-),男,湖南东安县人,硕士,现广东省交通科学研究所工作,从事沥青路面材料的研究、开发和应用工作.2 沥青改性前后四组分分析沥青的四组分分析试验是按照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 J TJ052 93中规定的方法进行的.基质沥青(兰炼90#)及掺加3%,6%,10%,12%的SBS 后的改性沥青的四组分试验结果如表2.表2 基质沥青及改性沥青四组分试验结果项目饱和分(%)芳香分(%)胶 质(%)沥青质(%)LL50 3028 5016 734 47LL+3%SBS 45 3931 2017 276 14LL+6%SBS 42 4831 7019 036 79LL+10%SBS 41 1031 0319 318 56LL+12%SBS41 5831 4620 696 273 机理分析从表2试验结果可以看出,改性剂的掺入引起了沥青组分的重新分配,饱和分明显减少,胶质、沥青质、芳香分都有不同程度的增加.因为改性剂的加入只与沥青之间发生分子间的相互作用,并没有发生化学变化,则考虑改性剂的加入使改性沥青中基质沥青原组分含量的减少后,改性沥青中沥青各组分的变化如表3.表3 改性后沥青四组分含量变化项目饱和分(%)芳香分(%)胶 质(%)沥青质(%)胶质+沥青质(%)改性剂含量(%)LL+3%SBS -3 553 641 061 852 913 00LL+6%SBS -5 275 103 442 736 176 00LL+10%SBS -5 095 634 514 959 4610 00LL+12%SBS-3 736 746 442 558 9912 00注:本研究中改性剂含量=改性剂质量/沥青质量 100%.3 1 改性剂在沥青中的分布状态从表3中可以看出沥青的组分发生了变化,饱和分减少,且随着改性剂剂量的增加,饱和分的减少存在一个最大值(-5 27%),变化趋势如图1所示.图1 饱和分含量变化与改性剂剂量关系图1中的变化趋势线是采用二次多项式拟和而成,从图中可以看出,当改性剂剂量为7 6%时饱和分的减少量达到极大值约5 6%.改性剂是一种高聚物,与沥青的相溶性比较差,在沥青中的溶解只是一种溶胀过程,饱和分等溶剂小分子由于运动速度比较快,便渗透进入高聚物内部,使高聚物体积膨胀.如果高聚物分散度比较大,则比表面积大,与溶剂小分子接触面也比较大,这样渗透进入高聚物内部的饱和分小分子就多,所以改性以后饱和分明显减少.据荧光显微镜分析可知,6%的改性沥青中改性剂颗粒呈球形均匀分布,分散度比较大;而12%的改性沥青中改性剂呈连续分布,即发生了相转变,此时改性剂的比表面积比较少,饱和分渗透进入高聚物内部的机会就少,所以饱和分的减少量就少.改性剂在沥青中呈均匀分布时随着改性剂剂量的增加其比表面积也增大,改性后饱和分的减少量也增大;当改性剂在沥青中呈连续分布时,分散度变少,随着改性剂剂量的增加其比表面积也变少,反映在饱和分的变化上,随着改性剂剂量的增加饱47第2期 李明国等:聚合物SBS 改性沥青机理分析和分的减少量越少.这与表4中的试验结果是一致的.这样一来在相转变所对应的那一点上必然存在饱和分变化的极值点.从图1中拟和趋势线上可以得出饱和分变化的极值所对应的改性剂剂量为7 6%,按改性剂剂量定义式:改性剂剂量=改性剂质量/(沥青质量+改性剂质量) 100%计算改性剂剂量为7 1%,即对于SB S改性剂,当加入7 1%的改性剂时,改性剂在沥青中的分布将由分散相转变为连续相,发生相转变.由此可见,改性剂SB S在沥青中的分布情况与饱和分的变化具有很大的关系.改性剂SBS与沥青混合得越均匀,饱和分的变化越大.随着改性剂剂量的增加,饱和分的减少量呈抛物线趋势变化,改性剂SBS在沥青中的分布发生相转变.在饱和分变化的极值点,即改性剂含量7 1%时,改性剂SBS 在沥青中的分布由分散相转变为连续相,此时SBS 与沥青的混和最均匀,效果最好.3 2 感温性能及高温性能根据沥青胶体理论,认为沥青是一种微观不均匀的胶体体系,沥青质处于胶束中心,其表面和内部吸附有可溶剂,可溶剂中分子量最大芳香性最强的分子质点最靠近胶束中心,其周围又吸附一些芳香性较低的轻质组分.依此类推,逐渐且几乎连续的过度到胶束间相.即沥青质是分散相,胶质作为胶溶剂,油分为分散介质(胶束间相).当沥青中加入改性剂以后,由于分子间作用力改性剂与胶质相互作用,使胶质的含量增加,在沥青中将形成新的胶束,形成类似于沥青本身的另一种胶体结构,使沥青中总的胶束含量增加,从而使沥青胶体结构向凝胶型方向转化,使沥青的温度稳定性增加,反映在其评价指标PI、T800上,就是使PI值由改性前的-1 033增大到改性后的-0 263~1 715,T800比改性以前增加,当量软化点从改性前的45 3 提高到49 2 ~59 5 .添加SBS改性以后沥青胶质含量增加量与PI、T800随改性剂含量变化关系如图2、图3所示.图2 改性后沥青胶质增加量与PI随改性剂含量变化图3 改性后沥青胶质增加量与T800随改性剂含量变化从图2、图3可以看出添加SB S改性以后沥青胶质含量增加量与PI、T800随改性剂含量变化趋势是一致.表明PI、T800跟改性沥青中胶质含量增加量存在着一定的相关关系,胶质含量增加越多,温度敏感性越低,当量软化点越高.所以对于SBS改性基质沥青来说,胶质含量越多对改性沥青的感温性、高温稳定性的改善是有益的.3 3 5 延度从表4中还可以看出,胶质和沥青质之和的变化趋势与沥青的延度变化趋势相同:在改性剂常用剂量范围(3%~6%)内,随着改性剂剂量的增加胶质和沥青质之和的增加量呈递增趋势,对于10%的改性沥青其胶质和沥青质之和的增加量比12%的要大.如图4、图5所示.图4 5 延度与改性剂含量关系图5 胶质和沥青质之和的变化与改性剂含量关系图4、图5中的趋势线是通过三次多项式拟和而成的,趋势线方程已在图中给出,相关系数(R2=1),表示所给趋势线是非常可信的.根据曲线方程y=ax3+bx2+cx+d,当x=-1/3a (bb2-3ac)时将出现极值点.因为改性剂含量大于0,所以当改性剂含量为10 34%时,5 延度达到最大;当改性剂含量为10 54%,胶质和沥青质之和的增加量达到最大值.改性剂含量10 34%和48重庆交通学院学报 第20卷10 54%相差仅0 2%,可以看做同一个点.由此可见,5 延度、胶质和沥青质之和的增加量它们的变化趋势是一样的.即胶质和沥青质之和的增加量与改性沥青5 延度之间存在相关关系,胶质和沥青质的含量增加越多延度增加越大.因为胶质和沥青质中存在着沥青中绝大部分极性基团,分子之间偶极作用强烈,改性剂的加入将通过偶极作用与胶质和沥青质等大分子作用,从而使胶质和沥青质的含量增加.在拉伸变形时,改性剂、胶质和沥青质共同承受力的作用,尤其在低温时由于沥青的变形比改性剂要小,SBS 具有柔性,所以延度增加.实际情况表明胶质和沥青质的含量变化与沥青的延度之间存在相关关系,胶质和沥青质的含量增加越多延度增加越大.胶质和沥青质的含量增加,主要是由于改性剂通过分子间作用力与胶质和沥青质相互作用引起的.所以,胶质和沥青质含量多的沥青,延度增加越明显,对SBS 改性沥青是有利的.4 结 论通过以上的分析可以得出,对于SBS 改性沥青,改性后沥青组分的变化、基质沥青中的组分含量与改性后沥青的性质之间存在着一定的相关关系.饱和分的减少量与改性剂在沥青中的分散程度有关,饱和分减少最大时,改性剂在沥青中的分散最好,同时这也是改性剂SB S 在沥青中分布发生相转变的临界点.胶质和沥青质之和的增加量与改性沥青5 延度之间存在相关关系,胶质和沥青质的含量增加越多延度增加越大.胶质含量增加越多,温度敏感性越低,针入度指数PI 值增大,当量软化点T 800越高.所以对于SBS 改性基质沥青来说,改性剂在沥青中的分布情况与饱和分的含量有关;胶质和沥青质含量多的沥青,5 延度增加越明显;胶质含量越多对改性沥青的感温性、高温稳定性的改善是有益的.参考文献:[1] 公路工程沥青与沥青混合料试验规程[S](J TJ052 93).北京:人民交通出版社,1993.[2] 严家亻及.沥青材料性能学[M ].北京;人民交通出版社,1990.[3] 王子军.石油沥青质的化学和物理 石油沥青质溶液的胶体化学[J].石油沥青,1996,(1).[4] 李明国.聚合物SBS 改性沥青路用性能及机理研究[D ].西安公路交通大学,2000.The polymer SBS mod ified asphalt mechanism analysisLI Ming guo 1, LIANG Nai xing 2(1 Xi an Highway University,Xi an 710064,China;2 Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:Starting from polymer SBS improved performance of radical asphalt,this paper analyses the mechanism of modified asphalt by the four component changing in fore and aft modification.Moreover we can deduce relations betweenthe changes of asphalt components and pavement performance.Key words:SB S;modified asphalt;four components;mechanism责任编辑:袁本奎49第2期 李明国等:聚合物SBS 改性沥青机理分析。

沥青及沥青混合料的流变性能摘要：分析沥青及沥青混合料高温和低温条件下的流变性能及其反映参数。

高温条件下，通过试验测试沥青胶结料的粘度、车辙因子，蠕变模型参数，与60℃车辙试验动稳定度做对比。

低温条件下，用0℃表观粘度和由各温度下沥青实测粘度计算的粘温指数评价沥青低温条件下的感温性。

关键词：流变性；车辙；蠕变；裂缝1 引言沥青是典型的粘弹性材料,沥青的使用性能与其流变特性有着直接的关系。

随着我我国高等级路面的不断修筑，沥青与沥青混合料作为一种非常重要的土工材料被广泛应用于道路路面,有关其流变性能的研究也在世界各地展开。

研究表明,沥青和沥青混合料具有相同的粘弹性性质，正确认识沥青和沥青混合料流变特性,有助于解决一些路面材料的力学问题、提供一套更好的路面设计理论,从而设计出更为实用的路面结构。

沥青在高温情况下的流变性能为提高沥青路面的高温抗变形能力，各种聚合物改性沥青在高等级公路上已被广泛采用。

本文采用Brookfield粘度计和动态剪切流变仪(DSR)对不同类型的沥青胶结料，通过旋转粘度试验、动态剪切流变试验与蠕变试验等三种流变测试方法，测试了粘度、车辙因子与蠕变模型参数等反映沥青流变性能的参数，并结合混合料高温车辙试验结果，分析几种高温流变参数的适用性。

2．1 粘度试验Brookfield粘度计用于测量沥青的高温粘度。

对照混合料的高温车辙试验结果，发现沥青粘度值较为准确地反映了混合料的高温性能，粘度值大小排序情况和车辙试验动稳定度的结果较为一致。

但是由于粘度试验测试方法与沥青使用过程中的受力状况不同，无法通过粘度试验描述沥青的流变行为特征。

另外，由于旋转粘度仪测试设备的限制，有相当部分的改性沥青粘度值超过仪器的量程范围，从而无法得到准确的粘度测试结果。

我国规范中评价沥青混合料高温性能的指标为车辙试验的动稳定度。

本文采用60℃车辙试验作为室内评价沥青混合料高温性能的依据。

2．2 动态剪切流变试验美国SHRP计划在沥青混合料路用性能规范中提出采用动态剪切流变仪(DSR)，以车辙因子作为评价指标，反映沥青的永久变形性能。