苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物改性沥青贮存稳定性评价方法

陈 鹏, 邹 玲, 庄 明, 侯洪超, 仲 丁, 张文刚

(1.北京中交桥宇科技有限公司， 北京 100000； 2.东南大学交通学院， 南京 211189； 3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司， 西安 710075； 4.山东理工大学建筑工程学院， 淄博 255000； 5.道路结构与材料交通运输行业重点实验室(交通运输部公路科学研究所)， 北京 100088)

苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS)改性沥青的贮存稳定性是影响其运输及存储的重要性能，中外学者对贮存稳定性也开展了大量的研究工作。例如，孙建民[1]发现SBS改性沥青在不同的贮存温度下拥有相似的贮存稳定性变化规律；王立志等[2]发现基质沥青的纳观表面形态越粗糙，SBS改性沥青的48 h离析软化点差则越大；一些外加剂也可以影响SBS改性沥青的贮存稳定性，相关研究表明ZnO和TMTD(二硫化四甲基秋兰姆)均能够起到提升SBS改性沥青贮存稳定性的作用[3-4]；纳米二氧化硅、纳米黏土可以与SBS形成空间网络结构，从而起到阻止SBS与沥青分离的作用[5-6]。但在SBS改性沥青贮存稳定性评价上，中外基本上都采取48 h离析软化点差作为评价指标。此外也有学者认为离析指数、中温离析率和降解率也可以作为SBS改性沥青贮存稳定性的可靠指标[7]。但遗憾的是，采用上述指标对SBS改性沥青贮存稳定性进行评价的可靠性鲜有研究。近年来，动态剪切流变仪(dynamic shear rheological，DSR)活跃在沥青的研究领域，发挥着巨大的作用，复数剪切模量(G*)可以用于表征沥青抵抗剪切变形的能力，相位角(δ)则代表着沥青中黏性成分与弹性成分的比值关系，车辙因子(G*/sinδ)可以用于评价沥青的高温性能[8-10]。有学者报道了DSR试验过程中的相关参数与SBS改性沥青的贮存稳定性可能存在某种联系，但截至目前，尚未发现关于这种猜测的详细研究与报道[10-13]。基于DSR试验结果是否可以评价SBS改性沥青的贮存稳定性便成为了摆在研究人员面前的一道难题。

基于上述背景，现选择SBSΙ-D改性沥青为研究对象，测试其在163 ℃下不同贮存时间的离析软化点差，基于G*、δ及G*/sinδ，提出基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标及其计算模型，为基于DSR试验评价沥青贮存稳定性提供新的思路。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

选择山东高速物资储运有限公司生产的SBS Ι-D改性沥青为原材料，该沥青中SBS含量为4%，且线形SBS和星形SBS质量比为1∶1，其技术指标如表1所示，除48 h离析软化点差外，其余各项指标均满足相关规范的要求。

表1 SBS Ι-D改性沥青技术性能

图1所示为SBSΙ-D改性沥青在进行离析试验前的荧光显微图，可以看出实验所用SBSΙ-D改性沥青中，SBS发育良好，基本形成了网状结构。

图1 SBSΙ-D改性沥青荧光显微图

1.2 试验设计

将SBSΙ-D改性沥青倒入直径25 mm、长度140 mm的铝管(一端开口)中，在163 ℃下进行贮存，将贮存0～48 h(间隔2 h)的铝管放入-18 ℃的环境箱中进行冷却，冷却后取铝管中上部1/3和下部1/3的沥青备用，分别测取0～48 h(间隔2 h)的SBSΙ-D改性沥青的离析软化点差。采用AR 1500ex型动态剪切流变仪(DSR)对贮存不同时间的SBSΙ-D改性沥青(上部1/3和下部1/3)分别进行温度扫描试验，获取G*、δ以及G*/sinδ。依据试验结果分析沥青贮存稳定性与G*、δ和G*/sinδ等参数间的关系，建立基于DSR的改性沥青贮存稳定性评价指标及计算模型。

2 试验结果

2.1 离析软化点与贮存时间的关系

对不同贮存时间下的SBSΙ-D改性沥青进行离析软化点差试验，试验结果如图2所示。

图2 不同贮存时间下SBSΙ-D改性沥青离析软化点试验结果

图2显示，随着高温贮存时间的延长，SBSΙ-D改性沥青的离析软化点差也随即增大，出现该现象的原因主要是由于SBS与沥青之间存在密度差，导致SBS上浮，形成改性沥青中上部SBS含量高，下部中的SBS含量降低，这种离析现象随着高温贮存时间的延长而越发明显。

2.2 基于DSR试验结果的贮存稳定性

选择163 ℃贮存48 h的SBSΙ-D改性沥青为研究对象，对其上部1/3及下部1/3的改性沥青分别进行温度扫描，扫描温度范围为46～88 ℃，间隔6 ℃。为了研究方便，同时将163 ℃下贮存48 h的SBSΙ-D改性沥青再次搅拌均匀后，利用DSR进行温度扫描。图3所示为DSR温度扫描结果。

图3 DSR温度扫描试验结果

图3显示，随着扫描温度的逐渐上升，SBSΙ-D改性沥青的G*和G*/sinδ相应降低，δ则逐渐升高。离析后的SBSΙ-D改性沥青其上部1/3和下部1/3的G*、δ和G*/sinδ有着明显的差值，而离析后再次搅拌均匀的SBSΙ-D改性沥青G*、δ和G*/sinδ的数值则处于上部1/3和下部1/3之间。由于G*为复数剪切模量，其数值越大，表征沥青的抗剪切变形能力也越高，可见离析后SBSΙ-D改性沥青上部1/3的抗变形能力要强于下部1/3；δ通常用于表征沥青中黏弹性成分的比值，一般认为δ越大，沥青中黏性成分的含量就越大，δ越小，沥青中弹性成分的含量就越大，可见离析后SBSΙ-D改性沥青上部1/3的弹性成分远多于下部1/3；G*/sinδ表征车辙因子，离析后SBSΙ-D改性沥青上部1/3的车辙因子远大于下部1/3。上述现象出现的原因与上部1/3含有大量的SBS关系密切。

3 基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标

3.1 基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标的提出与有效性检验

上述分析表明，DSR的试验结果与SBS的离析关系密切，而SBS的离析则直接决定SBS改性沥青的贮存稳定性。基于试验结果提出离析参数的概念，即以163 ℃下贮存th的SBS改性沥青再次搅拌均匀后DSR温度扫描试验结果(G*、δ和G*/sinδ)为基数，对同种SBS改性沥青163 ℃下贮存th后，上部1/3与下部1/3的DSR温度扫描结果差值的绝对值与基数比值，计算公式为

(1)

δ′=|(δ上-δ下)/δ原样|

(2)

式(2)中：δ′为相位角离析参数，%；δ上为离析后SBS改性沥青上部1/3的相位角，(°)；δ下为离析后SBS改性沥青下部1/3的相位角，(°)；δ原样为离析后再次搅拌均匀的SBS改性沥青的相位角，(°)。

(G*/sinδ)′=(G*/sinδ)上-(G*/sinδ)下

(G*/sinδ)原样

(3)

式(3)中：(G*/sinδ)′为车辙因子离析参数，%；(G*/sinδ)上为离析后SBS改性沥青上部1/3的车辙因子，Pa；(G*/sinδ)下为离析后SBS改性沥青下部1/3的车辙因子，Pa；(G*/sinδ)原样为离析后再次搅拌均匀的SBS改性沥青的车辙因子，Pa。

如图4所示为DSR试验中离析参数的变化图。图4中蕴含着两个信息，一是各离析参数在不同温度下的数值，二是各离析参数随着温度变化的斜率。需要注意的是，如果某种SBS改性沥青不存在离析问题，那么该SBS改性沥青的各离析参数的数值便为0，离析参数随扫描温度的变化斜率也相应为0。也就是说离析参数的大小和离析参数随扫描温度的变化斜率越接近0，则该沥青的贮存稳定性也就越好。

图4 不同扫描温度下的离析参数

基于上述分析，提出基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标及其计算模型，模型假设前提条件为SBS改性沥青贮存稳定性分值最大为100，最小为0。该计算模型为

SS(G*)=100-{a1[AVG(G*′)]b1+

c1[SLOP(G*′)]d1}

(4)

式(4)中：SS(G*)为基于复数剪切模量离析参数贮存稳定性得分值；AVG(G*′)为复数剪切模量离析参数平均值，Pa；SLOP(G*′)为复数剪切模量离析参数与温度所形成的线性关系斜率；a1、b1、c1、d1为系数。

SS(δ)=100+a2[AVG(δ′)]b2+

c2[SLOP(δ′)]d2

(5)

式(5)中：SS(δ)为基于相位角离析参数的SBS改性沥青贮存稳定性得分值；AVG(δ′)为相位角离析参数平均值，%；SLOP(δ′)为相位角离析参数与温度所形成的线性关系的斜率；a2、b2、c2、d2为系数。

SS(G*/sinδ)=100-{a3[AVG(G*/sinδ)′]b3+

c3[SLOP(G*/sinδ)′]d3}

(6)

式(6)中：SS(G*/sinδ)为基于车辙因子的SBS改性沥青贮存稳定性得分值；AVG(G*/sinδ)′为车辙因子离析参数平均值，%；SLOP(G*/sinδ)′为车辙因子离析参数与温度所形成的线性关系的斜率；a3、b3、c3、d3为系数。

选取SS(G*)，基于复数剪切模量离析参数贮存稳定性得分值与试验结果进行比较，以评判贮存稳定性评价指标的可靠性。为了贮存稳定性评价指标与离析软化点指标具有可比性，依据模型假设前提条件对离析软化点数据作如下修订：SBS改性沥青最大离析软化点差为100 ℃，记0分，最小离析软化点差为0 ℃，记100分。则不同贮存时间下基于DSR的贮存稳定性得分值与基于离析软化点差的贮存稳定性得分值试验结果如图5所示。

图5 图5基于DSR和离析软化点差的贮存稳定性得分值

从图5可以看出，基于复数剪切模量离析参数贮存稳定性得分值与基于离析软化点差的贮存稳定性得分值具有高度的一致性。相比较于离析软化点试验而言，基本复数剪切模量离析参数贮存稳定性得分值的评价方法可靠性更高，更重要的是，在试验过程中无需高温贮存48 h，可以选择更短的贮存时间便可以计算出贮存48 h所对应的稳定性得分值。

3.2 基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标与现有指标对比

中外普遍采取离析软化点作为SBS改性沥青贮存稳定性的评价指标，该指标的获取依托于软化点试验。中国对于软化点试验的相关方法和规定与美国及日本是完全相同的，在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[14]中规定，软化点试验允许的重复性误差为：当软化点小于80 ℃时误差为1 ℃，当软化点大于80 ℃时误差为2 ℃，此外，在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[15]中规定，SBS改性沥青的48 h离析软化点差不大于2.5 ℃。所以离析软化点在试验过程中误差的影响是相对较大的，而本文中基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标则借助DSR试验的高度稳定性及极低的误差较好地弥补了离析软化点的不足。表2所示为两种指标的对比。

表2 SBS改性沥青贮存稳定性评价指标对比

4 结论

(1)SBS改性沥青的离析软化点差随着高温贮存时间的延长而逐渐增大，两者基本呈线性关系。

(2)由于SBS改性的上浮作用，离析后SBSΙ-D改性沥青上部1/3的弹性成分也远多于下部1/3，上部1/3的抗变形能力及高温性能明显强于下部1/3。

(3)复数剪切模量离析参数G*′、相位角离析参数δ′、车辙因子离析参数(G*/sinδ)′以及3个参数与温度所形成的线性斜率可以用于评价SBS改性沥青离析程度的参数。

(4)本文所提出的基于DSR试验的SBS改性沥青贮存稳定性评价指标其计算模型可以很好地用于贮存稳定性的评价，其评价结果与基于离析软化点差所获得的评价结果具有高度的一致性。