直投式SBS改性沥青抗老化性能研究

Research on the Aging Resistance Performance of Direct-Injection SBS Modified Asphalt

摘要

直投式SBS改性沥青具有易于监管质量、成本低和污染小等优势，能够解决常规湿法SBS改性沥青的质量不稳定的问题，近年来逐渐被广泛应用。为此，对不同掺量下直投式改性沥青进行短期老化，通过对老化后的直投式改性沥青进行温度扫描试验、中温疲劳性能测试、低温流变性能测试及原子力显微镜测试，从宏观到微观尺度研究直投式SBS改性沥青的抗老化性能。宏观试验结果表明，直投式SBS改性沥青在短期老化后弹性成分增加，疲劳寿命增加。国路直投式SBS改性沥青在老化过程中存在二次发育现象。微观试验结果表明，短期老化后，常规湿法SBS改性沥青与辽河直投式SBS改性沥青由于4组分含量的变化及SBS的裂解导致粗糙度减小，国路直投式SBS改性沥青由于进一步溶胀发育导致其表面粗糙度增大，与宏观试验得到的结论一致。

Abstract

Direct-injection SBS modified asphalt has advantages such as easy quality control， low cost， and minimal pollution. It can address the issue of unstable quality in conventional wet-process SBS modified asphalt and has been gradually widely applied in recent years. This study investigated the aging resistance performance of direct-injection SBS modified asphalt at different dosages through short-term aging. By conducting temperature scanning tests， mid-temperature fatigue performance tests， low-temperature rheological property tests， and atomic force microscope tests on the aged direct-injection modified asphalt， the aging resistance performance of the SBS modified asphalt was studied from macroscopic to microscopic scales. The macroscopic experimental results indicated that the direct-injection SBS modified asphalt exhibited an increase in elastic components and fatigue life after short-term aging. During the aging process， the Guolu direct-injection SBS modified asphalt showed a secondary development phenomenon. The microscopic test results revealed that， after short-term aging， both conventional wet-process SBS modified asphalt and Liaohe direct-injection SBS modified asphalt exhibited reduced roughness due to changes in the content of the four components and the degradation of SBS. In contrast， the Guolu direct-injection SBS modified asphalt exhibited increased surface roughness due to further swelling development， consistent with the conclusions drawn from the macroscopic tests.

Graphical abstract

关键词

直投式 / SBS改性剂 / 沥青 / 老化 / 性能

Key words

direct-injection / SBS modifier / asphalt / aging / performance

0 引言

在常规湿法SBS改性沥青的施工过程中，项目管理一般通过测定其针入度、软化点和延度等指标来检验成品沥青的性能，这导致一些“无良商家”可通过加入一定廉价的添加剂替代SBS改性剂，使得SBS的掺量在施工现场无法得到准确的检验^［1-3］。直投式改性技术将SBS与沥青分离使用，可在施工现场同时投放入拌和锅中，能够保证各储存材料不变质，各材料的品质和用量都透明开发，能够有效解决传统湿法SBS改性沥青的各种问题^［4-5］。

王正同等^［6］对直投式SBS改性沥青及其混合料的性能进行了整体对比研究，结果发现添加直投式SBS改性剂后改性沥青及其混合料的指标表现优异，且具有很大的应用前景。冯海燕^［7］对比了直投式SBS改性沥青混合料与常规湿法SBS改性沥青混合料的优缺点，分析得出直投式SBS改性工艺比湿法SBS改性工艺更简单、环保，且具有更好的经济效益。王淑华等^［8］对不同掺量的直投式SBS改性沥青进行了基础指标及流变性能研究，结果发现6%~7%掺量下沥青具有最好的性能，并通过混合料试验验证了直投式SBS改性剂对混合料性能具有明显提高。陈坤等^［9］通过试验确定了直投式SBS改性沥青的最佳改性剂掺量为6%，在该掺量下混合料的高温性能强于成品SBS改性沥青混合料。周雄等^［10］针对直投式SBS改性剂进行了配伍性试验，并与湿法工艺进行了对比，结果发现直投式SBS改性沥青混合料沥青用量较低，高低温性能较好，有非常广阔的应用前景。李军代^［11］针对直投式工艺与预拌工艺的毒气排放量进行对比研究，结果发现直投式工艺能够降低51%的毒气排放量，起到节能减排的作用。日本研发了适合于排水路面的TPS（TAFPACKSUPER）直投改性剂，倪富健等^［12］对TPS改性沥青的性能与沥青混合料的路用性能进行研究，结果发现，在15%的改性剂最优掺量下，改性沥青的高低温性能与抗老化性能均有明显提高，TPS改性沥青混合料的路用性能较好，适用于排水性沥青路面的建设^［13］。

综上所述，现有研究大多集中在直投式改性沥青的工艺及直投式改性沥青本身性能的研究，对直投式改性沥青的抗老化性能研究较少。本研究拟定了直投式SBS改性沥青的制备工艺，并通过三大指标试验、宏观流变试验及微观原子力显微镜测试，对辽河、国路2种直投式SBS改性沥青短期老化后的性能进行研究。研究结果能够对直投式SBS改性沥青的抗老化性能有更全面的掌握，能够进一步推动直投式改性沥青的规模化应用。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

本研究采用的试验材料主要为：东北地区常用的辽河石化90^#基质沥青、常规湿法SBS改性沥青、国路高科直投式SBS改性剂（ZT-G）和辽河直投式SBS改性剂（ZT-L）。

1.2 试验方法

1.2.1 直投式SBS改性沥青的制备

为了得到更加接近真实掺量的直投式SBS改性沥青，需要将沥青和改性剂充分接触。本研究采用的制备工艺为^［14-15］：将预热至165 ℃的粒径大于9.5 mm的粗集料倒入160 ℃的拌和锅中，将预热至160 ℃的基质沥青与直投式SBS改性剂先后倒入拌和锅中同时进行搅拌，为了保证混合均匀搅拌，时间定为120 s，再将拌和完成后的直投式SBS改性沥青盛于铁网中，并置于180 ℃的烘箱里2 h，收集从铁网上滴落的沥青。该制备工艺既还原了制备混合料时石料对改性剂产生的挤压、摩擦作用，又使得沥青能够与改性剂均匀拌和，以得到接近真实掺量的直投式SBS改性沥青，具体操作步骤如图1所示。

1.2.2 老化方法

采用薄膜烘箱（TFOT）对基质沥青、常规SBS改性沥青、ZT-L改性沥青和ZT-G改性沥青进行短期老化。TFOT试验老化盘内径140 mm，盘深9.5~10 mm，每盘盛样质量为50 g，试验温度控制在163 ℃，老化时间为5 h。

2 直投式SBS改性沥青抗老化性能分析

2.1 常规性能指标

短期老化后各沥青试样的三大指标见表1。

沥青在经历短期老化时，其中的轻组分会转变为重质组分，使沥青的稠度变大导致针入度降低。基质沥青的针入度比最低，仅有65.3%，其他改性沥青的针入度比均有很大提升，基本在80%~90%。

各沥青试样短期老化过后的软化点变化规律不同，9%掺量的ZT-L出现了软化点降低的情况，其他沥青的软化点则均有所提高。短期老化会使基质沥青的软化点提升，对于SBS改性沥青来说则较为复杂，基质沥青的老化与SBS分解同时进行，且直投式改性沥青还会存在“二次发育”的现象，3种情况均影响了软化点指标。短期老化对延度的影响较大，各沥青试样的残留延度均降低。

三大指标在一定程度上反映出了沥青的性能，但由于误差大、与性能的相关性差等原因无法精确地进行性能对比分析，需要通过后续的流变试验进行老化性能评价。

2.2 流变性能研究

2.2.1 温度扫描试验

对4种沥青的黏弹特性进行分析。采用动态剪切流变仪（DSR）温度扫描中的复数模量和相位角对各原样及短期老化后沥青试样进行比较^［16］，ZT-L与ZT-G以7%掺量为例进行分析，各原样沥青试样与短期老化试样的复数模量与相位角如图2所示。

通过图2的复数模量结果可以看出，TFOT后各沥青试样的复数模量相比于原样沥青均有不同程度的提升，基质沥青在老化前和老化后的相位角均最大，表明其黏性成分比例最高。短期老化后基质沥青弹性组分增多，导致其相位角明显降低。TFOT后各改性沥青的相位角均较老化前有所降低，随着温度的升高TFOT后改性沥青的相位角并没有大幅度提高，而是基本保持不变或略有增减，这说明TFOT后改性沥青中的SBS仍然起到了很好的作用。ZT-L在82 ℃后出现了短期老化沥青的相位角大于原样沥青的现象，说明老化后的ZT-L在82 ℃以后反而表现出了更多的黏性，因为在改性沥青短期老化过程中存在沥青硬化和SBS裂解软化的现象，2种现象同时进行，有研究认为，这是该改性沥青具有较好的抗老化性的表现。几种改性沥青中ZT-G老化前后的复数模量与相位角差异最大，说明短期老化对ZT-G的性能影响比较大，可能是ZT-G在短期老化过程中存在二次发育现象，同时基质沥青老化变硬共同影响其复数模量与相位角的变化。

为了研究短期老化对直投式SBS改性沥青高温性能的影响，将短期老化前后的基质沥青、湿法SBS改性沥青、ZT-L与ZT-G车辙因子进行对比分析，如图3所示。

通过对比几种沥青试样的车辙因子发现，基质沥青在经过短期老化后车辙因子提升幅度最大，短期老化作用使其小分子组分挥发导致其变硬。其他改性沥青的老化指数均在1~2，SBS的存在有效削弱了沥青变硬带来的影响。但对比发现ZT-G的车辙因子增幅较大，原因可能是其抗老化性较弱，或是老化前改性剂中的SBS未充分与沥青发生作用。

2.2.2 中温疲劳性能

将短期老化后的各沥青试样进行LAS试验，各老化试样的应力应变曲线与疲劳损伤曲线如图4和图5所示。

观察老化沥青应力应变曲线发现，老化后的几种沥青试样中所有改性沥青发生破坏时的应变均大于基质沥青。基质沥青发生疲劳破坏时的剪切应力较老化前增大10 kPa以上；其他改性沥青发生破坏时的剪切应力变化不大。从疲劳损伤曲线可以看出，短期老化后基质沥青的损伤速度最快，且短期老化后的2种直投式改性沥青的损伤速度均小于SBS改性沥青。

通过对比短期老化前后几种沥青的疲劳寿命可以发现，几种沥青在短期老化后的疲劳寿命增减规律并不相同，其中，基质沥青的疲劳寿命变化幅度不大，在5%应变作用下提升了7.1%；SBS改性沥青的疲劳寿命有所降低，在5%应变作用下降低了14.02%；ZT-L的疲劳寿命则与掺量有关，当掺量为5%和9%时，ZT-L的疲劳寿命减小，掺量为7%时疲劳寿命则有所提高；3个掺量ZT-G的疲劳寿命在经历短期老化后有大幅度的提高，参考5%应变水平，5%、7%及9%掺量下其疲劳寿命分别增加21.6%、31.6%和61.8%，短期老化会增加ZT-G的疲劳寿命，推测是短期老化使残留的SBS与沥青进一步溶胀，提高了其疲劳寿命。

2.2.3 低温流变性能

为了对各沥青短期老化试样的低温变形能力进行评价，对各沥青的短期老化试样进行BBR低温蠕变试验，以-18 ℃为参考温度^［17］，对比各沥青试样TFOT前后的劲度模量与蠕变速率，如图6所示。

通过对比-18 ℃下各沥青试样的劲度模量（S）与蠕变速率（m），结果发现基质沥青、SBS改性沥青、9% ZT-L与9% ZT-G老化后的低温变形能力均有不同程度的降低；而5%、7%掺量的ZT-L与ZT-G老化后的低温变形能力均有不同程度的提升。

分析产生上述现象的原因，基质沥青在经过短期老化后小分子成分较少，分子间的极性增强，老化后沥青的松弛性能下降；SBS改性沥青在短期老化期间伴随着基质沥青的老化与SBS的降解，导致其低温蠕变性能也随之下降；5%与7%掺量的2种直投式SBS改性沥青的m/S变大，表现为低温变形能力提升，产生该现象的原因是直投式SBS改性剂中含有星形和线形2种SBS改性剂，且星形SBS与线形SBS的比例在1∶3左右，星形SBS改性剂与基质沥青的相容性不足，导致星形SBS在沥青中存在较多残留进而影响了改性效果。随着老化的进行，改性沥青中残留的星形SBS与基质沥青进一步溶胀，改性剂溶胀发育作用带来的低温改性效果抵消了老化产生的不利影响，进而使改性沥青的低温性能得到提升。9%掺量的ZT-L与ZT-G在老化后出现了低温变形能力下降的情况，这可能是因为在经历短期老化后，残留的改性剂与基质沥青溶胀更多导致改性剂掺量增大，过多改性剂在沥青中产生了团聚现象，不利于沥青低温变形能力的提高。

以工程中常规湿法5% SBS改性沥青作为参照， 5%掺量的ZT-L与ZT-G的各项性能较SBS改性沥青均有一定差距；7%掺量的ZT-L与ZT-G除高温性能较SBS改性沥青略差外，中温抗疲劳能力及低温变形能力均与SBS改性沥青相当，且考虑到7%掺量的ZT-L与ZT-G在短期老化后各项性能均有一定程度的提升，故选择7%为本研究的ZT-L与ZT-G最优掺量。虽然9%掺量的ZT-L与ZT-G的性能较SBS改性沥青更好，但本研究的设计思路是以尽量少的改性剂掺量达到或接近常规湿法SBS改性沥青的性能要求，且考虑到成本因素，故不选择9%作为本研究的最优掺量。

2.3 微观性能研究

采用德国布鲁克公司生产的Dimension Fastscan 03040155型原子力显微镜（AFM），选用峰值力轻敲模式PeakForce Quantitative Nano-Mechanics（PF-QNM），对基质沥青、5%常规湿法SBS改性沥青、7%直投式SBS改性沥青进行扫描测试，每个扫描点的扫描范围选为20 μm×20 μm^［18］。得到的老化前沥青形貌如图7所示，老化后沥青形貌如图8所示。

4种沥青在老化前后均存在明显的“蜂状结构”，经过短期老化后均出现了蜂状结构数量减少、单个蜂状结构面积增大的情况，老化过程使沥青质产生聚集现象，“蜂状结构”从短粗形向细长形过渡。比较上述几种沥青试样的均方根粗糙度，如图9所示。

沥青中各组分含量的不同以及各组分间的胶结力差异是导致粗糙度不同的原因。对比图9中各沥青老化前后的粗糙度可以发现，老化前基质沥青的粗糙度均方根最小，表面比较平整。常规SBS的加入使基质沥青的均方根粗糙度提高了50.6%，ZT-L的加入使基质沥青的均方根粗糙度提高了67.09%，ZT-G改性剂的加入使基质沥青的均方根粗糙度提高了13.5%，ZT-L与SBS对沥青的表面粗糙度提高幅度较明显，ZT-G的加入对沥青的表面粗糙度也有一定的提升，证明改性剂的加入使沥青的相态差异性变大。短期老化后几种沥青试样的粗糙度均方根变化情况不同，其中，基质沥青经过短期老化后小分子物质含量减少，大分子沥青质增多导致表面粗糙度增大。湿法SBS改性沥青与ZT-L在短期老化期间沥青4组分含量的变化与SBS大分子裂解为小分子的2个过程同时发生，最终导致的结果是SBS改性沥青的粗糙度减小。ZT-G短期老化前后的表面粗糙度增大，由图7和图8可以看出，其老化前后表面形貌变化较大，推测是短期老化过程使SBS进一步溶胀发育导致其表面粗糙度增大，这也与宏观试验得到的结论一致。

3 结论

1）直投式SBS改性沥青在短期老化后弹性成分增加，直投式SBS改性剂能够降低沥青的温度敏感性。国路直投式SBS改性沥青在老化过程中存在二次发育现象。

2）短期老化能够使残留的SBS与沥青进一步溶胀，适当掺量的直投式SBS改性沥青在短期老化后疲劳寿命会有所增加。

3）9% ZT-L与9% ZT-G老化后的低温变形能力均有不同程度的降低，而5%、7%掺量的ZT-L与ZT-G老化后的低温变形能力均有不同程度的提升。

4）在短期老化后，常规湿法SBS改性沥青与ZT-T改性沥青由于四组分含量变化及SBS的裂解导致粗糙度减小，ZT-G改性沥青由于进一步溶胀发育导致其表面粗糙度增大，与宏观试验得到的结论一致。

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基金资助

辽宁省交通科技项目(202213)

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(HIT.DZJJ.2023086)