汪 海, 蘇 怡, 周 釗, 廖春花, 程 承, 楊忠良

(1.貴州省水城公路管理局，貴州 六盤水 553000； 2.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；3.云南省臨滄市氣象局，云南 臨滄 677099)

道路建設(shè)的快速發(fā)展和交通量的不斷增加，對瀝青路面質(zhì)量提出了更高的要求，普通瀝青的技術(shù)性質(zhì)已難以滿足。SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，既具有橡膠的彈性性質(zhì)，又有樹脂的熱塑性性質(zhì)[1]?？砂辞抖伪?S/B)對其進行分類，不同嵌段比的SBS自身性質(zhì)不同，嵌段比中S是聚苯乙烯鏈段，給改性材料提供足夠的強度；B是聚丁二烯鏈段，給材料提供了良好的彈性性能[2]。也可按結(jié)構(gòu)分類，一般分為線型和星型2種[3]。SBS作為瀝青改性劑可提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，因而SBS改性瀝青的應(yīng)用越來越廣泛，但不同SBS嵌段比、結(jié)構(gòu)類型、生產(chǎn)廠家和摻量下，SBS對瀝青的改性效果有所區(qū)別[4]。

針對不同SBS的改性問題，研究人員已做過一些研究，如利用不同種類的SBS對瀝青進行改性，通過常規(guī)試驗發(fā)現(xiàn)相同摻量下，SBS的嵌段比越低，對瀝青的變形恢復(fù)能力改善效果越好，短期老化后星型SBS比線型SBS的抗老化能力好[5]。對不同嵌段比的SBS改性瀝青進行動態(tài)力學(xué)性能測試，得到瀝青路面可以針對不同鋪筑需要有目的地選用不同S/B制備的改性瀝青[6]。采用2種不同的SBS(791，792)研究S/B不同對改性瀝青分散形態(tài)與性能的影響，結(jié)果表明S/B高的SBS改性瀝青針入度較??；SBS摻量低于5%時，S/B低的改性瀝青軟化點高；超過5%后S/B高的改性瀝青軟化點則較高，S/B低的改性瀝青彈性恢復(fù)率較好[7]。

綜上可知，不同類型SBS對瀝青性能的改善作用不同，但對不同類型SBS高溫流變性能及抗疲勞差異性的影響研究尚不完善。因此，本研究選用不同類型、不同廠家的4種SBS制備改性瀝青，通過旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RTFOT)、溫度掃描、頻率掃描、多應(yīng)力重復(fù)蠕變(MSCR)和線性振幅掃描(LAS)試驗方法，探究不同SBS類型對改性瀝青高溫流變性能的影響，并基于Burgers模型及VECD模型，分別對不同類型SBS的黏彈分量及抗疲勞特性進行分析，以期為合理選擇SBS類型作理論參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1基質(zhì)瀝青

本文所用瀝青為韓國SK70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標達到規(guī)范相應(yīng)技術(shù)要求(見表1)。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標類別針入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)軟化點/℃延度/cm測試值65.446.6>150規(guī)范限值60～80>46>100規(guī)范方法T 0604T 0606T 0605

1.1.2SBS改性劑

試驗采用的聚合物改性劑為中石化岳陽巴陵石化公司提供的線型SBS改性劑(YH-792)和星型SBS改性劑(YH-815)，以及惠州李長榮橡膠公司提供的線型SBS改性劑(3456)和星型SBS改性劑(1475)，其外觀均呈白色立柱狀，4種改性劑的嵌段比見表2。

表2 SBS改性劑技術(shù)指標結(jié)構(gòu)聚合物名稱嵌段比(S/B)線型YH-79240/60345630/70星型YH-81540/60147530/70

1.2 SBS改性瀝青的制備

SBS改性瀝青的制備步驟如下：①首先將基質(zhì)瀝青置于120 ℃的烘箱中，加熱基質(zhì)瀝青至流動狀態(tài)；②將基質(zhì)瀝青放置于170 ℃的油浴鍋中，利用高速剪切機先在轉(zhuǎn)速為500 r/min下緩慢加入4%摻量(占瀝青質(zhì)量分數(shù))的SBS，再以6 000 r/min的剪切速率剪切1 h，使SBS改性劑分散到瀝青中；③最后在170 ℃恒溫下發(fā)育1 h以脫除氣泡，在相同步驟下制得4種不同結(jié)構(gòu)相同摻量的SBS改性瀝青，制備流程如圖1所示。以基質(zhì)瀝青作為對比試樣，各試樣分別命名如下：基質(zhì)瀝青160 ℃剪切1 h為SK70；4%的YH-792型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發(fā)育1 h為SK70+4%SBS1；4%的YH-815型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發(fā)育1 h為SK70+4%SBS2；4%的1475型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發(fā)育1 h為SK70+4%SBS3；4%的3456型SBS改性瀝青170 ℃剪切1 h、發(fā)育1 h為SK70+4%SBS4。

圖1 SBS改性瀝青的制備

1.3 試驗方法

1.3.1瀝青短期老化試驗

采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RTFOT)模擬瀝青短期老化。按照SH/T 0736的試驗方法，取質(zhì)量為(35±0.5)g的瀝青試樣進行測試，烘箱的溫度控制在(163±0.5)℃，對試樣進行85 min和5 h不同程度的老化，再對樣品進行相關(guān)性能測試。

1.3.2流變性能試驗

1.3.2.1 溫度掃描

利用溫度掃描可以得到固定頻率下瀝青材料隨著溫度增長的復(fù)數(shù)模量(G*)及相位角(δ)變化情況，得到的車轍因子(G*/sinδ)可用于評價材料的高溫抗變形能力。采用控制應(yīng)變模式，夾具選用直徑為25 mm的平行板，間距取1 mm，在46～82 ℃溫度范圍內(nèi)對瀝青試件進行掃描，控制加載應(yīng)變老化前12%、老化后10%，加載頻率為10rad/s，采樣間隔為6 ℃。

1.3.2.2 頻率掃描

頻率掃描試驗夾具及試樣與溫度掃描試驗相同，采用控制應(yīng)變模式，在30～90 ℃溫度下對瀝青試件進行掃描，目標應(yīng)變值為老化前12%、老化后10%，加載頻率為0.1～100 rad/s，采樣間隔為10 ℃。試驗測得的黏彈性參數(shù)(儲存模量、損失模量、相位角和動態(tài)剪切黏度等)可以用來判定SBS改性瀝青的相容性[8-9]。

1.3.2.3 多應(yīng)力重復(fù)蠕變(MSCR)試驗

MSCR試驗分2個階段，第1階段施加0.1kPa的應(yīng)力，加載1s，卸載9 s，重復(fù)次數(shù)10次；第2階施加3.2 kPa的應(yīng)力，重復(fù)上述步驟。2個加載應(yīng)力之間不間斷，共20次循環(huán)，整個試驗共耗時200 s。參考AASHTO MPl9-10分級標準的要求，試驗溫度選擇64 ℃，采用直徑為25 mm的平行板夾具，試樣厚度取1 mm。

1.3.2.4 線性振幅掃描(LAS)試驗

依據(jù)AASHTO TP-101-12，采用動態(tài)剪切流變儀進行LAS試驗，試驗采用的溫度為25 ℃，夾具選用8 mm的震蕩板，其間距取2 mm。在試驗中，先對樣品進行頻率掃描，然后進行線性振幅應(yīng)變掃描試驗。將樣品在0.1%應(yīng)變下，0.2～30 Hz頻率范圍內(nèi)進行頻率掃描，再進行線性振幅掃描，采用控制應(yīng)變的加載方式，掃描時間為300 s，在試驗期間，加載的正弦波荷載振幅從0.1%線性增加到30%。根據(jù)流變特性和振幅掃描結(jié)果計算疲勞抗力，定義疲勞失效準則Df為疲勞破壞D達到初始|G*|sinδ的35%，如式(1)所示。疲勞壽命通過式(2)預(yù)測。

(1)

Nf=A35(γmax)B

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度掃描分析

以瀝青不同溫度下的復(fù)數(shù)模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ評價其高溫抗車轍能力，車轍因子越大，表明瀝青路面在高溫條件下越不易產(chǎn)生車轍變形，即瀝青的高溫性能越好[11]。各SBS改性瀝青溫度掃描結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出基質(zhì)瀝青和各SBS改性瀝青試樣的G*隨著溫度增加而不斷降低，而δ則不斷增加。同一溫度下，加入SBS后其G*較基質(zhì)瀝青大大提高，同時δ降低，這是由于加入SBS改性劑，增加了瀝青的彈性，從而改善了高溫性能。經(jīng)不同程度老化后，整體上SK70+4%SBS2(星型)的G*均大于其他瀝青，且δ均低于其他瀝青，說明其高溫性能最好；其次為SK70+4%SBS1(線型)、SK70+4%SBS4(線型)、SK70+4%SBS3(星型)。前兩者嵌段比(SB=40/60)大于后兩者(SB=30/70)，出現(xiàn)該結(jié)果的原因是聚苯乙烯含量較多的SBS分子鏈段較硬，摻入后能夠提高改性瀝青的抗變形能力。因此，相同SBS結(jié)構(gòu)和摻量情況下，嵌段比越大，其高溫抗變形性能越好。

(a)未老化

(b)老化85 min

(c)老化 5 h

隨著瀝青的老化，瀝青的復(fù)數(shù)模量會增大，因此為評價SBS對瀝青是否具有抗老化效果，可采用老化指數(shù)來評價瀝青的老化程度和表征改性瀝青的抗老化性能?；诖?，本研究采用相位角老化指數(shù)δAI來反映瀝青的老化情況，其計算如式(3)所示,δAI越大則表明瀝青老化程度越小[12]。

(3)

式中：δ1為瀝青老化前相位角；δ2為瀝青老化5 h后的相位角。

基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青試樣在不同溫度下相位角老化指數(shù)δAI變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出，4種SBS改性瀝青的δAI基本都大于基質(zhì)瀝青，說明SBS改性劑中的聚丁二烯基發(fā)生降解，同時，瀝青中的瀝青質(zhì)有利于抑制SBS降解，因此，SBS改性瀝青的抗老化性能較基質(zhì)瀝青好。此外，4種SBS改性瀝青的δAI大小為：SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS4，表明嵌段比越大的SBS，其抗老化性能越好。

圖3 SBS改性瀝青的相位角老化指數(shù)

2.2 多應(yīng)力重復(fù)蠕變(MSCR)分析

根據(jù)試驗結(jié)果繪制出0.1、3.2 kPa應(yīng)力水平下應(yīng)變隨時間的變化曲線，對不同瀝青之間的變化曲線進行對比分析，其中應(yīng)變隨時間變化如圖4所示。

圖4 SBS改性瀝青的蠕變恢復(fù)曲線

由圖4可見：老化前，0.1、3.2 kPa應(yīng)力水平下SBS改性瀝青的累積應(yīng)變顯著小于基質(zhì)瀝青，對比不同類型的SBS改性瀝青可知，SK70+4%SBS2的累積應(yīng)變最小，SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS4的總應(yīng)變均較低且相近，而基質(zhì)瀝青和SK70+4%SBS3均較高。對于短期老化后的改性瀝青試樣，仍然是SK70+4%SBS2具有最小的累積應(yīng)變，然后依次為SK70+4%SBS1、SK70+4%SBS4、SK70+4%SBS3和SK70。高溫條件下的累積應(yīng)變越小，高溫抗變形能力越好[14-15]，由此可知，SK70+4%SBS2在各試驗條件組合下均表現(xiàn)出最優(yōu)的高溫抗變形能力，表明相同嵌段比下，星型結(jié)構(gòu)的SBS改性瀝青彈性恢復(fù)能力優(yōu)于線型SBS，這可能是由于星型SBS相對分子質(zhì)量高，彈性模量比線型SBS高[16]。此結(jié)果與DSR測試結(jié)果具有很好的一致性。

通過Burgers模型對MSCR試驗結(jié)果進行分析，Burgers模型是一種廣泛應(yīng)用的黏彈性力學(xué)模型，它能更好地反映瀝青材料的黏彈性性能[17]。黏彈性模型可以響應(yīng)黏彈性材料的瞬時彈性應(yīng)變、黏彈性應(yīng)變和黏性應(yīng)變。本文研究采用恒定應(yīng)力的蠕變載荷模式，Burgers蠕變方程如式(4)所示[18]：

(4)

黏彈性瀝青材料在蠕變載荷下的蠕變彈性一般分為3個部分，如式(5)所示:

J(t)=Je+Jev(1-e-t/Jev)+Jv

(5)

式中：Je=1/Em為瞬時彈性部分；Jev=ηk/Ek為延遲彈性部分；Jv=t /ηm為黏性部分。

根據(jù)伯格斯模型對四參數(shù)進行擬合，可以對MSCR試驗中蠕變恢復(fù)過程中瀝青的瞬時彈性部分、延遲彈性部分和黏性部分進行比較分析(見圖5)。

圖5 SBS改性瀝青的黏彈性成分比較

由圖可以看出，老化前，在應(yīng)力水平為0.1kPa時，SK70+4%SBS1的瞬時彈性部分最大，但在3.2 kPa應(yīng)力水平下，除SK70+4%SBS3和SK70+4%SBS4外，瀝青樣品的延遲彈性部分均明顯降低，說明應(yīng)力水平是分析SBS改性瀝青蠕變恢復(fù)過程中黏彈性成分的關(guān)鍵。老化5 h后，所有瀝青試樣的延遲彈性部分均增加，瞬時彈性部分整體上降低，但SBS改性瀝青的瞬時彈性部分比基質(zhì)瀝青大，其中SK70+4%SBS1的瞬時彈性部分最大，表明老化會導(dǎo)致瀝青試樣的變形增加，但添加SBS后可以降低瀝青的彈性變形，尤其是SBS1改性劑。

2.3 初始自愈合溫度分析

頻率掃描得到不同SBS改性瀝青復(fù)合黏度的測試結(jié)果，利用頻率和復(fù)合黏度進行擬合得到不同SBS改性瀝青的流動特性指數(shù)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：流動特性指數(shù)為0.9時，老化前基質(zhì)瀝青和SK70+4%SBS1～SK70+4%SBS4的初始自愈合溫度分別為50、46、62、48、51 ℃，由于SBS2和SBS4改性劑的添加，SBS改性瀝青流動性降低，故若想達到相同的流動狀態(tài)需要提高其溫度。老化后各瀝青試樣的初始自愈合溫度明顯提高，其中老化5 h后初始自愈合溫度差異較大。SK70+4%SBS1的自愈合溫度最低，為67 ℃；SK70+4%SBS2的自愈合溫度最高，為87 ℃。表明相同嵌段比下，線型SBS改性的瀝青更容易達到流體狀態(tài)，由于星型SBS相對分子質(zhì)量較高，在其阻礙下瀝青難以達到流體狀態(tài)。

圖6 SBS改性瀝青在不同溫度下的流動特性指數(shù)

2.4 線性振幅掃描(LAS)分析與評價

為探究老化對SBS改性瀝青疲勞性能的影響，對25 ℃條件下LAS試驗結(jié)果進行分析。圖7為25℃時改性瀝青在RTFOT老化85 min和5 h后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可知，瀝青試樣存在峰值應(yīng)力，經(jīng)RTFOT老化85 min后，SBS的加入降低了瀝青的峰值應(yīng)力，同時SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2提高了瀝青的失效應(yīng)變，失效應(yīng)變大小為：SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS4>基質(zhì)瀝青。經(jīng)RTFOT老化5 h后，除SK70+4%SBS4外，各瀝青試樣的峰值應(yīng)變均降低，即老化程度的增加使得瀝青在重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變承受能力降低。各瀝青試樣在應(yīng)力峰值處有一個范圍較寬的峰值區(qū)，該峰值區(qū)的范圍越大，表明瀝青在這一范圍內(nèi)對應(yīng)變的敏感性越低，對應(yīng)瀝青的疲勞性能則越好[19]。由圖7(b)可知，SBS改性瀝青應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值區(qū)范圍明顯大于基質(zhì)瀝青，表明老化5 h后SBS改性瀝青對應(yīng)變的敏感性小于基質(zhì)瀝青，且失效應(yīng)變的大小順序仍然與RTFOT老化85 min的結(jié)果相似，表明在相同嵌段比下，星型SBS改性瀝青的疲勞性能優(yōu)于線型SBS改性瀝青，而無論是線型還是星型，嵌段比S/B為40/60時疲勞性能優(yōu)于嵌段比S/B為30/70。

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

利用VECD模型繪制瀝青試樣疲勞損傷曲線如圖8所示。其中橫坐標D代表累計損傷參數(shù)，縱坐標C即|G*|sinδ，表示瀝青試樣的完整性參數(shù)。當(dāng)C=1時，瀝青試樣處于未損傷狀態(tài)；當(dāng)C=0時，瀝青試樣已經(jīng)完全破壞；當(dāng)累計損傷參數(shù)D給定時，C越大，則材料抵抗損傷的能力越強[20]。由圖8可知，基質(zhì)瀝青的虛模量下降速度最快，SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2的下降速度最慢，且損傷曲線趨勢基本相同，從疲勞損傷曲線的斜率可以看出各瀝青試樣的虛模量下降速度，即損傷速度。對比不同老化程度瀝青試樣可以發(fā)現(xiàn)，瀝青的損傷速度隨老化程度增加而加快。經(jīng)RTFOT老化85min和5h后各瀝青的C值均未降至0，表明改性瀝青具有良好的耐老化性能。SK70+4%SBS1和SK70+4%SBS2瀝青在2種老化程度下的疲勞曲線規(guī)律明顯不同，說明當(dāng)老化程度增加時，損傷強度逐漸增大。在RTFOT老化85 min條件下，抗損傷能力SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3；而在RTFOT老化5 h條件下，抗損傷能力SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS1，這可解釋為當(dāng)老化程度增加時，SK70+4%SBS2的抗損傷能力表現(xiàn)更好。

圖8 損傷特征曲線

Bahia等[21]認為強度低的面層應(yīng)該采用較低的路面預(yù)期，最大承受應(yīng)變2.5%，而強度高的面層應(yīng)該采用較高的路面預(yù)期，最大承受應(yīng)變5.0%。根據(jù)公式，可以計算出每種瀝青在2.5%和5.0%兩種應(yīng)變水平下的疲勞壽命，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同瀝青在兩種剪切應(yīng)變下的疲勞壽命

由圖9可看出，隨著應(yīng)變水平增大，各瀝青試樣的疲勞壽命數(shù)量級顯著降低，表明在高應(yīng)力水平下，SBS改性瀝青的疲勞性能會變差。在同一應(yīng)變條件下，隨著老化程度的增加，基質(zhì)瀝青與SK70+4%SBS1瀝青的疲勞壽命下降，這與VECD模型得到的結(jié)論一致。但是其余3種SBS改性瀝青經(jīng)過RTFOT-5 h老化后疲勞壽命反而增大，即這3種改性瀝青在老化程度加深時其抵抗重復(fù)變形能力較強。此外，對比相同應(yīng)變下4種SBS改性瀝青的疲勞壽命發(fā)現(xiàn)，經(jīng)RTFOT老化85 min后，疲勞壽命SK70+4%SBS1>SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3；經(jīng)RTFOT老化5 h后，疲勞壽命SK70+4%SBS2>SK70+4%SBS4>SK70+4%SBS3>SK70+4%SBS1。由此可見嵌段比較大的SBS改性瀝青疲勞性能更好；經(jīng)5 h老化后，相同嵌段比下，星型SBS對瀝青疲勞性能改善效果明顯好于線型SBS。

3 結(jié)論

1)由復(fù)數(shù)模量、相位角和相位角老化指數(shù)發(fā)現(xiàn)，相同SBS結(jié)構(gòu)和摻量情況下，嵌段比越大，其高溫抗變形性能和抗老化性能越好。

2)通過MCSR試驗發(fā)現(xiàn)，老化前后SK70+4%SBS2的累積應(yīng)變最小。表明相同嵌段比下，星型結(jié)構(gòu)的SBS改性瀝青的的彈性恢復(fù)能力優(yōu)于線型SBS。計算黏彈性成分后發(fā)現(xiàn)老化會導(dǎo)致瀝青試樣的變形增加，但添加SBS后可以降低瀝青的彈性變形，尤其是SBS1改性劑對瀝青彈性變形的改善較好。

3)基于頻率掃描評價瀝青的自愈合性能，根據(jù)流動特性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，相同嵌段比下線型SBS改性的瀝青更容易達到流體狀態(tài)，由于星型SBS相對分子質(zhì)量較高，在其阻礙下瀝青難以達到流體狀態(tài)。

4)根據(jù)VECD模型對LAS試驗結(jié)果計算發(fā)現(xiàn)，嵌段比較大的SBS改性瀝青疲勞性能更好；但相同嵌段比下，星型SBS對瀝青疲勞性能改善效果明顯好于線型SBS。