不同存储条件对SBS改性沥青流变性能的影响
时间：2023-01-20 11:15:09 来源：天一资源网 本文已影响 人 
宋江春， 符适， 虞浩， 詹贺
(1.江苏高速公路工程养护有限公司， 江苏 淮安 223005；
2.河海大学 土木与交通学院， 江苏 南京 210098)
受路面超载、交通量增加和自然气候的影响，中国每年约有12%的沥青路面面临大中修养护，高速公路沥青路面养护工程具有沥青混合料拌和量小、施工零散分布、运距长的特点，使用上存在诸多不确定因素，在沥青用量较少、短期内不施工或者雨雪天气等环境下难免会面临SBS改性沥青反复存储加热的问题。SBS改性沥青的热储存稳定性问题一直是其质量控制的关键要素，相关研究表明SBS改性沥青在存储过程中性能会发生一定衰减[1-4]。孟令国等[5]采用室内试验模拟表明SBS改性沥青的高温存储状态、存储温度和加热次数对SBS改性沥青的稳定性具有较大影响；
钱喜红[6]、陈军等[7]研究了存储温度和时间对SBS改性沥青高温流变性能的影响；
原健安等[8]研究了SBS改性沥青高温存储后软化点的变化规律，结果表明SBS改性沥青高温性能衰减与基质沥青自身性能密切相关；
周昆等[9]研究表明SBS改性沥青经高温存储后分离严重，稳定性较差。为了延缓SBS改性沥青的性能衰减，通常会把存储温度降低，若长时间内不施工则会把沥青的存储温度降至室温，待再次使用时将其加热至高温流动状态[4]。
为了研究不同存储条件对SBS改性沥青流变性能的影响，该文在室内制备了两种模拟现场存储条件的沥青，采用三大指标试验、布氏旋转黏度试验、DSR试验研究不同存储条件下沥青高低温性能和疲劳性能的衰减规律，并确定SBS改性沥青在不同存储条件下的允许存储次数，根据各项指标随存储次数的敏感变化程度优选出能体现SBS改性沥青性能衰减的关键指标。
1.1 原材料
以SBS掺量为5.0%的SBS改性沥青为研究目标，SBS改性沥青性能检测结果见表1。
表1 SBS改性沥青性能检测结果
1.2 试验方案
根据SBS改性沥青的现场存储情况，将其分为两种工况：一种为高温条件下储存一段时间后直接降至室温，即在170 ℃储存1 d，然后降至室温，记为“170 ℃～室温”；
另一种为中温条件下储存一段时间后低温储存，即在150 ℃储存1 d，然后降至130 ℃储存1 d，记为“150～130 ℃”。
室内试验采用的沥青模拟储存罐是根据养护单位沥青储存罐的尺寸缩放设计的。采用自制尺寸为φ10.2 cm×10.5 cm的卧式沥青模拟储存罐，模拟现场尺寸为φ2.55 m×10.5 m的卧式沥青储存罐，采用恒温油浴槽对模拟储存罐进行保温加热，试验验证室内模拟存储和现场存储沥青的性能衰减程度相关性较好。将SBS改性沥青的存储循环次数设为1～4次，分别对不同工况、不同存储次数的沥青取样进行三大指标、135 ℃布氏旋转黏度、DSR(TS，40～80 ℃)、DSR(ZSV，60 ℃)和极限疲劳温度测试。
1.3 试验方法
(1) 常规性能试验：沥青的三大指标测试按照JTG E20-2011进行。
(2) 布氏旋转黏度测试：布氏旋转黏度可以较好地表征SBS改性沥青施工和易性，135 ℃布氏旋转黏度依照AASHTOT 316-04的Brookfield黏度计测试。
(3) 动态剪切流变仪(DSR)测试：采用TA-AR1500ex DSR进行温度扫描，温度范围为40～80 ℃，间隔温度为5 ℃，得到车辙因子G*/sinδ和疲劳因子G*sinδ，并计算失效温度和极限疲劳温度[5]。
2.1 高温性能
2.1.1 软化点
两种存储条件下SBS改性沥青软化点的变化规律如图1所示。
图1 软化点随循环加热次数的变化图
由图1可知：随着循环加热次数的增加SBS改性沥青的软化点不断下降，相比于“150～130 ℃”存储条件，“170 ℃～室温”工况对SBS改性沥青软化点的影响较大，4次循环作用下软化点降低了18.1 ℃。SBS改性沥青在经受骤冷骤热后软化点下降明显，温度变化较为缓慢的情况下性能衰减不明显。
2.1.2 135 ℃黏度
两种存储条件下SBS改性沥青的135 ℃黏度变化规律如图2所示。
图2 135 ℃黏度随循环加热次数的变化图
由图2可知：随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的135 ℃黏度整体呈下降趋势，“170 ℃～室温”比“150～130 ℃”的135 ℃黏度降低幅度大，高温性能衰减较快。两种工况下，SBS改性沥青循环加热4次后其135 ℃黏度均大于2.2 Pa·s，满足技术要求。
2.1.3 失效温度
图3为两种存储条件下在测试温度为40～80 ℃范围内车辙因子(G*/sinδ)随温度的变化曲线。
(a) 170 ℃～室温
SBS改性沥青的lg(G*/sinδ)随温度变化曲线如图4所示。
(a) 170 ℃～室温
根据图4的拟合结果，计算当G*/sinδ=1 kPa时对应的温度，即为失效温度，结果见图5。
图5 失效温度随循环加热次数的变化图
由图5可知：随着循环加热次数的增加，SBS改性沥青失效温度整体呈现降低的趋势。两种存储条件下SBS改性沥青的失效温度变化幅度不同，“170 ℃～室温”工况降低幅度相对较大。
2.1.4 60 ℃零剪切黏度
采用Carrera模型多项式拟合得到了不同工况下沥青的零剪切黏度[10-11]，结果见图6。
(a) 170 ℃～室温
图7为不同存储条件下SBS改性沥青60 ℃零剪切黏度的变化规律。
图7 60 ℃ZSV随循环加热次数的变化图
由图7可知：随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的60 ℃零剪切黏度整体下降，在相同循环次数下“170 ℃～室温”工况较“150～130 ℃”下降幅度大。
随着循环加热次数的增加，SBS改性沥青的高温性能指标均有所降低，其主要原因为SBS改性剂溶胀后可以与沥青形成致密的空间网络结构，形成的SBS相和沥青相的双连续结构体系使沥青的高温性能得到改善。SBS改性沥青高温性能降低的原因主要有两个：① 大分子的SBS聚合物在高温下发生降解，导致体系的整体黏度降低；
② SBS与基质沥青所形成的空间网络结构可能发生了一定破坏，体系的稳定性有所降低，进而高温性能衰减。
2.2 低温性能
2.2.1 针入度
两种存储条件下SBS改性沥青针入度的变化规律见表2。
表2 针入度随循环加热次数的变化规律
由表2可知：随着循环加热次数的增加，SBS改性沥青的针入度均有所降低，“170 ℃～室温”较“150～130 ℃”的针入度降低幅度大。根据SBS改性沥青的性能指标要求，在“170 ℃～室温”循环过程中，SBS改性沥青的允许循环加热次数为2次，其25 ℃针入度由63降至52(0.1 mm)，降幅为17.5%；
在“150～130 ℃”工况下，SBS改性沥青的允许循环加热次数为4次，其25 ℃针入度由63降至50(0.1 mm)，降幅为20.6%。
针入度下降的原因与高温性能下降基本一致，同时多次高温储存会导致沥青发生一定老化，沥青重组分含量升高，导致低温性能变差。其中多次骤升骤降会使沥青发生较大程度老化，低温性能下降更为迅速。
2.2.2 5 ℃延度
不同存储条件下SBS改性沥青的5 ℃延度变化规律见表3。
表3 5 ℃延度随循环加热次数的变化规律
由表3可知：随着循环加热次数的增多，其SBS改性沥青的5 ℃延度整体呈现降低的趋势，即其低温性能逐渐变差。同时发现，“150～130 ℃”较“170 ℃～室温”工况的SBS改性沥青5 ℃延度变化缓慢。
在“170 ℃～室温”工况下，当循环1次后其5 ℃延度为36.1 cm，增加至2次后其5 ℃延度降至20.3 cm，已经不能满足相关指标的要求，这种情况下只能循环1次；
在“150～130 ℃”工况下，当循环3次后5 ℃延度为30.5 cm，增加至4次后5 ℃延度降至25.4 cm，已经不能满足技术指标要求，为此这种情况下只能循环3次。
2.3 疲劳性能
对不同循环条件和不同循环次数下的SBS改性沥青进行温度扫描试验，疲劳因子G*sinδ随温度的变化见图8。
(a) 170 ℃～室温
由图8可知：lg(G*·sinδ)与温度均存在较好的线性关系。利用线性回归公式计算出不同循环次数下所得SBS改性沥青的极限疲劳温度如图9所示。由图9可知，随着循环加热次数的增多，SBS改性沥青的极限疲劳温度不断升高，抗疲劳性能逐渐降低，且“170 ℃～室温”比“150～130 ℃”下降的幅度要大。
图9 极限疲劳温度随循环加热次数的变化图
2.4 SBS改性沥青性能评价指标优选
采用多项指标描述了不同存储工况对SBS改性沥青的性能衰减规律，对SBS改性沥青各项性能指标随循环加热次数的变化进行线性回归，得到各项性能指标的敏感变化斜率，根据敏感变化斜率的大小确定各项性能指标的变化敏感度，进而优选出合适的性能评价指标(表4)。
表4 存储条件对SBS改性沥青性能的影响
不同存储条件下各项性能指标的变化敏感程度见图10。
由图10可知：“170 ℃～室温”较“150～130 ℃”的各项性能指标随储存时间的敏感变化斜率大，即SBS改性沥青的性能变化幅度越大。同时，从敏感变化斜率上可以看出：各项性能指标对循环加热次数的敏感程度上由大到小的顺序为：60 ℃ZSV、25 ℃针入度、软化点、失效温度、135 ℃黏度。通过各项性能指标敏感变化斜率对比分析，推荐以60 ℃零剪切黏度指标为主、软化点和针入度指标为辅评价SBS改性沥青的性能变化。
研究了两种不同工况下SBS改性沥青高低温、疲劳性能的变化规律，得到以下结论：
(1) 从高温性能来看，随着循环加热次数的增加，SBS改性沥青的软化点、135 ℃黏度、失效温度和60 ℃零剪切黏度整体呈现下降趋势，高温性能有所衰减，随循环次数的增多，“170 ℃～室温”较“150～130 ℃”降低的幅度增大，高温性能衰减速率较快。
(2) 从低温性能来看，随着循环加热次数的增加，SBS改性沥青的针入度、5 ℃延度均有所下降，“170 ℃～室温”较“150～130 ℃”工况的低温性能衰减大。
(3) 对极限疲劳温度而言，循环加热次数越多，SBS改性沥青的极限疲劳温度越高，抗疲劳性能下降越快。
(4) 从两种不同工况下SBS改性沥青性能对比来看，建议SBS沥青存储时采用中温下储存一段时间后低温储存，即在“150～130 ℃”工况下存储，允许存储次数不超过3次，“170 ℃～常温”工况下允许存储次数最高为1次。
(5) 通过各项性能指标敏感程度变化斜率的对比分析可知，推荐以60 ℃零剪切黏度为主、常规性能软化点和针入度为辅评价SBS改性沥青的性能变化。
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