黄晓研
文章借鉴南宁吴圩机场第二高速公路橡胶沥青路面施工技术总结经验，利用现场加工方法得到最佳剪切速率、剪切时间、剪切温度及发育时间，制备SBS改性沥青，分组后对其进行检测分析，结果表明：三大指标都能满足规范要求;SHRP试验分析得知3#原样改性沥青比RTFOT后的改性沥青短期抗老化性能好、1#抗疲劳性能好、试样低温等级均为PG-29;EDS法检测改性沥青比红外光谱法测的数据更精准;现场加工SBS改性沥青生产老化后的质量损失处于稳定状态。
道路工程;SBS改性沥青;沥青现场加工;EDS法
U416.02A120425
0 引言
公路运输作为交通系统组成部分之一，是最便捷、最直接的运输方式。随着我国基础设施建设的加快，公路里程也实现跨越式增长。随着我国高速公路里程不断增加，每年养护里程也在不断攀升，致使对沥青的需求呈现出逐年上升的趋势[1]。沥青是一种复杂的高分子烃类聚合物，也是路面施工最重要的材料，就目前的交通量而言，普通的沥青路面难以达到合格的标准。因此，研究改性沥青对提高路面承载能力、抗挤压变形能力以及路面抗老化性等方面具有特殊意义，SBS改性剂能大幅度提升沥青在高温、低温下的稳定性，很好地适应我国当前的交通情况[2]。
国内外学者针对SBS改性沥青进行了大量研究：Yan Wang等[3]通过试验得出SBS改性沥青制备的最佳条件和SBS改性沥青的标准等级以及性能应用;D.Q.Sun等[4]结合了改性沥青聚合物的含量定量来测定，研究基于性能、红外光谱等方法，在这些方法中红外光谱法是检测改性沥青中聚合物含量最常用的方法，也是较为合适的测试方法之一;曹贵等[5]通过对改性沥青性能和工艺参数的研究，得出了新的复配SBS改性沥青生产材料比例和新工艺参数，得出工厂化生产的SBS改性沥青质量更加稳定可靠的结论;于艳杰等[6]通过高速剪切制备改性沥青试验表明，SBS改性沥青具有储存稳定性好、温度敏感性小的优点。
从国内外研究现状可知，基质沥青中加入SBS改性剂可以改变沥青的各项性能[7]，同时SBS改性沥青具有在施工现场加工方便、加工过程质量参数可控等特点。为此，本文借鉴南宁吴圩机场第二高速公路橡膠沥青路面施工技术经验，针对SBS改性沥青现场加工工艺及质量控制不足等问题，试图通过熔融研磨法这一现场施工方式找到最佳剪切速率、剪切时间、剪切温度及发育时间参数，以常规性能测试、SHRP试验、改性剂含量测试及性能稳定性试验分析等方式，验证最佳参数的正确性。
1 最佳现场加工方法的确定
1.1 现场加工方式及工艺
本项目使用熔融研磨法来现场加工SBS改性沥青，将比例调配好的沥青先加热到一定温度后，加入SBS改性剂，再将热沥青放入高速剪切机，利用高速旋转的转子将热沥青和SBS改性剂充分地研磨并分散。
由此研究不同的剪切速率、时间、温度和发育时间对改性沥青的影响，得出现场加工改性沥青的最佳工艺参数，并通过三大指标、SHRP指标、改性剂含量的试验来验证成品改性沥青的性能。
1.2 最佳参数的确定
根据现场加工改性沥青生产的实际状况，基质沥青的技术指标如表1所示，改性剂技术指标如表2所示。
在改性沥青的制备过程中，剪切速率、剪切时间、剪切温度以及发育时间是主要的工艺参数。根据分析微观条件下产生的因素和基本性能对沥青性能影响，研究不同的参数对改性沥青的影响，从而探索其规律并从中得出改性沥青制备的最佳方案。
1.2.1 剪切速率的确定
本试验将选取5个剪切速率进行检测，范围为2 000～6 000 r/min，三大指标结果如表3所示。
通过对表3中不同软化点、针入度及延度进行分析可以得出，剪切速率>4 000 r/min时改性剂会影响基质沥青的改性效果;改性沥青在抗剪切性能和高温流变性适合时的剪切速率在4 000 r/min;为有效防止快速剪切产生的高温导致局部老化，最后选取剪切速率4 000 r/min作为改性剂加工最佳剪切速率。
1.2.2 剪切时间的确定
本试验将选取20 min、30 min、 40 min 、50 min四个剪切时间，研究加工改性沥青的三大指标。结果如表4所示。
通过对表4中不同软化点、针入度及延度进行分析可以得出，剪切时间在40 min的改性沥青软化点值最高;剪切时间对改性沥青针入度影响不显著;当剪切时间超过40 min后改性沥青低温延度下降，因此剪切时间应控制在35 min左右为最佳时间。
1.2.3 剪切温度确定
本实验选取165 ℃、175 ℃、185 ℃、195 ℃四个剪切温度，研究加工改性沥青的三大指标，结果如下页表5所示。
通过对表5中不同软化点、针入度、延度进行分析可以得出，剪切温度控制在185 ℃时成品沥青的软化点最高;剪切温度在165 ℃～185 ℃时延度相差不大，剪切温度>185 ℃后，延度随剪切温度升高而降低，软化度最高，低温延度和针入度指标在规定范围内，因此剪切温度控制在185 ℃为最佳温度。
1.2.4 改性沥青发育时间的确定
本实验选取2 h、3 h、4 h、5 h、6 h五个发育时间，研究加工改性沥青的三大指标，结果如表6所示。
通过对表6中不同软化点、针入度及延度进行分析可以得出，发育时间在4 h时候达到软化点顶点， 对4 h为改性沥青最优发育时间，但考虑到现场沥青罐容量过大，发育时间缓慢，因此，沥青发育时间延长至6 h左右，不宜超过6 h。
2 SBS改性沥青性能研究
针对上文得到的最佳剪切速率、剪切时间和剪切温度以及发育时间制备SBS改性沥青，并对其进行常规性能、SHRP试验、改性剂含量及性能稳定性的分析。
2.1 常规性能分析
将三组沥青分别编号为1#、2#、3#，再用此三组成品改性沥青进行三大指标以及经过RTFOT后的延度、质量损失与残留针入度比试验，得到结果如表7所示。
由表7可知， SBS改性沥青常规性能指标可通过此加工工艺制出并都能符合规范要求，性能稳定。
2.2 SHRP试验分析
2.2.1 动态剪切流变试验
采用动态剪切流变仪，分别对原样、RTFOT后残渣进行试验，探究加工现场改性沥青的疲劳性与高温稳定性。其中车辙因子G*/sinδ为评价参数，δ为滞后角。动态荷载作用下G*为应变之比和应力，若沥青拥有较强的抗车辙能力，则需确保较大的G*值与较小的δ值。分别对原样沥青、RTFOT短期老化后的残渣沥青进行验证，如表8、表9所示。
SHRP规范要求RTFOT后残留沥青的G*/sinδ≥1.1 kPa，RTFOT后的残渣沥青G*/sinδ≥2.3 kPa。通过表8、表9可以看出，三个原样品沥青高温都≥PG77，具有较强的抗车辙能力、较强的抵抗剪切变形能力、高温稳定性及抗老化性。
2.2.2 弯曲梁流变试验
对沥青低温性能进行评价，BBR试验中，沥青处于低温条件下时，通过蠕变劲度S来反映抵抗恒载能力，劲度S在荷载作用下变动的速率用蠕变速率m来表现。结果如表10所示。
由表10改性沥青BBR试验结果得出，按照PG分级评价标准，三个试样的低温级别均为PG-29。
2.2.3 沥青疲劳耐久性试验
在评估现场加工的SBS改性沥青疲劳性能时，将疲劳因子G*/sinδ作为评价指标，在29 ℃的试验温度下，使用DSR对SBS改性沥青进行低温剪抗疲劳试验，结果如表11所示。
同温度下，G*/sinδ 值越小表示能力损失较少，通过表11看出1#抗疲劳性能好。
2.3 改性剂含量分析
2.3.1 EDS检测原理
本次采用南宁吴圩机场第二高速公路橡胶沥青，反应方程式为：
nSB-Li++SiCl4→（SB）nSiCl4-n+nLiCl （1）
式中：n——单根分子链的偶联度，理想情况下为4;
SB-——活性双嵌段聚合物。
2.3.2 样品制备
样品制备的材料采用南宁吴圩机场第二高速公路橡胶沥青，分析星型SBS改性沥青的加工参数，制作出1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%五种不同含量的SBS改性沥青。
2.3.3 不同掺量改性沥青的元素分析
分别采用1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的改性剂掺量对星型SBS改性沥青进行试验并对试验结果进行分析，如表12所示。
通过表12可以看出Si元素的含量随着改性剂掺量的增加而增加。
2.3.4 绘制星型SBS改性剂掺量和Si元素含量的标准曲线
对不同的星型SBS改性剂掺量沥青样品进行能谱仪扫描实验，得出各改性沥青的Si元素含量，如图2所示。
通过图2可知，Si元素含量和星型SBS改性剂掺量之间成一种线性关系，Si元素的含量随着改性剂掺量的增加而增加，回归方程如式（2）所示。还可以看出R2=0.998 7为回归方程的复相关系数，表明回归方程的拟合结果相近，从而证明了Si元素含量与星型SBS改性剂含量之间的线性关系。
y=0.091+0.101x （2）
2.3.5 能谱仪法和红外光谱法对比
用不同掺量SBS改性沥青进行能谱仪试验，与陈颖娣等[8]多位学者对SBS的不同参数用红外光谱法试验的结果进行对比分析，得出能谱仪法检测改性沥青中新型SBS改性剂中元素含量更为精确。
2.4 性能稳定性分析
通过研究针入度比、针入度、老化后的质量损失、延度、软化点这5项指标的数据，得出现场加工SBS改性沥青的质量稳定性。本节采用系统抽样方式，现场施工每生产出一批沥青即从中抽样进行检测，用计算平均值來确定沥青的指标值，通过抽样现场加工SBS改性沥青成品的试验数据进行性能分析。
表13为采用系统抽样对施工期现场加工的SBS改性沥青成品的试验数据。
现场加工质量稳定性分析结果见图3～7。
通过分析现场加工SBS改性沥青中25 ℃针入度、软化点、5 ℃延度和老化后针入度比的数据，可以看出试验结果的柱形图呈现中间高两边低，符合正态分布函数图形，表明现场加工SBS改性沥青性能稳定。
由图8可以看出，现场加工SBS改性沥青生产老化后的质量损失处于稳定状态。
3 结语
本文通过熔融研磨法对SBS改性沥青进行现场加工，得到最佳的剪切速率、剪切时间、剪切温度以及发育时间参数，制备了SBS改性沥青，分别对得到的SBS改性沥青进行常规性能、SHRP试验、改性剂含量及性能稳定性试验分析，得到以下结论：
（1）通过现场加工方法确定最佳剪切速率为4 000 r/min、剪切时间为35 min、剪切温度为185 ℃、发育时间为6 h。
（2）应用最佳参数制备的成品改性沥青，在三大指标、延度、质量损失和残留针入度上，均能满足规范要求。
（3）通过SHRP试验得到原样改性沥青3#，具有良好的高温稳定性、抗车辙能力及较强的抵抗剪切变形能力。RTFOT后的改性沥青短期抗老化性能好;改性沥青1#抗疲劳性能好;三个试样的低温等级均为PG-29。
（4）对比EDS法与红外光谱法，证明EDS法检测改性沥青中新型SBS 改性剂中元素含量的数据更为精确。
（5）通过研究针入度比、针入度、老化后的质量损失、延度、软化点指标的数据，得出现场加工SBS改性沥青性能处于稳定状态。
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