摘要

SBS長期以來被證明是zui經濟有效的瀝青改性劑。隨著SBS含量的增加，改性瀝青發生相轉變，富SBS相由分散相轉變為連續相。原來的技術指標需要進一步探討，分析了針入度、軟化點、5℃延度、彈性恢復、黏韌性和膠結料彎曲試驗的技術指標隨SBS含量的變化趨勢，為SBS改性瀝青的評價提供參考。

關鍵詞：指標 | SBS改性瀝青 | 高黏度 | 黏韌性 | 膠結料彎曲試驗

長期以來，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)被證明是zui經濟有效的瀝青改性劑，可以提高瀝青的高低溫性能、抗開裂、抗水損和耐疲勞各方面的性能。根據改性瀝青的應用場合，SBS在改性瀝青中的含量為2%~15%。當SBS含量較少時，改性瀝青中富瀝青質相為連續相、富SBS相為分散相；隨著SBS含量的增加，改性瀝青發生相轉變，富瀝青質相為分散相、富SBS相為連續相。發生相轉變的含量約為5%~7%。JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》將SBS改性瀝青分為l-A、l-B、l-C和l-D四種，但實際使用的高黏度改性瀝青、高彈性改性瀝青等也是SBS改性瀝青。區別在于l-A~l-D四種為富SBS相為分散相的改性瀝青，SBS含量不超過5%；高黏度改性瀝青和高彈性改性瀝青為富SBS相為連續相的改性瀝青，SBS含量較高。交通部的瀝青路面施工技術規范已施行了15余年未有調整，許多省份在實際應用過程中提出了自己的瀝青路面施工技術規范，對SBS改性瀝青提出了更高的要求。此外，排水瀝青路面的相關規范、鋼橋面的相關規范對高黏度改性瀝青和高彈性改性瀝青提出了各自的要求。

我國SBS改性瀝青存在規范標準不統一、認識不統一、個別規范中技術指標不合理的問題。本文結合國內外和筆者的相關研究，對SBS改性瀝青的相關指標進行分析，以供參考。

三大指標

針入度、軟化點、延度被稱為瀝青的三大指標。對于石油瀝青而言，針入度是瀝青分級的依據，是表征瀝青稠度的指標。根據使用場合選擇不同針入度的瀝青，一般來講，針入度大的瀝青適用于氣候寒冷、需要較好的抗疲勞和抗開裂性能的場合，針入度小的瀝青適用于氣候炎熱、需要較好的抗車轍和抗扭轉性能的場合[1]。加入SBS會降低瀝青的針入度(如圖1)，但這不意味其低溫性能劣于原石油瀝青或SBS含量更少的改性瀝青。生產SBS改性瀝青時，通常還會加入油類物質如糠醛抽出油、芳烴油、頁巖油等提高SBS與瀝青之間的相容性，降低改性瀝青的熔融黏度。加人油類物質會zeng大改性瀝青的針入度?？梢约尤胧蜆渲日{節針入度至合適的范圍。

針入度指數(PI)是用于評價瀝青感溫性能的指標。瀝青對溫度越敏感，PI越??；瀝青對溫度越不敏感，PI越大。PI的范圍從對溫度極為敏感的瀝青約為-3,到對溫度敏感性很低的充分吹氧瀝青約為＋7。按PI可將瀝青劃分為三種膠體結構類型：Pl<-2為溶膠型瀝青；Pl>+2為凝膠型瀝青；-2<Pl<+2為溶凝膠型瀝青。當Pl<-2時，瀝青的溫度敏感性強；當Pl>+2時有明顯的凝膠特征，耐久性差[2]，這是針對石油瀝青而言的。JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中對石油瀝青PI的要求，A級為-1.5~+1.0,B級為-1.8~+1.0。對于I-D型SBS改性瀝青的要求為P0,未設置上限。但江蘇省地方標準《江蘇省高速公路瀝青路面施工技術規范(DB32廳1087-2008)》[3]和浙江省交通運輸廳發布的《浙江省高速公路瀝青路面規范化施工指南》[4]中都對石油瀝青和SBS改性瀝青的PI提出更嚴格的要求，要求70號A級石油瀝青PI為-1.3~+1.0，SBS改性瀝青要求PI為-0.2~+1.0。在實際生產過程中分析了改性瀝青中SBS含量對PI的影響，結果如圖2。由圖2可知當SBS摻量為5%以內時，可以保證PI小于＋1.0。隨著SBS摻量的增加，PI相對增加，表明增加SBS摻量可以降低瀝青對溫度的敏感性。相關系數不很高，這是由于針入度評價感溫性能并不十分準確。PI大對于路用性能是有好處的，因此建議江蘇和浙江取消SBS改性瀝青PI的上限要求。

軟化點通常認為是表征高溫性能的指標，加入SBS可以提高軟化點，但軟化點的增加速度先快后慢，軟化點增加到90℃以上后提高SBS的含量對軟化點的提升效果不明顯(如圖3)。所以對軟化點的要求zui高為90℃以上。

低溫延度用于評價改性瀝青的低溫抗裂性能。5℃延度隨SBS含量的變化如圖4所示。由圖4可知當富SBS相為分散相時，5℃延度隨SBS含量的zeng大而zeng大，當富SBS相為連續相時，5℃延度受基質瀝青的影響較為明顯，且SBS含量的zeng大對5℃延度的提升作用不一定有效，這是由于隨著SBS含量的zeng大，改性瀝青的內聚力zeng大，拉伸行為可能不表現為斷裂伸長率的zeng大，而表現為斷裂強度的zeng大。因此當SBS含量較大時，5℃延度與改性瀝青混合料低溫性能的相關性較差。

彈性恢復

彈性恢復常用于評價SBS改性瀝青的彈性恢復性能，其測試標準條件為25℃，拉伸速度125px/min,拉伸長度250px,應力松弛時間為0,恢復時間1h。采用標準條件時發現，當SBS含量較少，即富SBS相為分散相時，彈性恢復率與SBS含量的相關性較好；而當SBS含量較多，即富SBS相為連續相時，彈性恢復率都為90%以上，與SBS含扯的相關性較差，如圖5所示。嘗試通過采用更嚴格的試驗條件以提高富SBS相為連續相的改性瀝青彈性恢復率的區分度，發現減少恢復時間、zeng大拉伸長度，區分度增加不明顯；降低試驗溫度，區分度較好，如圖6。建議富SBS相為連續相的改性瀝青的彈性恢復試驗溫度改為5℃。

黏韌性

瀝青黏韌性試驗是評價改性瀝青改性效果的一種典型試驗，zui初用于評價SBR改性瀝青，后擴展至用千評價排水瀝青路面用高黏度改性瀝青。一般要求試驗溫度25℃，拉伸速度500mm/min,拉伸至300mm結束。試驗時，一開始表現出需要較大的荷載，后來則有一較長的變形段。將總的功稱作黏韌性，將后期較長時間變形部分的功稱作韌性。在進行黏韌性測試時，基質瀝青的內聚力小，拉伸的瀝青比較細；隨著SBS含量的增加，改性瀝青的內聚力zeng大，拉伸的瀝青變粗，如圖7。當內聚力大于改性瀝青與試驗器半球圓頭之間的黏附力時，拉伸變形不到300mm時改性瀝青即從半球圓頭上拉脫，從而結果偏小。70?；|瀝青黏韌性/韌性＝6/1，I-D改性瀝青黏韌性/韌性＝24/17，高黏度改性瀝青黏韌性/韌性＝27/21，當SBS的含量繼續zeng大，黏韌性/韌性降低至25/19，如圖8[6]。表現為隨著SBS含量的zeng大，黏韌性先zeng大后減小，大約在SBS含量為7％時，黏韌性達到峰值，黏韌性大約30N?m,韌性約25N?m；且受基質瀝青種類的影響較為明顯(如圖9[7]）。此外，在評價高黏度改性瀝青的黏韌性時，還發現切線不容易找準的情況，導致在計算韌性時受試驗人員人為因素的影響。日本在評價高黏度改性瀝青時，要求黏韌性不小于20N?m，而不要求韌性[8]。對于SBS含量更大的改性瀝青開發了其他的膠結料技術指標(膠結料低溫彎曲試驗）。我國規范對高黏度改性瀝青有的要求黏韌性不小于20N?m，韌性不小于15N.m[9-11]；有的要求黏韌性不小于25N?m韌性不小于20N?m[12-13]。應注意由于SBS含量大導致黏韌性測試結果偏小的情況。

膠結料彎曲試驗

由于黏韌性隨著SBS含量的增加先zeng大后減小，因此需要尋找與SBS含量相關性更好的膠結料指標。日本于2003年開發了膠結料低溫彎曲試驗。具體的試驗方法[14-16]為將熱瀝青倒入模具中成型20mmx20mmx120mm的小梁試件，待冷卻后用熱刮刀刮除高于試模的瀝青，放在試驗溫度中保溫3~3.5h。將試件放置在試驗機支座上，測定支點間距為80mm,以100mm/min的速度在跨徑中央加載，記錄變形和荷載。與混合料彎曲試驗的計算方法類似，抗彎拉強度、zui大彎拉應變、彎拉應變能和彎曲勁度模量的計算方法如下：

嚴格意義上，彎拉應變能是彎拉強度對彎拉應變的積分。采用抗彎拉強度與zui大彎拉應變的乘積作為彎拉應變能，是為了計算方便，無具體的物理意義，約為實際彎拉應變能的兩倍。研究發現，隨著SBS含量的增加，改性瀝青的-20℃彎拉應變能zeng大，且受基質瀝青種類的影響較小，如圖10。測試市售成品瀝青的彎拉應變能發現，基質瀝青＜普通SBS改性瀝青＜高黏度改性瀝青＜寒冷地區用高黏度改性瀝青。-20℃條件下進行的彎曲試驗，基質瀝青、普通SBS改性瀝青、高黏度改性瀝青都發生脆性破壞，寒冷地區用高黏度改性瀝青為屈服變形，表明其低溫性能優異，結果如圖11[6]。目前日本大部分關于高SBS含量改性瀝青的規范對膠結料低溫彎曲試驗提出了要求，見表1。

由表1可以看到，對不同的改性瀝青，要求的試驗溫度不同。這是由于當發生脆性破壞時，隨著改性瀝青低溫性能變好，彎拉應變能zeng大；當低溫性能進一步變好，破壞形式由脆性破壞轉變為屈服變形時，隨著低溫性能變好，彎拉應變能減小，即可能出現性能更優的材料不滿足規范要求的情況。改善改性瀝青的低溫性能可以從SBS改性劑的角度，如提高SBS的含量、采用聚丁二烯嵌段比例更高的SBS或采用分子量更小的SBS；也可以從橡膠油的角度，如提高橡膠油的含量或采用傾點更低的橡膠油[8]。同一種改性瀝青，隨著測試溫度的降低，破壞形式會由屈服變形轉變為脆性破壞。改性瀝青低溫性能的提升會使得由屈服變形轉變為脆性破壞的溫度降低。因此當比較兩種瀝青在同一溫度下的彎拉應變能時，應首先判斷低溫彎曲試驗時的破壞形式，屈服變形的瀝青比脆性破壞的瀝青低溫性能好；同為脆性破壞時，彎拉應變能大的瀝青低溫性能好；同為屈服變形時，彎拉應變能小的瀝青低溫性能好。而彎曲勁度模量和zui大彎拉應變的變化不會因破壞形式的轉變而出現拐點。隨著低溫性能的改善，彎曲勁度模量減小，zui大彎拉應變zeng大。彎曲勁度模量相對于zui大彎拉應變具有更好的區分度。因此建議采用膠結料低溫彎曲試驗時，只采用彎曲勁度模量來評價。

結論

隨著SBS含量的增加，尤其是當富SBS相由分散性轉變為連續相后，改性瀝青的技術指標表現出不同的規律。有些指標如軟化點、25℃彈性恢復隨著SBS含量的增加變化不明顯；有的指標如25℃黏韌性隨SBS含量的增加先zeng大后減??；有的指標如25℃黏韌性和5℃延度受基質瀝青種類的影響比較明顯。因此在評價高SBS含量的改性瀝青時，不能盲目借鑒低SBS含量改性瀝青的經驗，而應充分評價SBS含量對改性瀝青膠結料和混合料指標的影響，以及膠結料指標和混合料指標之間的關系，提出合理的技術要求。

另外，低SBS含量改性瀝青的技術指標很多是沿用了石油瀝青的技術指標，屬于重質油的范疇。而高SBS含量改性瀝青由于富SBS相為連續相，表現出聚合物的性質，可以認為是高填充的熱塑性橡膠，有些重質油的指標并不一定適合用于評價高SBS含量的改性瀝青，可以考慮參考橡膠的相關評價手段。

全文完。發布于《石油瀝青》2020年12期。

作者簡介：姚鴻儒(1990-），男，山東滕州人，博士研究生。

設備名稱：全自動瀝青針入度儀
型       號：B059M
制  造  商：意大利Matest公司

產品特點

▍ 只需按下 START 按鈕即可進行全自動測試：接近、接 觸、貫入
▍ 自動識別標準針接觸點和定位，能避免任何操作人員失 誤，并提供高重復性的測試結果
▍ 電磁釋放系統
▍ 開始貫入前自動歸零
▍ 通過具有 0.01 mm 分辨率的高科技非接觸式位移傳感 器進行針入度測量，范圍 0~50 mm
▍ 7 英寸觸摸屏，界面簡潔明了
▍ 實時顯示貫入 / 時間曲線、平均結果和測試溫度

設備名稱：全自動數字瀝青軟化點儀 (環球法) SOFTMATIC
型       號：B070M
制  造  商：意大利Matest公司

產品特點
▍ 實時顯示溫度（°C）- 時間（秒）曲線

▍ TFT LCD 圖形顯示器，800x480 像素，7 英寸觸摸屏。 無限內存（U 盤、 Micro SD），并且可以通過電腦編輯數據

▍ 多語言選項

▍ 微處理器通過友好菜單界面控制所有測試階段

▍ 高品質組件：激光傳感器、電子磁力攪拌器、陶瓷玻璃 加熱板

▍ 全自動控制

設備名稱：全自動瀝青延度實驗儀
型       號：B055-10/B055-20N

制  造  商：意大利Matest公司

意大利matest B055全自動瀝青延度測定儀基本構成為沿導軌的移動牽引架，驅動牽引架的電機一個設置了數字溫度計、 浸水電加熱器和用于冷卻水循環的冷卻盤管的大型水槽和水泵。B055全自動瀝青延度測定儀行程1500mm。水槽和外部支撐架全部由不銹鋼制 成，內置玻璃纖維隔熱層。水浴溫度通過數字溫控器調節維待在 25℃ ±0.5℃。裝設雙重超溫保護，防止意外造成的 溫度過高。

主要配置
▍ B055-20N 瀝青延度測定儀包括數據采集系統，“高性能科研”型
▍ B055-25 荷載傳感器，500N 量程，出廠時完成安裝和標定 x 3
▍ B055-26 制冷機組和機器整合在一起，測試水溫為 4℃～ 25℃
▍ B054-01 延度儀試模 - 符合規范 ASTM, AASHTO, JTG E20 T 0605-2011
▍ B054-02 延度儀試模底板

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