SBS改性沥青胶结料性能评价指标研究

针入度、软化点、延度被称为沥青的三大指标。对于石油沥青而言，针入度是沥青分级的依据，是表征沥青稠度的指标。根据使用场合选择不同针入度的沥青，一般来讲，针入度大的沥青适用于气候寒冷、需要较好的抗疲劳和抗开裂性能的场合，针入度小的沥青适用于气候炎热、需要较好的抗车辙和抗扭转性能的场合[1]。加入SBS会降低沥青的针入度(如图1)，但这不意味其低温性能劣于原石油沥青或SBS含量更少的改性沥青。生产SBS改性沥青时，通常还会加入油类物质如糠醛抽出油、芳烃油、页岩油等提高SBS与沥青之间的相容性，降低改性沥青的熔融黏度。加人油类物质会增大改性沥青的针入度。可以加入石油树脂等调节针入度至合适的范围。

低温延度用于评价改性沥青的低温抗裂性能。5℃延度随SBS含量的变化如图4所示。由图4可知当富SBS相为分散相时，5℃延度随SBS含量的增大而增大，当富SBS相为连续相时，5℃延度受基质沥青的影响较为明显，且SBS含量的增大对5℃延度的提升作用不一定有效，这是由于随着SBS含量的增大，改性沥青的内聚力增大，拉伸行为可能不表现为断裂伸长率的增大，而表现为断裂强度的增大。因此当SBS含量较大时，5℃延度与改性沥青混合料低温性能的相关性较差。

弹性恢复常用于评价SBS改性沥青的弹性恢复性能，其测试标准条件为25℃，拉伸速度5cm/min,拉伸长度10cm,应力松弛时间为0,恢复时间1h。采用标准条件时发现，当SBS含量较少，即富SBS相为分散相时，弹性恢复率与SBS含量的相关性较好；而当SBS含量较多，即富SBS相为连续相时，弹性恢复率都为90%以上，与SBS含扯的相关性较差，如图5所示。尝试通过采用更严格的试验条件以提高富SBS相为连续相的改性沥青弹性恢复率的区分度，发现减少恢复时间、增大拉伸长度，区分度增加不明显；降低试验温度，区分度较好，如图6。建议富SBS相为连续相的改性沥青的弹性恢复试验温度改为5℃。

沥青黏韧性试验是评价改性沥青改性效果的一种典型试验，最初用于评价SBR改性沥青，后扩展至用千评价排水沥青路面用高黏度改性沥青。一般要求试验温度25℃，拉伸速度500mm/min,拉伸至300mm结束。试验时，一开始表现出需要较大的荷载，后来则有一较长的变形段。将总的功称作黏韧性，将后期较长时间变形部分的功称作韧性。在进行黏韧性测试时，基质沥青的内聚力小，拉伸的沥青比较细；随着SBS含量的增加，改性沥青的内聚力增大，拉伸的沥青变粗，如图7。当内聚力大于改性沥青与试验器半球圆头之间的黏附力时，拉伸变形不到300mm时改性沥青即从半球圆头上拉脱，从而结果偏小。70＃基质沥青黏韧性/韧性＝6/1,I-D改性沥青黏韧性/韧性＝24/17,高黏度改性沥青黏韧性/韧性＝27/21,当SBS的含量继续增大，黏韧性/韧性降低至25/19,如图8[6]。表现为随着SBS含量的增大，黏韧性先增大后减小，大约在SBS含量为7％时，黏韧性达到峰值，黏韧性大约30N?m,韧性约25N?m;且受基质沥青种类的影响较为明显(如图9[7]）。此外，在评价高黏度改性沥青的黏韧性时，还发现切线不容易找准的情况，导致在计算韧性时受试验人员人为因素的影响。日本在评价高黏度改性沥青时，要求黏韧性不小于20N?m,而不要求韧性[8]。对于SBS含量更大的改性沥青开发了其他的胶结料技术指标(胶结料低温弯曲试验）。我国规范对高黏度改性沥青有的要求黏韧性不小于20N?m,韧性不小于15N.m[9-11]；有的要求黏韧性不小于25N?m韧性不小于20N?m[12-13]。应注意由于SBS含量大导致黏韧性测试结果偏小的情况。

由于黏韧性随着SBS含量的增加先增大后减小，因此需要寻找与SBS含量相关性更好的胶结料指标。日本于2003年开发了胶结料低温弯曲试验。具体的试验方法[14-16]为将热沥青倒入模具中成型20mmx20mmx120mm的小梁试件，待冷却后用热刮刀刮除高于试模的沥青，放在试验温度中保温3~3.5h。将试件放置在试验机支座上，测定支点间距为80mm,以100mm/min的速度在跨径中央加载，记录变形和荷载。与混合料弯曲试验的计算方法类似，抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯拉应变能和弯曲劲度模量的计算方法如下：

严格意义上，弯拉应变能是弯拉强度对弯拉应变的积分。采用抗弯拉强度与最大弯拉应变的乘积作为弯拉应变能，是为了计算方便，无具体的物理意义，约为实际弯拉应变能的两倍。研究发现，随着SBS含最的增加，改性沥青的-20℃弯拉应变能增大，且受基质沥青种类的影响较小，如图10。测试市售成品沥青的弯拉应变能发现，基质沥青＜普通SBS改性沥青＜高黏度改性沥青＜寒冷地区用高黏度改性沥青。-20℃条件下进行的弯曲试验，基质沥青、普通SBS改性沥青、高黏度改性沥青都发生脆性破坏，寒冷地区用高黏度改性沥青为屈服变形，表明其低温性能优异，结果如图11[6]。目前日本大部分关于高SBS含量改性沥青的规范对胶结料低温弯曲试验提出了要求，见表1。

由表1可以看到，对不同的改性沥青，要求的试验温度不同。这是由于当发生脆性破坏时，随着改性沥青低温性能变好，弯拉应变能增大；当低温性能进一步变好，破坏形式由脆性破坏转变为屈服变形时，随着低温性能变好，弯拉应变能减小，即可能出现性能更优的材料不满足规范要求的情况。改善改性沥青的低温性能可以从SBS改性剂的角度，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；也可以从橡胶油的角度，如提高橡胶油的含量或采用倾点更低的橡胶油[8]。同一种改性沥青，随着测试温度的降低，破坏形式会由屈服变形转变为脆性破坏。改性沥青低温性能的提升会使得由屈服变形转变为脆性破坏的温度降低。因此当比较两种沥青在同一温度下的弯拉应变能时，应首先判断低温弯曲试验时的破坏形式，屈服变形的沥青比脆性破坏的沥青低温性能好；同为脆性破坏时，弯拉应变能大的沥青低温性能好；同为屈服变形时，弯拉应变能小的沥青低温性能好。而弯曲劲度模量和最大弯拉应变的变化不会因破坏形式的转变而出现拐点。随着低温性能的改善，弯曲劲度模量减小，最大弯拉应变增大。弯曲劲度模量相对于最大弯拉应变具有更好的区分度。因此建议采用胶结料低温弯曲试验时，只采用弯曲劲度模量来评价。