CN104048985A - 一种sbs改性沥青中改性剂掺量的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法。方法包括：绘制梯度浓度标准试样的老化温度—5℃延度曲线组，得到曲线标准图；绘制待测样品的老化温度—5℃延度曲线；根据待测样品的老化温度—5℃延度曲线图在标准曲线图中的位置，确定待测样品中改性剂的掺量。本发明方法根据SBS改性沥青在不同老化温度下延度的变化规律测得SBS改性沥青中改性剂掺量。该方法价格低廉，简单易行，能够快速地测定SBS改性沥青中改性剂掺量，结果准确可靠，适合在施工现场推广应用。

Description

一种SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法

技术领域

本发明属于沥青材料技术领域，具体涉及一种SBS改性沥青中改性掺量的测定方法，该方法可用于施工现场检测SBS改性沥青中改性剂掺量以及检测沥青厂家生产的SBS改性沥青改性剂掺量。

背景技术

沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、养护维修简便、可再生利用等优点，因此获得越来越广泛的应用。但是，随着我国经济的繁荣发展，私家车不断增多、货车轴载不断加大以及超载现象普遍存在，对路面的承载能力、使用性能以及安全性能提出了更高的要求，即对道路材料尤其是沥青结合料的路用性能提出了更高的要求。SBS改性沥青作为一种新的沥青材料，具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂、水稳性能、抗疲劳性能以及耐老化性能，恰恰能满足这些要求，得到了广泛的应用。现如今我国大多数高等级公路均采用SBS改性沥青路面。

SBS是一种热塑性弹性体，是以丁二烯和1、3—苯乙烯为单体，采用阴离子聚合得到的线形或星型嵌段共聚物，由于其具有良好的弹性，能够使改性沥青高温不软化，低温不发脆，故已成为目前世界上最为普遍使用的道路沥青改性剂。众所周知，SBS改性剂的掺量对沥青指标、路用性能起着决定性的作用。

目前，最常用的SBS掺量分析方法有3种：面积测试法、红外光谱与核磁共振测试法、溶剂分离法。其中：

面积法无法考虑SBS吸收沥青中轻质胶体以及芳香组分而产生的体积增加现象。

红外光谱与核磁共振测试法需要有专门的仪器设备，设备价格昂贵，不适合现场施工采用，且在实际测试过程中需要的样本很小，代表性很差，毕竟一滴水无法代表整个大海。

溶剂分离法采用不同溶剂将改性沥青各组分进行溶解分离，得到SBS有机溶液，然后加入甲醛，将SBS析出，该法无法准确地判断SBS是否完全分离以及析出，测量结果误差较大。SBS改性剂掺量是保证SBS改性沥青性能的关键，因此，有必要开发一种简单有效的检测SBS改性沥青改性剂掺量的方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法，以解决现有的测定方法存在成本高、操作复杂和可靠度低的问题。

为此，本发明提供的SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法包括：

一、绘制梯度浓度标准试样的老化温度—5℃延度曲线组，得到曲线标准图；

二、绘制待测试样的老化温度—5℃延度曲线；

三、根据待测试样的老化温度—5℃延度曲线图在标准曲线图中的位置，确定待测样品中改性剂的掺量。

优选的，所述标准试样的梯度浓度范围为1％～6％，浓度梯度差为0.4％～0.6％。

优选的，所述老化温度范围为163℃～183℃，温度梯度差为5℃。

优选的，SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法包括以下步骤：

(一)绘制梯度浓度标准试样的老化温度—5℃延度曲线组，得到曲线标准图：

(1)根据待测试样的基质沥青及SBS原材，制备改性剂掺量分别为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％的SBS改性沥青标准试样；

(2)对各标准试样SBS改性沥青进行老化，老化温度分别设为163℃、168℃、173℃；并测量各老化后的标准试样SBS改性沥青的5℃延度；

(3)在图一坐标系下，绘制每个标准试样SBS改性沥青老化温度—5℃延度曲线，得到曲线标准图；

(二)绘制待测试样的老化温度—5℃延度曲线：

(1)将待测试样SBS改性沥青进行老化，与标准试样SBS改性沥青老化方法一致，老化温度分别设为163℃、168℃、173℃；并测量老化后待测试样SBS改性沥青5℃延度；

(2)在标样SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线标准图中绘制待测试样SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线；

(三)根据待测试样的老化温度—5℃延度曲线图在标准曲线图中的位置确定待测试样中改性剂的掺量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明方法根据SBS改性沥青在不同老化温度下延度的变化规律测得SBS改性沥青中改性剂掺量。该方法价格低廉，简单易行，能够快速地测定SBS改性沥青中改性剂掺量，结果准确可靠，适合在施工现场推广应用。

附图说明

图1为SBS改性沥青各性能指标随老化温度的变化规律；图1(a)为针入度随老化温度的变化规律；图1(b)为软化点随老化温度的变化规律；图1(c)为5℃延度随老化温度的变化规律；图1(d)为运动粘度随老化温度的变化规律；图1(e)为弹性恢复随老化温度的变化规律；

图2为SBS改性沥青老化后5℃、10℃、15℃延度值随掺量的变化规律；

图3为不同掺量SBS改性沥青各指标随老化温度的变化规律；图3(a)为针入度随老化温度的变化规律；图3(b)为5℃延度随老化温度的变化规律；图3(c)为运动粘度随老化温度的变化规律；图3(d)为弹性恢复随老化温度的变化规律；

图4为实施例改性剂掺量为1％～6％的SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线标准图；

图5为实施例待测SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线在标准图中的位置；

图6为实施例相邻两条5℃延度—老化温度曲线之间距离五等分图。

下面结合实例与附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

具体实施方式

本发明所述的老化测试采用薄膜烘箱老化试验TFOT或旋转薄膜烘箱RTFOT，本发明的5℃延度的测试采用5℃沥青延度试验。

本发明的标准试样中的基质沥青的型号与产地、SBS改性剂种类(星型、线型)、外加剂种类(稳定剂、增容剂、增稠剂)应与待测试样的基质沥青的型号与产地、SBS改性剂种类、外加剂保持一致。一般待测试样均有相关说明。

关于本发明的研究过程说明如下：

目前缺乏行之有效的检测SBS改性沥青改性剂掺量的方法。许多沥青厂家为了降低SBS改性沥青的生产成本，在生产过程中采用廉价的外加剂替代SBS改性剂。外加剂的成分主要为轻质组分，虽能暂时地提高SBS改性沥青的性能指标，使其满足规范要求，但是随着时间的推移，SBS改性沥青经历高温拌和与碾压后轻质组分挥发，改性剂掺量不足的缺陷就会体现出来。SBS改性沥青高温拌和与碾压其实就是短期老化过程。基于此，发明人通过不同老化温度的老化试验对SBS改性沥青老化性能进行研究，从中发现SBS改性沥青不同老化温度老化后的性能指标与SBS改性沥青中改性剂实际掺量的关系。

由于SBS改性沥青短期老化主要发生在沥青混合料的拌和过程，因此发明人将拌和后的SBS改性沥青混合料进行抽提试验，测定抽提后的SBS改性沥青针入度、5℃延度、135℃的运动粘度、弹性恢复；

关于研究过程中老化温度范围的选择：现行《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定，采用评价基质沥青短期老化的方法评价SBS改性沥青的短期老化性能，即163℃的薄膜烘箱试验TFOT。基质沥青的拌和温度为150～160℃，而SBS改性沥青拌和温度一般在175℃～180℃，因此，确定老化温度范围为163℃～183℃。关于温度梯度差的选择：发明人试过温度梯度差为1℃和2℃，结果显示，温度间隔过小时，SBS改性沥青老化后的指标值变化不明显，而且一次薄膜烘箱老化试验的时间为5h，耗时太长，如果温度间隔太大，发明人试过温度梯度差为8℃、10℃，不利于观察其变化规律。因此，最终将老化温度间隔定为5℃，即薄膜烘箱试验温度为163℃、168℃、173℃、178℃、183℃原因。

对同种SBS改性沥青进行163℃、168℃、173℃、178℃、183℃的老化试验，测定不同试验温度老化残留物的针入度、5℃延度、135℃的运动粘度、弹性恢复；

将抽提后的SBS改性沥青针入度、5℃延度、135℃的运动粘度、弹性恢复与不同温度老化试验的SBS改性沥青针入度、5℃延度、135℃的运动粘度、弹性恢复进行对比研究，确定合适评价SBS改性沥青短期老化的老化试验温度。

为了使研究更具有普遍性，发明人随机选取陕西宝利沥青有限公司与西安国琳实业有限公司两个沥青厂家生产的SBS改性沥青进行试验，宝利SBS改性沥青为1#，国琳SBS改性沥青为2#，试验结果如表1和图1所示。

表1抽提与老化后的SBS改性沥青的指标值

试验结果分析：

(1)从表1可知，SBS改性沥青抽提后的指标值与进行173℃的薄膜烘箱试验后的指标基本一致(除软化点之外)，表明173℃的薄膜烘箱试验更能准确的模拟SBS改性沥青短期老化过程；

(2)从图1可知，针入度、延度、弹性恢复均随老化温度的升高而减小，运动粘度随老化温度的升高而增大，软化点变化呈现不规则性，且2种SBS改性沥青的5℃延度随老化温度的变化曲线是一致的。由于老化温度的升高，SBS改性沥青中轻质组分挥发较快，沥青变硬变稠，延展性及弹性变差，因此针入度、延度、弹性恢复减小，运动粘度增加；软化点的变化较为复杂，不仅与沥青成分、老化温度有关，而且与试验条件等多种因素有关，因此规律性较差。

通过上述研究表明173℃的薄膜烘箱试验能准确的模拟SBS改性沥青短期老化过程，不同老化温度的SBS改性沥青老化后的针入度、5℃延度、运动粘度、弹性恢复呈现一定的规律性，且5℃延度变化规律较为明显。因此，以此为依据进行SBS改性沥青改性剂掺量测定研究。

1、不同掺量SBS改性沥青在173℃薄膜烘箱试验老化后延度变化规律研究

(1)试验方案：由于目前用于路面的SBS改性沥青的掺量在4％左右，因此将SBS改性沥青改性剂掺量定为1％～6％，从而研究延度的变化规律。(测定一种掺量的SBS改性沥青老化后的延度需要8个小时，如果将试验范围制定的太大，例如0～10％，工作效率太低，而且当改性剂掺量大于6％时，SBS改性沥青粘度很大，不利于生产改性沥青)；将SBS改性沥青改性剂掺量间隔定为0.5％(如果间隔太小，如0.1％，0.2％，老化后SBS改性沥青不同掺量之间的指标值变化不明显，工作效率也较低；如果间隔太大，例如1％，规律不明显，不利于试验研究)。

上述研究表明，两种不同的SBS改性沥青5℃延度变化规律是一致的，因此将延度作为检测SBS改性沥青改性剂掺量的指标值。《公路沥青路面施工技术规范》规定采用5℃延度评价SBS改性沥青低温延展性，采用10℃延度与15℃延度评价基质沥青的低温延展性。以此为依据研究173℃的薄膜烘箱试验老化后SBS改性沥青5℃延度、10℃延度、15℃延度与掺量的关系。

(2)试验结果及分析

将掺量为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％的SBS改性沥青进行173℃的薄膜烘箱试验，分别测定不同掺量的SBS改性沥青老化后的5℃延度、10℃延度、15℃延度，如表2和图2所示。

表2不同掺量SBS改性沥青老化后5℃、10℃、15℃延度值

注：表中“>100”：延度仪最大量程为100，SBS改性沥青延度达到100时没有被拉断，因此记为>100。

由表2和图2可知，SBS老化后同一温度的延度，改性剂掺量越大，延度越大；同一改性剂掺量的SBS改性沥青，15℃延度值>10℃延度值>5℃延度值。SBS改性沥青老化后的5℃、10℃、15℃延度曲线变化规律：当掺量为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％时，SBS改性沥青在5℃～10℃时的延度增加速率较慢，在10℃～15℃延度增加速率较快；而当掺量为4％、4.5％、5％、5.5％、6％时，SBS改性沥青在5℃～10℃时的延度增加速率较快，在10℃～15℃延度增加速率较慢。不同掺量的SBS改性沥青5℃、10℃、15℃延度曲线变化规律不一致，而且当掺量较大时，10℃延度、15℃延度会出现“>100”的现象，不能准确的描述实际的SBS改性沥青5℃、10℃、15℃延度曲线。

因此，如果采用173℃老化后的5℃、10℃、15℃延度与掺量的关系曲线的方法判断SBS改性沥青中改性剂的掺量是不合适的。

2、不同掺量SBS改性沥青指标值与老化温度关系的研究

(1)试验方案：由“一”研究表明，SBS改性沥青的针入度、5℃延度、弹性恢复均随老化温度的升高而减小，运动粘度随老化温度的升高而增大。因此进一步研究不同掺量的SBS改性沥青针入度、5℃延度、运动粘度、弹性恢复变化规律与老化温度的关系。将SBS改性沥青的掺量定为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％。

(2)试验结果及分析

将掺量为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％的SBS改性沥青分别进行163℃、168℃、173℃、178℃、183℃的薄膜烘箱老化试验，测定老化后SBS改性沥青针入度、5℃延度、运动粘度、弹性恢复，如表3和图3所示。

由表3、图3可知：

(1)SBS改性沥青老化后针入度的随老化温度的变化规律：相同掺量条件下，SBS改性沥青针入度随老化温度的升高而减小；相同老化温度条件下，SBS改性沥青针入度随改性剂掺量的增加而减小。

但是不同掺量SBS改性沥青针入度-老化温度曲线变化趋势不一致，例如，当老化温度为168℃时，不同掺量的SBS改性沥青针入度相差4.9、3.8、3.2、-0.9、5.3、1、0.4、1.5、1.5、1.9，老化温度为183℃时，不同掺量的SBS改性沥青针入度相差1.8、3.6、2.3、1.7、2.6、1.1、0.8、3.1，2.5、2.4表明相同老化温度条件下，当改性剂掺量间隔为0.5％时，不同掺量SBS改性沥青的针入度差值离散性很大，与掺量差值没有明显的关系。因此不能作为判断SBS改性沥青改性剂掺量的方法。

(2)SBS改性沥青老化后5℃延度随老化温度的变化规律：相同掺量条件下，5℃延度随老化温度的升高而减小；相同老化温度条件下，5℃延度随改性剂掺量的增加而增大。

不同掺量SBS改性沥青的5℃延度-老化温度曲线变化趋势一致：当老化温度在163℃～173℃，5℃延度衰减速率较慢；当老化温度为173℃时出现明显的拐点，当老化温度在173℃～183℃，5℃延度衰减速率较快；随着老化温度的升高，不同掺量的SBS改性沥青的5℃延度必然交于一点。从表3还可以看出，当掺量相差0.5％时，老化温度为163℃时，延度值相差5、4、5、4、5、5、6、6、5、5；老化温度为168℃时，5、4、4、4、5、5、5、6、6、5；老化温度为173℃，延度值相差4、4、4、4、4、4、5、6、6、5，表明同一老化温度条件下，不同掺量的SBS改性沥青5℃延度差值与掺量差值有明显的相关性，且不同掺量的SBS改性沥青的5℃延度-老化温度曲线无交叉，因此5℃延度-老化温度曲线适合作为判断SBS改性沥青改性剂掺量的方法。

(3)运动粘度随老化温度的变化规律：相同掺量条件下，运动粘度随老化温度的升高而增大；相同老化温度条件下，运动粘度随掺量的增加而增大。

不同掺量的SBS改性沥青老化后运动粘度相差不大，当掺量相差0.5％时，运动粘度仅差0.018～0.16，表明不同掺量的SBS改性沥青的运动粘度-老化温度曲线之间的间隔较小、离散性较差，且出现交叉，因此不能作为判断SBS改性沥青改性剂掺量的方法。

(4)弹性恢复随老化温度的变化规律：相同掺量条件下，弹性恢复随老化温度的升高而减小；相同老化温度条件下，运动粘度随掺量的增加而增大。

不同掺量SBS改性沥青弹性恢复-老化温度曲线变化趋势不一致：例如，当改性剂掺量相差0.5％时，老化温度为163℃时SBS改性沥青弹性恢复相差2、6、1、7、1、10、2、4、3、4，老化温度为183℃时SBS改性沥青弹性恢复相差5、6、2、5、0、2、4、1、5、8，表明相同老化温度条件下，当改性剂掺量间隔为0.5％时，不同掺量SBS改性沥青的弹性恢复差值离散性很大，且不同掺量的SBS改性沥青弹性恢复-老化温度曲线出现交叉，因此不能作为判断SBS改性沥青改性剂掺量的方法。

综上所述，发明人将不同掺量的SBS改性沥青5℃-老化温度曲线作为判断改性剂掺量的方法。由于当老化温度为163℃、168℃、173℃时，5℃延度大约相差5，变化较明显；当老化温度为178℃、183℃时，5℃延度大约相差1～3，变化不明显。因此发明人采用老化温度为163℃、168℃、173℃时的5℃延度-老化温度曲线判断SBS改性沥青改性剂掺量，即准确，同时还能节省时间，提高工作效率。

具体的方法：将老化温度163℃、168℃、173℃作为横坐标，老化后5℃延度值作为纵坐标，绘制不同掺量标样SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线和待测试样SBS改性沥青的5℃延度—老化温度曲线，通过对比确定待测试样SBS改性沥青的改性剂掺量。

以下是发明人提供的具体实施例，以对本发明的技术方案作进一步解释说明。

实施例：

1、待测试样为陕西宝利沥青有限公司生产的SBS改性沥青，根据厂家提供的信息，该SBS改性沥青采用的基质沥青为新加坡埃索90号沥青，SBS改性剂为4303星型改性剂，稳定剂掺量为0.15％。

2、标样SBS改性沥青的制备

(1)材料

基质沥青为新加坡埃索90号沥青；SBS改性剂为4303星型改性剂，稳定剂掺量为0.15％。SBS改性剂掺量为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％。

(2)SBS改性沥青的生产工艺

溶胀：将基质沥青加热至160℃，加入改性剂，溶胀温度保持165～170℃，溶胀30min；高速剪切：剪切温度170～175℃，转速6000转/min，高速剪切1h；发育：将剪切好的改性沥青放入烘箱中，烘箱温度170～175℃，并且不断搅拌，发育2h。

将掺量为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％标准浓度的SBS改性沥青试验以及待测试样分别进行163℃、168℃、173℃的老化试验，并测定各老化残留物的5℃延度，试样结果如表4所示。

表4SBS改性沥青不同老化温度下的5℃延度值

根据表4中不同改性剂掺量的SBS改性沥青在不同温度的薄膜烘箱老化试验后残留物5℃的延度值绘制标准浓度的SBS改性沥青的5℃延度—老化温度曲线，作为SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线标准图，如图4所示。

在标准图中绘制待测试样的5℃延度—老化温度曲线，与不同掺量的SBS改性沥青的5℃延度—老化温度曲线进行对比，发现待测试样的5℃延度—老化温度曲线在掺量4.0％～4.5％的SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线之间，如图5虚线所示。

将4.0％～4.5％曲线之间的距离进行五等分，形成5℃延度—老化温度曲线五等分图，并且将待测SBS改性沥青试样的5℃延度—老化温度曲线在新的延度—老化温度曲线图中绘出，如图6所示。通过观察可得出待测SBS改性沥青的改性剂掺量。从图5中可以看出，待测SBS改性沥青的5℃延度—老化温度曲线与掺量为4.4％的SBS改性沥青的5℃延度—老化温度曲线最为接近，由此可得待测试样改性剂掺量为4.4％。

采用现有技术滴定法对待测试样中改性剂掺量进行检测，两组平行试验检测结果为4.38％、4.41％，最终结果为4.4％。与本发明的检测结果一致。说明本发明老化法检测SBS改性沥青改性剂掺量的方法是可行性的。

Claims (4)

1.一种SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法，其特征在于，方法包括：

一、绘制梯度浓度标准试样的老化温度—5℃延度曲线组，得到曲线标准图；

二、绘制待测试样的老化温度—5℃延度曲线；

三、根据待测试样的老化温度—5℃延度曲线图在标准曲线图中的位置，确定待测样品中改性剂的掺量。

2.如权利要求1所述的SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法，其特征在于，所述标准试样的梯度浓度范围为1％～6％，浓度梯度差为0.4％～0.6％。

3.如权利要求1所述的SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法，其特征在于，所述老化温度范围为163℃～183℃，温度梯度差为5℃。

4.如权利要求1所述的SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法，其特征在于，SBS改性沥青中改性剂掺量的测定方法包括以下步骤：

(一)绘制梯度浓度标准试样的老化温度—5℃延度曲线组，得到曲线标准图：

(1)根据待测试样的基质沥青及SBS原材，制备改性剂掺量分别为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％的SBS改性沥青标准试样；

(2)对各标准试样SBS改性沥青进行老化，老化温度分别设为163℃、168℃、173℃；并测量各老化后的标准试样SBS改性沥青的5℃延度；

(3)在图一坐标系下，绘制每个标准试样SBS改性沥青老化温度—5℃延度曲线，得到曲线标准图；

(二)绘制待测试样的老化温度—5℃延度曲线：

(1)将待测试样SBS改性沥青进行老化，与标准试样SBS改性沥青老化方法一致，老化温度分别设为163℃、168℃、173℃；并测量老化后待测试样SBS改性沥青5℃延度；

(2)在标样SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线标准图中绘制待测试样SBS改性沥青5℃延度—老化温度曲线；

(三)根据待测试样的老化温度—5℃延度曲线图在标准曲线图中的位置确定待测试样中改性剂的掺量。