廢橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備研究

王志剛，杜 英，向 麗，程 健

（1. 武漢工程大學(xué)湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，武漢430073；2. 武漢工程大學(xué)綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室；3. 中國石油大學(xué)重質(zhì)油加工國家重點實驗室）

廢橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青制備研究

王志剛1，2，杜 英1，2，向 麗3，程 健1，2

（1. 武漢工程大學(xué)湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點實驗室，武漢430073；2. 武漢工程大學(xué)綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室；3. 中國石油大學(xué)重質(zhì)油加工國家重點實驗室）

以SK AH-70為基質(zhì)瀝青，外摻廢膠粉和SBS，采用高速剪切法制備復(fù)合改性瀝青。通過正交實驗考察了瀝膠比、糠醛抽出油摻量和穩(wěn)定劑摻量對瀝青性能的影響，確定最優(yōu)條件為：瀝膠比為3，糠醛抽出油加入量4%，穩(wěn)定劑加入量3‰。在最優(yōu)條件下制備的復(fù)合改性瀝青軟化點為61.0 ℃，5 ℃延度為30.0 cm，彈性恢復(fù)為85%。廢膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的性能明顯優(yōu)于膠粉改性瀝青，而稍低于SBS改性瀝青，但是其成本低廉、易于施工，并且性能達到SBS改性瀝青的相關(guān)要求，具有良好的應(yīng)用前景。

廢膠粉 SBS 復(fù)合改性 制備

1 前 言

經(jīng)濟和交通運輸業(yè)的高速發(fā)展，促進了高等級公路網(wǎng)的建設(shè)，使改性瀝青需求量與日俱增。在眾多的聚合物改性劑中，SBS是目前國外應(yīng)用最為廣泛和成熟的一種[1]。SBS是苯乙烯與丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段物理交聯(lián)可改善瀝青的抗高溫永久變形能力，而丁二烯段賦予瀝青一定的柔韌性。這種特殊的結(jié)構(gòu)，使得SBS改性瀝青具有良好的高溫性能，同時低溫性能也得到改善。但是目前SBS的價格比較昂貴，使SBS改性瀝青的推廣受到一定程度的限制。

膠粉改性瀝青近年來受到重視[2-5]，一方面作為一條合理利用廢舊橡膠的途徑，可以緩解環(huán)保壓力；另一方面膠粉作為瀝青改性劑來源廣泛、價格低廉，而且膠粉改性瀝青在降低路面噪音、承載重交通量和改善瀝青抗老化性能等方面都有明顯的作用[6]。膠粉加入到瀝青中，雖然可以在一定程度上改善基質(zhì)瀝青的使用性能，但是由于膠粉表面呈惰性，與瀝青的相容性差，容易發(fā)生離析。而且膠粉含量較低時，改性效果不明顯，而高含量的膠粉改性瀝青粘度大，分散與施工的難度大。以上問題成為膠粉改性瀝青大范圍的推廣使用亟待解決的問題。

結(jié)合SBS與膠粉對瀝青改性的特點，研究者們開發(fā)出廢橡膠粉/SBS復(fù)合改性技術(shù)。由于摻加膠粉，SBS的添加量可以從4%～6%降到2%左右，從而降低改性瀝青的成本；同時由于SBS的加入可以在保證改性效果的基礎(chǔ)上降低膠粉的添加量，使得體系的粘度降低，便于分散與施工，同時可望有效改善改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，有利于工業(yè)化生產(chǎn)[7-9]。

經(jīng)過前期實驗，本課題選用SK AH-70為基質(zhì)瀝青，外摻10%廢膠粉和2% SBS以及其它改性助劑，采用高速剪切法對基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性，通過正交實驗對制備工藝進行優(yōu)化研究，并且對復(fù)合改性瀝青的性能和膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青的性能進行對比。

2 實 驗

2.1 實驗材料

湖北國創(chuàng)高新材料股份有限公司提供的SK 70號基質(zhì)瀝青、SBS（1401型）和SBS改性瀝青（外摻4%SBS），黃石第二膠粉廠生產(chǎn)的廢輪胎脫硫膠粉（60～80目），糠醛抽出油、穩(wěn)定劑、活化劑等改性助劑由實驗室自制。其中SK70號瀝青和SBS改性瀝青的基本性質(zhì)見表1。

2.2 復(fù)合改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青分成兩部分，先預(yù)熱一部分基質(zhì)瀝青至120 ℃左右，將2%的SBS和預(yù)定劑量的糠醛抽出油加入到熱瀝青中高速剪切分散。將10%膠粉和預(yù)定劑量活化劑加入到另外一部分的基質(zhì)瀝青中并在160 ℃下溶脹90 min，而這部分用于溶脹膠粉的基質(zhì)瀝青與膠粉的質(zhì)量比即為瀝膠比。將預(yù)分散好的SBS和溶脹的膠粉在180℃下高速剪切分散60 min，然后加入穩(wěn)定劑，低速剪切發(fā)育30 min后制得復(fù)合改性瀝青。其中SBS、膠粉、糠醛抽出油以及穩(wěn)定劑的加入量均以總瀝青量為基準計算。

表1 SK 70號瀝青和SBS改性瀝青性質(zhì)

3 結(jié)果與討論

3.1 正交實驗設(shè)計及結(jié)果

在膠粉的預(yù)混工藝中，在一定量活化劑存在的情況下，采用基質(zhì)瀝青來溶脹膠粉，以此來改善膠粉和基質(zhì)瀝青之間的相容性。加入一定量的糠醛抽出油是為了改變基質(zhì)瀝青的組成結(jié)構(gòu)，提高芳香分含量，有利于SBS的充分溶脹，從而改善其在基質(zhì)瀝青中的分散情況。穩(wěn)定劑的作用是引發(fā)改性微粒之間發(fā)生交聯(lián)，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終形成宏觀上穩(wěn)定的體系。經(jīng)過前期的實驗和分析[5，10]，表明瀝膠比（A）、糠醛抽出油加入量（B）以及穩(wěn)定劑加入量（C）三個因素對復(fù)合改性瀝青的影響較大，因此選取這三個因子，各因子皆取3水平，采用L9（33）正交表安排實驗，研究不同配方對瀝青性能的影響，其實驗結(jié)果見表2。

表2 正交實驗結(jié)果

3.2 各因子對軟化點、低溫延度和彈性恢復(fù)的影響

軟化點是瀝青的一項基本指標(biāo)，反映了瀝青的高溫性能。軟化點的極差分析結(jié)果見表3。從表3中可以看出，各因子對軟化點的影響程度由大到小依次為：瀝膠比、穩(wěn)定劑加入量和糠醛抽出油加入量。軟化點隨瀝膠比的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，適宜的瀝膠比為3；隨著穩(wěn)定劑加入量的增加，軟化點減小，適宜的穩(wěn)定劑加入量為3‰?？啡┏槌鲇偷募尤敫淖兞嘶|(zhì)瀝青的結(jié)構(gòu)和組成，從而改善改性劑在瀝青中的分散狀況，但是加入量過大就會稀釋瀝青，反而使得軟化點降低，因此糠醛抽出油加入量以3%～4%為宜。

表3 軟化點極差分析 ℃

低溫延度反映了瀝青在低溫下的變形能力，也是瀝青的一項基本指標(biāo)。表4為延度的極差分析結(jié)果。從表4可以看出，糠醛抽出油的加入量對瀝青的低溫性能影響最大，但是加入量過多會稀釋瀝青，反而使得瀝青對溫度變化敏感，延度降低，這跟軟化點的變化趨勢一致，因此適宜的糠醛抽出油加入量為4%；隨著瀝膠比的增加，延度先增后減，適宜的瀝膠比為3。在本研究所取范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑加入量對延度的影響很小。

表4 5 ℃延度極差分析 cm

彈性恢復(fù)用于評價聚合物改性瀝青的可恢復(fù)變形能力。表5為彈性恢復(fù)的極差分析結(jié)果。從表5可看出，糠醛抽出油的加入量對改性瀝青的影響最大，隨糠醛抽出油的加入量的增加，彈性恢復(fù)呈先增后減的變化趨勢，適宜的糠醛抽出油的加入量為4%。隨瀝膠比提高，彈性恢復(fù)先增后減，故適宜的瀝膠比為3。穩(wěn)定劑加入量對彈性恢復(fù)影響最小，其量可選取4‰。

表5 彈性恢復(fù)極差分析 %

綜合以上實驗結(jié)果看出，膠粉的預(yù)混情況在所選的范圍內(nèi)對復(fù)合改性瀝青的軟化點、低溫延度和彈性恢復(fù)均有較大的影響，在瀝膠比為3的情況下膠粉溶脹充分，且與基質(zhì)瀝青的相容性得到最大程度的改善?？啡┏槌鲇透纳屏烁男詣┰诨|(zhì)瀝青的中的分散，主要對瀝青低溫延度和彈性恢復(fù)的影響較大，但是加入量過多會稀釋瀝青，反而使得改性效果變差，確定加入量為4%。本研究的范圍內(nèi)，穩(wěn)定劑對瀝青軟化點的影響較大，而對低溫延度和彈性恢復(fù)的影響較小，表明交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成有利于改善瀝青的高溫性能，其加入量為3‰時，效果最好。因此最優(yōu)的配方為：瀝膠比為3，糠醛抽出油加入量4%，穩(wěn)定劑加入量3‰。在最優(yōu)配方下進行實驗，結(jié)果見表6。

表6 復(fù)合改性瀝青、SBS瀝青和膠粉瀝青性能對比

由表6可知，最優(yōu)配方下得到的復(fù)合改性瀝青樣品的各項指標(biāo)均已達到聚合物改性瀝青SBS類I-C標(biāo)準的要求，其軟化點比正交表中的最高軟化點提高了0.8 ℃，說明高溫性能得到改善；5 ℃延度提高了2.0 cm，說明低溫抗裂性能得到增強；彈性恢復(fù)提高了2個百分點，說明抗疲勞性能有所改善。復(fù)合改性瀝青的制備配方與其性能之間有緊密的聯(lián)系，優(yōu)化后的配方使得復(fù)合改性瀝青的各項性能均有不同程度的提高。

利用熒光顯微鏡可以觀察改性劑在基質(zhì)瀝青中的分布形態(tài)、結(jié)構(gòu)和相態(tài)。利用熒光顯微照相獲得最優(yōu)配方下復(fù)合改性瀝青樣品的顯微結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。由圖1可知，在250放大倍數(shù)下，可以清晰地觀察到呈絲狀的膠粉，說明膠粉吸收了瀝青中軟組分而充分地溶脹。同時也可以觀察到呈點狀均勻分布的SBS顆粒，說明SBS的分散良好。

3.3 三種改性瀝青性能比較

圖1 廢膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青顯微結(jié)構(gòu)（×250）

為了進一步探索廢膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的改性效果，將其與國創(chuàng)商品SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青（膠粉外摻含量分別為15%和25%）[10]的性能作比較，結(jié)果見表6。從表6可以看出，復(fù)合改性瀝青在SBS和膠粉含量都比較低的情況下，除了TFOT后的延度達不到聚合物改性瀝青SBS類I-C級標(biāo)準的要求外，其它性能均已達標(biāo)，其性能明顯優(yōu)于純膠粉改性瀝青，而接近于商品SBS改性瀝青。復(fù)合改性瀝青的軟化點、彈性恢復(fù)和低溫延度比膠粉改性瀝青有明顯提高，顯示出SBS改性的效果。而老化后的高針入度比，則顯示出膠粉改性的特點。這表明復(fù)合改性瀝青，結(jié)合了SBS和膠粉二者改性的優(yōu)點，而且整個體系的粘度控制在3.0 Pa?s之內(nèi)，較高含量的膠粉改性瀝青更加容易施工。綜合經(jīng)濟成本、社會效益以及施工難易性來看，廢膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

（1） 采用正交實驗對不同配方的廢膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的性能進行研究，得到最佳的配方為：瀝膠比為3，糠醛抽出油加入量4%，穩(wěn)定劑加入量3‰。采用最佳配方制備的復(fù)合改性瀝青的各項指標(biāo)達到聚合物改性瀝青SBS類I-C級標(biāo)準的要求。

（2） 廢膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的性能明顯優(yōu)于膠粉改性瀝青，而稍低于SBS改性瀝青，但是其成本低廉、易于施工，并且性能達到SBS改性瀝青的相關(guān)要求，具有良好的應(yīng)用前景。

致謝：本研究獲得重質(zhì)油國家重點實驗室開放課題資助，對此表示衷心感謝。

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STUDY ON THE PREPARATION OF CRUMB RUBBER/SBS COMPOSITE MODIFIED ASPHALT

Wang Zhigang1，2，Du Ying1，2，Xiang Li3，Cheng Jian1，2
(1. Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor and Green Chemical Technology，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073; 2. Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education，Wuhan Institute of Technology; 3. State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum）

Crumb rubber and SBS were used to modify asphalt（SK AH-70）by high shearing technology. In this paper），the effects of the mass ratio of base asphalt in pre-blending mixture，the amount of aromatics oil and stabilizing agent on the performance of modified asphalt were investigated through orthogonal experiment design to obtain the optimal preparation conditions. Under the optimal conditions of a mass ratio of asphalt in preblending mixture of 3，an aromatics oil added amount of 4% and a stabilizing agent added amount of 3‰，the obtained modified asphalt having a softening point of 61.0 ℃，a 5 ℃ ductility of 30.0 cm and an elastic recovery of 85%. Compared with SBS modified asphalt and crumb rubber modified asphalt，the performance of crumb rubber/SBS modified asphalt was better than the latter and a bit lower than the former，yet it could still meet the requirements of SBS modified asphalt，besides，it had the advantages of low cost and easy for construction，which indicated that it should have a promising future.

crumb rubber; SBS; composite modification; preparation

book=2010,ebook=6

2009-09-03；修改稿收到日期：2009-11-20。

王志剛（1985—），男，在讀碩士研究生，主要從事改性瀝青的研究工作。