無機(jī)黏土對SBS改性瀝青性能的影響

龐瑾瑜，杜素軍，暢潤田

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

眾所周知，石油瀝青具有優(yōu)良的黏結(jié)性和可塑性，因而該材料被用于道路鋪裝而廣泛使用。然而隨著交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，載重量顯著提高，瀝青路面因載荷能力較小而易損壞。聚合物改性后的瀝青能明顯延長瀝青路面的使用壽命，其高溫抗流淌、低溫抗開裂的能力均明顯提高，耐候性和耐老化能力也增強(qiáng)，且與石料的黏附能力較強(qiáng)[1]。常用的聚合物改性劑可分為彈性體和塑性體，前者主要包括苯乙烯類嵌段共聚物，如 SBS、SBR、SIS、SE/BS 等，這一類物質(zhì)抵抗永久變形的能力較強(qiáng)，可以恢復(fù)到原來的形狀；塑性體主要有 PE、EVA、APP、EPDM 等，其抗永久性變形能力不如彈性體，但是具有早期強(qiáng)度[2]。其中，SBS改性后，瀝青具有高溫不軟化，低溫不發(fā)脆的特點(diǎn)，而且使用溫度范圍寬、力學(xué)性能好，從而成為目前國內(nèi)外使用最廣泛的一種聚合物改性劑[3]。然而，SBS和瀝青的相對分子質(zhì)量、化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成均存在很大的差別，容易出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象[4-5]。

針對SBS改性瀝青儲存穩(wěn)定性差的問題，科研工作者已開展了大量研究，從中可以發(fā)現(xiàn)，通過相容劑和穩(wěn)定劑的加入可以明顯改善SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性[6-8]。近幾年，一些科研工作者基于無機(jī)黏土的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，將其作為瀝青改性劑進(jìn)行了研究，意外地發(fā)現(xiàn)這類無機(jī)物可以明顯提升瀝青路面的高溫性能、抗老化性以及耐磨性；隨后的研究中還發(fā)現(xiàn)，無機(jī)黏土可以降低基質(zhì)瀝青與SBS之間的密度差，可以用作改性瀝青的穩(wěn)定劑。隨著相關(guān)研究工作的進(jìn)一步推進(jìn)，已有一些研究者將無機(jī)黏土加入SBS改性瀝青中，但相關(guān)研究還不夠充分，有待進(jìn)一步擴(kuò)展。Ouyang等選擇混入高嶺土，發(fā)現(xiàn)該體系的高溫穩(wěn)定性得到極大的提升，尤其是當(dāng)高嶺土和SBS的添加比例在1∶3左右時(shí)，效果最明顯[9]。Galooyak等將蒙脫土作為交聯(lián)劑加入SBS改性瀝青中，目的在于將SBS分子之間相互剝離，從而使SBS更好地分散在瀝青中，這樣便可以提升改性瀝青的儲存穩(wěn)定性；研究還發(fā)現(xiàn)，蒙脫土的摻量選擇合適時(shí)，其加入不會降低SBS改性瀝青的其他性能[10]?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀，本文中考察了3種無機(jī)黏土，硅藻土、膨潤土和蒙脫土，考察了它們在不同摻量下對SBS改性瀝青的性能影響，為這類新型的瀝青添加劑的推廣使用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

瀝青采用殼牌90號，其性能指標(biāo)見表1。

改性劑為巴陵石化產(chǎn)的SBS YH-791，苯乙烯含量為30%。硅藻土、膨潤土和蒙脫土為佛山市南海官窯官中化工廠所贈(zèng)小樣。

表1 殼牌90號基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

1.2 改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至140℃，加入5%的SBS，在170～180℃、轉(zhuǎn)速3 000 r/min下剪切攪拌20 min，隨后加入無機(jī)黏土，在160～170℃、轉(zhuǎn)速3 000 r/min下剪切攪拌20 min，制得改性瀝青。其中，無機(jī)黏土的摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.5%。

1.3 性能測試

改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度分別按照GB/T 0606—2011、GB/T 0604—2011、GB/T 0605—2011的規(guī)定進(jìn)行測定。改性瀝青的儲存穩(wěn)定性通過離析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考察，按照GB/T0661—2011的規(guī)定進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

為了更好地比較不同含量、不同類型的無機(jī)黏土對SBS改性瀝青性能的影響，將軟化點(diǎn)、針入度、延度以及離析軟化點(diǎn)差對無機(jī)黏土摻量作圖，詳細(xì)結(jié)果見圖1～圖4所示，未加無機(jī)黏土的結(jié)果也在圖中分別示出。

由圖1可以看出，加入無機(jī)黏土之后，軟化點(diǎn)均顯著升高，大都超過70℃。硅藻土和蒙脫土均在摻量為1.0%時(shí)，軟化點(diǎn)最高，膨潤土則在1.0%摻量下的軟化點(diǎn)最高。隨著無機(jī)黏土摻量的增加，軟化點(diǎn)在達(dá)到最大之后降低，尤其是蒙脫土作為無機(jī)黏土?xí)r，降低幅度較大，但仍然高于60℃。軟化點(diǎn)大幅提升的原因可能是無機(jī)黏土和基質(zhì)瀝青的某些組分及SBS發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，同時(shí)降低相界面的界面張力，增加兩相之間的親和力，使改性瀝青中的聚合物相與基質(zhì)瀝青相之間形成一層比較厚的相界面吸附層，增大瀝青的黏度，從而升高軟化點(diǎn)。

圖1 改性瀝青軟化點(diǎn)隨無機(jī)黏土摻量的變化情況

圖2示出了改性瀝青針入度隨無機(jī)黏土摻量的變化情況，3種無機(jī)黏土加入后，針入度隨摻量的增加其變化趨勢相同，針入度均先減小后略微增大，在摻量為1.5%時(shí)，針入度最小。此外，從圖中可以發(fā)現(xiàn)加入無機(jī)黏土后，針入度均比未加無機(jī)黏土的低，其中膨潤土降低針入度的能力最高，其次是硅藻土。結(jié)合軟化點(diǎn)結(jié)果，這3種無機(jī)黏土加入后，軟化點(diǎn)明顯增大，針入度則明顯減小，這便可以認(rèn)為在無機(jī)黏土加入后，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了明顯改善。

改性瀝青的延度隨無機(jī)黏土摻量的變化情況如圖3所示，延度大都先增加后減小，含有硅藻土和蒙脫土的改性瀝青在摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大值，含有膨潤土改性瀝青的延度最大值則在1.5%處；含有硅藻土改性瀝青的延度整體大于其他兩種無機(jī)黏土的樣品；加入無機(jī)黏土后，延度均較未加無機(jī)黏土?xí)r的小，只有硅藻土的摻量為1.0%時(shí)與該值相近。值得說明的是，雖然加入無機(jī)黏土之后，延度大都比未加無機(jī)黏土的低，但是這些數(shù)據(jù)仍滿足JTG F40—2004中改性瀝青技術(shù)指標(biāo)的要求，且所制備樣品的延度均大于38 cm。

圖3 改性瀝青延度隨無機(jī)黏土摻量的變化情況

由圖4可以看到離析實(shí)驗(yàn)中軟化點(diǎn)差隨無機(jī)黏土摻量的變化結(jié)果，軟化點(diǎn)差隨摻量的增加大都無序變化，且離析現(xiàn)象較明顯；只有硅藻土加入后，離析不很明顯，且在1.0%和2.5%摻量下的離析軟化點(diǎn)差小于1℃；隨著蒙脫土摻量的增大，離析現(xiàn)象不明顯，在摻量為2.5%時(shí)，滿足JTG F40—2004中的要求。硅藻土有望分布于SBS和瀝青的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，從而產(chǎn)生如下效果：a）硅藻土顆?？梢援a(chǎn)生一定的空間位阻作用，阻礙SBS分子鏈聚集，從而改善離析現(xiàn)象；b）硅藻土能通過分子間作用力，與SBS和瀝青形成許多交聯(lián)點(diǎn)，由于這些交聯(lián)點(diǎn)的存在，一方面改善SBS和瀝青之間的相容性，另一方面對SBS和瀝青分子鏈產(chǎn)生一定的約束力，從而提高SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、溫度敏感性及綜合力學(xué)性能。因此，在SBS和瀝青的混合體系中加入適量的硅藻土，對于改善SBS與瀝青的相容性和改性瀝青的貯存穩(wěn)定性等性能是有利的。

圖4 離析軟化點(diǎn)差隨穩(wěn)定劑摻量的變化情況

3 結(jié)論

通過考察硅藻土、膨潤土和蒙脫土加入后，對SBS改性瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加所選3種無機(jī)黏土后，a）在很小的摻量下便可顯著升高軟化點(diǎn)，并降低針入度，很大程度上提升了瀝青的高溫穩(wěn)定性；b）延度略微降低，均大于 38 cm，滿足JTG F40—2004中的要求；c）出現(xiàn)離析現(xiàn)象，只有硅藻土和蒙脫土在一定摻量下具有良好的高溫儲存穩(wěn)定性。鑒于目前施工中瀝青大都直接攪拌改性后使用，不存在高溫儲存的問題，而這3種無機(jī)黏土的加入可以明顯提升瀝青的性能，且制備簡便，對設(shè)備要求低，因此有望得到推廣應(yīng)用。