SBR膠粉改性瀝青性能研究

劉聰慧

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著交通量的增長(zhǎng)、車輛載重的增大，瀝青路面容易出現(xiàn)車轍、開(kāi)裂等病害，嚴(yán)重影響瀝青路面的使用。粉末橡膠顆粒（styrene butadiene rubber-SBR）作為一種常見(jiàn)的瀝青改性劑，由于可以提高瀝青路面的高低溫性能和疲勞開(kāi)裂能力，已被廣泛采用[1]。但是以往研究表明，橡膠粉末對(duì)于提高瀝青膠漿的低溫延度有限，并且高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性不佳，一定程度上影響了此改性劑的使用[2]。究其原因，與制備橡膠顆粒時(shí)，會(huì)在膠粉表面形成酸性基團(tuán)[3]，降低了橡膠顆粒的溶脹性，難以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了提高橡膠顆粒在瀝青相中的溶脹性能，可以采用脫硫橡膠粉，也可以降低橡膠顆粒粒徑[4]。本文采用一種橡膠微粉顆粒，制備改性瀝青膠漿，通過(guò)三大指標(biāo)、流變性和形態(tài)學(xué)3種途徑分析了改性后瀝青的性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)所用瀝青為湖北科氏瀝青公司生產(chǎn)的AH-70道路瀝青，其主要性能指標(biāo)如表1所示。橡膠微粉為中國(guó)石化北京化工研究院生產(chǎn)，粒徑范圍為 10～100μ。

表1 AH-70道路瀝青基本性能

1.2 樣品制備

將瀝青分別加熱到175℃、210℃，加入規(guī)定摻量的橡膠微粉，在恒定溫度下高速剪切攪拌1 h，剪切轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，然后調(diào)整到低轉(zhuǎn)速1 000 r/min、低溫175℃繼續(xù)攪拌1 h。用此方法分別制備3%、5%、7%三種摻量的改性瀝青膠漿。

1.3 高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)適用于評(píng)定本次橡膠微粉與基質(zhì)瀝青的相容性。方法是將加熱后的改性瀝青試樣注入規(guī)定試管，然后垂直地放入163℃的烘箱中保持48 h，加熱結(jié)束后立即冷卻，分別取上部和底部1/3段瀝青，測(cè)量其軟化點(diǎn)。上、下部軟化點(diǎn)差值小于2.5℃為熱儲(chǔ)存穩(wěn)定樣品。

1.4 形態(tài)學(xué)觀察

改性瀝青微觀形態(tài)研究中經(jīng)常使用熒光顯微鏡。本實(shí)驗(yàn)采用Nikon-YS100熒光顯微鏡，放大倍數(shù)為300倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 物理性能測(cè)試

橡膠微粉改性瀝青進(jìn)行了針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。同時(shí)，為了評(píng)價(jià)改性瀝青的溫度敏感性，本試驗(yàn)引入了針入度指數(shù)（PI）[5]，計(jì)算公式如式（1）。

式中：PI為針入度指數(shù)；Pen25為25℃時(shí)針入度指數(shù)值，0.1 mm；SP 為軟化點(diǎn)，℃。

表2 不同橡膠微粉摻量下改性瀝青基本性能

通過(guò)表2可以看出，隨著橡膠微粉摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，PI值逐漸增大，表明改性瀝青具有更好的溫度敏感性能。同時(shí)，軟化點(diǎn)和延度逐漸增大，反映出基質(zhì)瀝青改性后具有更好的高溫黏性及低溫勁度。儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中上下部分軟化點(diǎn)差值遠(yuǎn)小于2.5℃，表明改性后瀝青具有較好的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性。這可能要?dú)w功于橡膠微粉較細(xì)的粒徑和試樣制備中較高的剪切攪拌速率。

2.2 流變學(xué)分析

動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR對(duì)各種老化瀝青材料在不同溫度和荷載作用頻率下的流變性質(zhì)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)各種瀝青的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，通過(guò)測(cè)定瀝青結(jié)合料的復(fù)數(shù)剪切模量|G*|和相位角δ可以模擬瀝青膠結(jié)料在集料與集料之間的接觸點(diǎn)所受到的剪切作用。|G*|為最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變之比，包括彈性部分G′和黏性部分G″，前者為試樣在每次荷載循環(huán)中儲(chǔ)存的能量，反映瀝青變形過(guò)程中能量的儲(chǔ)存與釋放；而后者則指每次荷載作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生的能量損耗，反映瀝青在變形過(guò)程中由于內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的以熱的形式損耗的能量，其值越大，表示重復(fù)荷載作用下的能量損失速度越快。

式中：G′=|G*|·cosδ，G″=|G*|·sinδ。

對(duì)于彈性材料，荷載作用時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變是完全同步的，其相位角δ等于0°；黏性材料應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)不能保持同步，時(shí)間上有較大的滯后，相位角δ接近90°；黏彈性材料應(yīng)力和應(yīng)變不同步，相位角介于0°～90°。在通常的路面溫度和荷載情況下，瀝青同時(shí)呈現(xiàn)出黏性和彈性性質(zhì)。

試驗(yàn)時(shí)掃描頻率范圍為100～0.1 rad/s，試驗(yàn)溫度范圍為-10℃～60℃。為了在更寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)樣品流變性進(jìn)行對(duì)比研究，可以根據(jù)“時(shí)溫等效原則”將不同溫度、不同掃描頻率的復(fù)合剪切模量曲線“平移”到規(guī)定溫度，得出復(fù)合剪切模量主曲線圖，如圖1所示。

圖2表示了不同攪拌溫度下的主曲線圖。由圖2可以看出，隨著剪切攪拌溫度的升高，改性瀝青膠漿在低頻區(qū)（對(duì)應(yīng)高溫區(qū)）具有更高的|G*|和更低的δ，反映出此改性瀝青膠漿高溫性能更好；同時(shí)在高頻區(qū)（對(duì)應(yīng)低溫區(qū)）具有更低的|G*|和更高的δ，表明低溫區(qū)柔性更好，實(shí)際表現(xiàn)為低溫時(shí)更不易“發(fā)脆”。

圖1 不同溫度下角頻率和復(fù)合模量之間關(guān)系

圖2 不同攪拌溫度下主曲線圖

由圖3表示了不同橡膠微粉摻量時(shí)對(duì)應(yīng)的主曲線圖，可以看出隨著改性劑摻量的增加，在低頻高溫區(qū)，隨著摻量的增加，改性瀝青膠漿|G*|逐漸增大，δ值逐漸減小，表明摻量為7%時(shí)改性瀝青膠漿具有更好的高溫性能。同時(shí)摻量為7%瀝青膠漿的δ值在1×10-3～1×100掃描頻率區(qū)間內(nèi)有明顯的平臺(tái)區(qū)。δ值平臺(tái)區(qū)反映了瀝青中聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化重組。由此可以分析出添加改性劑后瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了有利于高溫性能的重新組合，并且210℃剪切溫度時(shí)平臺(tái)區(qū)相比175℃時(shí)更明顯，表明高溫提高了橡膠微粉顆粒在瀝青相中的溶脹能力，更有利于新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。

圖3 不同摻量下主曲線圖

2.3 形態(tài)學(xué)分析

熒光顯微技術(shù)可以清晰地反映出改性劑在瀝青相中的存在形態(tài)。

圖4 175℃改性瀝青熒光顯微照片

圖5 210℃改性瀝青 熒光顯微照片

圖4和圖5分別為175℃和210℃剪切攪拌溫度下制備的瀝青膠漿熒光顯微照片。圖中亮區(qū)為橡膠微粉顆粒，暗區(qū)為瀝青基質(zhì)。由兩圖可以看出，剪切溫度為210℃時(shí)橡膠微粉顆粒在瀝青相中溶脹性能優(yōu)于175℃，這可能是因?yàn)楦邷卦龃罅讼鹉z微粉顆粒的溶脹率。圖5中改性劑在瀝青相中形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致改性瀝青延度和軟化點(diǎn)提高，并且不降低儲(chǔ)存穩(wěn)定性，宏觀表現(xiàn)為優(yōu)良的高溫抗車轍性能和低溫抗開(kāi)裂能力。

3 結(jié)論

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，橡膠微粉改性劑摻量及剪切攪拌溫度對(duì)基質(zhì)瀝青性能改變明顯。

a）添加橡膠微粉改性劑后，三大指標(biāo)改善，流變特性提高，瀝青膠漿性能改善明顯。

b）高速剪切和高溫?cái)嚢璐龠M(jìn)了橡膠微粉顆粒的溶脹重組，有利于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，提高了改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

c）δ值平臺(tái)形成，改性瀝青中聚合物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，熒光顯微技術(shù)證實(shí)改性瀝青膠漿中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。