綜述WRP、SBR、SBS改性瀝青制備方法和性能的比較

王曉倩，陸江銀，邢 苗

（新疆大學(xué)， 新疆 烏魯木齊 830046）

綜述WRP、SBR、SBS改性瀝青制備方法和性能的比較

王曉倩，陸江銀，邢 苗

（新疆大學(xué)， 新疆 烏魯木齊 830046）

介紹了目前國內(nèi)在制備改性瀝青方面的三種常用方法: 廢橡膠粉WRP改性瀝青、SBR改性瀝青、SBS改性瀝青，并對這三種方法的改性機理作了簡要敘述，對由這三種方法制備的改性瀝青的性能做了對比。因此可根據(jù)實際情況選擇不同的改性方法。

廢橡膠粉；SBR；SBS；改性瀝青；改性機理

用瀝青鋪設(shè)道路在國內(nèi)的大部分省市已經(jīng)開展，瀝青對溫度的敏感性導(dǎo)致了路面在高溫時容易軟化，在低溫時容易開裂，在高負荷下會出現(xiàn)車轍，在長期的惡劣環(huán)境下會老化。因此對瀝青進行改性是一件對鋪設(shè)更優(yōu)質(zhì)的瀝青道路具有重要意義的事情。

Didier Lesueur等[1]對瀝青的定義為瀝青在室溫下是一種粘彈性液體，而不能定義為半固體材料。瀝青由飽和分、芳香分、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組成。瀝青具有較復(fù)雜的化學(xué)性質(zhì)，這是由其含有不同的化學(xué)物質(zhì)所決定的[1]。不同型號、不同產(chǎn)地的瀝青其化學(xué)組成含量不同，這就需要用不同的改性方法進行試驗改性。

1 WRP、SBR、SBS改性瀝青制備方法

1.1 廢膠粉改性瀝青的制備

用廢橡膠粉制備改性瀝青，即將廢舊輪胎經(jīng)機械方式粉碎后，按照一定比例添加到瀝青中，在高溫下經(jīng)高速剪切機剪切，制得改性瀝青。根據(jù)所選用的基質(zhì)瀝青型號的不同，基質(zhì)瀝青的產(chǎn)地不同，要制備性能優(yōu)良的改性瀝青需要控制不同的工藝條件和膠粉及外摻劑的用量。用廢橡膠粉制備改性瀝青是集環(huán)保和資源再利用于一體的一個綠色途徑。

1.2 SBR改性瀝青

SBR為苯乙烯—丁二烯—苯乙烯的無規(guī)共聚物。

用SBR制備改性瀝青，目前據(jù)文獻報道的有兩種方案：（1）王小妹等[2]只向基質(zhì)瀝青中加入 SBR制備改性瀝青。（2）將SBR作為添加劑，加入到廢橡膠粉改性瀝青中。而在實際應(yīng)用中，方案（2）的應(yīng)用較多，因為廢橡膠粉的價格遠低于SBR，這在一定程度上可以降低原料成本。

1.3 SBS改性瀝青

SBS 為苯乙烯—丁二烯—苯乙烯的嵌段共聚物。作為一種熱塑性彈性體，SBS 兼具橡膠與塑料的特性[3]，在拌和溫度下粘滯度較低，SBS 在瀝青中可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改變?yōu)r青的力學(xué)性能，因此SBS作為瀝青的改性材料是相當(dāng)適合的,但是SBS的價格較高。

1.4 改性改性劑制備改性瀝青

一改性劑往往只對改性瀝青的某一方面性能或者某幾個方面的性能有所提高，這就使得改性瀝青的優(yōu)良性能存在一定的局限性，為了得到具有更優(yōu)良性能的改性瀝青，就需要制備復(fù)合改性瀝青。而程建等人[4]則利用苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物SBS/廢膠粉制備復(fù)合改性瀝青，這不僅創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，還帶來了環(huán)境效益。

廢膠粉為主體制備復(fù)合改性瀝青的方法[4]：在制備復(fù)合改性瀝青之前首先將兩種改性劑進行預(yù)處理，主要的處理方法就是將SBS通過物理方法接枝到膠粉上，從而盡可能使二者渾為一體，提高改性劑與瀝青之間的相容性。

[5]報道使用粘土和聚合物混合做改性劑，傳統(tǒng)的混合物改性劑有：（1）SBS/高嶺土（2）SBS/有機膨潤土（3）SEBS/高嶺土，SEBS是以聚苯乙烯為末端段，以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線性三嵌共聚物。SEBS不含不飽和雙鍵，因此具有良好的穩(wěn)定性和耐老化性。以上三種聚合物與粘土的混合是以混合物的形式加入的，而不是單一逐個的加入基質(zhì)瀝青中。

[6]通過用單一的SBR膠粉和SBR乳膠分別制備改性瀝青，發(fā)現(xiàn)如果只使用SBR膠粉，對瀝青軟化點的提高有限，不能滿足高軟化點的要求。如果只使用SBR乳膠，軟化點的提高優(yōu)于SBR膠粉。但是使用了 SBR膠粉/SBS作復(fù)合改性劑制備改性瀝青，從而可以在一定程度上彌補用單一改性劑得到的改性瀝青的性能。

2 瀝青性能的比較

2.1 改性機理

2.1.1 膠粉改性瀝青的改性機理

廢橡膠粉指的是廢舊橡膠輪胎經(jīng)過粉碎機粉碎后產(chǎn)生的大量分子碎片顆粒，是一種含橡膠、炭黑、軟化劑和硫化劑等多種材料的具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的材料[7]。

崔亞楠等[8]認(rèn)為，通過IR分析得到，廢橡膠粉與基質(zhì)瀝青的混合過程既有物理共混又有化學(xué)反應(yīng)。廢膠粉中的碳碳雙鍵在高剪切分散的作用下打開，然后與瀝青形成新的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

袁德明等[9]認(rèn)為廢舊橡膠粉改性瀝青機理可以從溶脹性和相容性兩個方面來解釋。改性瀝青的前提條件是橡膠粉與瀝青充分混容，在此基礎(chǔ)上，膠粉吸收瀝青中的輕組分而發(fā)生“溶脹”，與瀝青的其他組分相互作用，從而形成部分相容體系。其改性機理[10～13]是膠粉和瀝青混合后不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是膠粉吸收瀝青中的輕組分發(fā)生部分溶解和體積上的溶脹，從而改善瀝青性能，這是溶脹性機理。瀝青由飽和分、芳香分、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組成[1]。聚合物能吸收瀝青中的飽和分和芳香分而溶脹，飽和分和芳香分含量與相容性有密切關(guān)系[14]。瀝青與膠粉之間存在著相對分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)上的差異，屬于熱力學(xué)上的不相容體系[15]。從熱力學(xué)角度看，聚合物與瀝青是不相容的，采用機械剪切攪拌方法將其混合，也屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，一旦停止外力作用分散相具有自動凝聚、離析的能力[16]。這是分散性機理。

最近幾年，脫硫膠粉在廢膠粉改性瀝青中的應(yīng)用較為廣泛。膠粉由硫化橡膠經(jīng)粉碎制成[17]，具有相對完整的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此其在瀝青中不易溶脹和分散。脫硫膠粉中的部分交聯(lián)鍵被打斷，可以更加充分的溶脹在瀝青中，同時脫硫膠粉表面具有活性基團，有利于同瀝青的化學(xué)鍵合，使其在瀝青中的分散性得到改善[18]。

單一的加入廢橡膠粉，最主要是增加了瀝青粘度。由于膠粉的重力作用，長時間的靜置會導(dǎo)致膠粉下沉凝聚，使得改性瀝青的穩(wěn)定性不達標(biāo)。而且膠粉的加入會影響瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，程國香等人[19]首先用液體不飽和聚合物增容劑對廢舊輪胎膠粉進行表面活化處理，制備了廢舊輪胎膠粉改性瀝青(CRMA)，使改性瀝青的儲存穩(wěn)定性得到提高。在文獻報道的試驗中，作者往往都需要加入穩(wěn)定劑、硫化劑、硫化促進劑等外摻劑，才能獲得具有優(yōu)良性能的改性瀝青，進而可以實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

2.1.2 BR改性瀝青的改性機理

王磊等[20]對SBR改性瀝青的改性機理做了以下解釋：SBR改性劑與瀝青的共混體系主要屬于物理共混體系，混合時SBR改性劑與瀝青既沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也沒有改變?yōu)r青的組分，而是相當(dāng)于在瀝青體系中增加了一個組分。SBR和瀝青混合后，其只能以粒子態(tài)彌散于瀝青中，這些粒子吸收瀝青中的飽和分、芳香分和蠟分而溶脹，并把由膠質(zhì)、飽和分、芳香分吸附于其表面形成的膠粒作為分散相，以飽和分和芳香分作為分散介質(zhì)，從而膠溶于瀝青中。改性劑膠團是以發(fā)生溶脹的改性劑微粒為核心，其結(jié)構(gòu)與瀝青膠團結(jié)構(gòu)正相反，由里而外，瀝青的組分由非極性的漸變?yōu)闃O性的。當(dāng)瀝青中瀝青質(zhì)含量過多時，會影響SBR膠粒與瀝青的相溶性。因為SBR膠團與瀝青質(zhì)膠團都以飽和分和芳香分作為分散介質(zhì)，它們會互相爭奪分散介質(zhì)。由于由廢橡膠粉所制得的改性瀝青并不能達到較高要求的工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，SBR改性瀝青的制備就顯得非常有必要。

2.1.3 BS改性瀝青的改性機理

SBS對基質(zhì)瀝青的改性機理類似 SBR改性機理。

吉永海[21]的實驗證明：SBS 加熱熔融后易與瀝青共混，冷卻后可以恢復(fù)其彈性體特性，而且SBS在道路使用溫度范圍內(nèi)具有相當(dāng)高的機械強度和彈性，在拌和溫度下粘滯度較低，SBS在瀝青中可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改變?yōu)r青的力學(xué)性能，因此SBS作為瀝青的改性材料是相當(dāng)適合的。已有試驗表明[2]，各類改性瀝青中，SBS改性瀝青的抗永久變形能力最好。

2.2 改性劑制備的改性瀝青性能比較

瀝青路面的缺點是溫度敏感性較高。夏季強度下降，若控制不好會使路面發(fā)軟泛油或推移剪裂破壞乳化瀝青。低溫時瀝青材料變脆可能引起路面開裂。而用廢橡膠粉改性瀝青鋪設(shè)的路面比普通瀝青路面更耐用，噪音低，產(chǎn)生裂紋少等優(yōu)點。

在周吉萍等[6]實驗中，選用的SBR的物理形態(tài)有SBR膠粉和SBR乳膠，實驗結(jié)果表明用SBR膠粉作改性劑得到的改性瀝青延度的提高比 SBR膠乳顯著，但SBR膠乳對瀝青軟化點提高比SBR膠粉顯著。

SBR具有較大的粘彈性范圍，在低溫時仍程彈性，故對瀝青的低溫性能效果顯著。而SBS軟硬段相間，兼具塑料和橡膠的特點，對同時改善瀝青的高溫和低溫性能具有獨特功能[22]。

從張玉貞等[23]所做的實驗中，得到的結(jié)論是用聚合物 SBS改性石油瀝青時，瀝青中的各組分對SBS的溶解作用不同。飽和分對SBS起溶脹作用，而且是完全溶脹；而芳香分和膠質(zhì)對SBS部分溶解，整個體系呈兩相結(jié)構(gòu)。改性瀝青要達到最佳性能，其飽和分、芳香分和膠質(zhì)需達到一定配比。

3 結(jié)束語

用廢膠粉、SBR、SBS對瀝青進行改性只是常用的三種方法，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的施工情況以及所要求達到的標(biāo)準(zhǔn)來選擇不同的方法,而每一種方法都需要進一步確定最優(yōu)的工藝條件。

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Comparison of Preparation Methods and Properties of WRP, SBR and SBS Modified Asphalt

WANG Xiao-qian，LU Jiang-yin，XING Miao
(Xinjiang University, Xinjiang Urumqi 830046，China）

Three kinds of common preparation methods of modified asphalt in China were introduced: modified asphalt with waste rubber powder WRP, SBR modified asphalt and SBS modified asphalt. Mechanisms of these modification methods were discussed. Properties of modified asphalt prepared by these methods were compared. At last, it’s pointed out that suitable modification method should be selected based on actual conditions.

Waste rubber powder; SBR; SBS; Modified asphalt; Modification mechanism

U 414

B

1671-0460（2014）11-2355-03

新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏媱澘茖W(xué)研究重點基金項目，項目號：XJEDU2011I06。

2014-04-28

王曉倩（1987-），女，河北石家莊人，研究生，就讀于新疆大學(xué)，研究方向：廢橡膠粉改性瀝青性能的研究。E-mail：wangxiaoqian1017@sina.com。

陸江銀（1964-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：工業(yè)催化。E-mail：ljy6410@aliyun.com。