星型SBS改性瀝青的研究及工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用

王春江

(中海瀝青(四川)有限公司，四川 瀘州 646000)

星型SBS改性瀝青的研究及工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用

王春江

(中海瀝青(四川)有限公司，四川 瀘州 646000)

SBS改性瀝青具有良好的工程性能，已成為我國高等級高速公路路面的重要材料。SBS改性瀝青機(jī)理比較復(fù)雜，路用性能十分優(yōu)越，通?？梢蕴岣呗访鏋r青軟化溫度20℃以上；由于SBS改性劑價(jià)格昂貴，是影響項(xiàng)目建設(shè)的重要成本因素，星型SBS較線型SBS通?？梢越档吞砑恿恳越档蜕a(chǎn)成本，但由于瀝青與星型SBS相溶困難，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，鮮有工業(yè)化生產(chǎn)。本文主要就星型SBS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究制備了符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求的I-D改性瀝青、提出了工業(yè)化生產(chǎn)方案并對工業(yè)化生產(chǎn)過程進(jìn)行了總結(jié)。

SBS改性瀝青 ； I-D;星型 ； 實(shí)驗(yàn) ； 工業(yè)化生產(chǎn)

近年來，隨著中國高速公路的快速發(fā)展，貨運(yùn)量的快速增長以及重型載貨汽車噸位的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了高品質(zhì)的瀝青尤其是改性瀝青的快速發(fā)展。在眾多類型的改性瀝青中，以SBS為改性劑的改性瀝青以其良好的高低溫性能得到了國際社會的認(rèn)可，獲得了廣泛的應(yīng)用，已成為我國高等級瀝青路面的主要改性瀝青品種。

1 SBS改性機(jī)理

SBS是一種耐用的熱塑性彈性橡膠，在常溫下顯示橡膠的彈性，高溫下又能夠塑化成型，是以苯乙烯和丁二烯為原料，通過聚合方法得到的三嵌段共聚物。按其分子結(jié)構(gòu)，可分為線型和星型兩種，線型SBS分子內(nèi)沒有交聯(lián)，分子量一般在幾萬到十幾萬，星型SBS分子內(nèi)一般通過四氯化硅偶聯(lián)，分子量一般幾十萬。星型SBS由于其硬段形成的聚集態(tài)更密集有序，表現(xiàn)出更典型的熱塑性彈性體的性質(zhì)[1]。兩種SBS分子式類似，分子結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 SBS 的結(jié)構(gòu)式(A)和分子結(jié)構(gòu)示意圖(B)

SBS加入到瀝青基質(zhì)中后，在瀝青基質(zhì)中飽和分以及芳香分的作用下，SBS微粒就會溶脹與其中，均勻分布在瀝青基質(zhì)中，因此改變了瀝青基質(zhì)中各組分的比例，提高瀝青改性后的路用性能。

SBS嵌段共聚物是采用陰離子聚合制得，是一種多相結(jié)構(gòu)的熱塑性彈性體，每個(gè)丁二烯鏈段(B)的末端都連接一個(gè)苯乙烯嵌段(S)，兩端的苯乙烯嵌段聚合物在一起形成物理交聯(lián)區(qū)域，呈分散相，而丁二烯鏈段則聚合起來呈連續(xù)相，SBS由于聚苯乙烯的聚集而形成一種三維結(jié)構(gòu)。所以聚苯乙烯末端上基團(tuán)就會使得瀝青強(qiáng)度增加，位于中間的聚丁二烯嵌段形成一個(gè)物理交聯(lián)點(diǎn)，限制瀝青質(zhì)點(diǎn)之間的位移和瀝青膠體的流動(dòng)，提高瀝青的柔韌性及內(nèi)聚力，擁有了較高的彈性和粘度，表現(xiàn)出良好的變形能力，高溫穩(wěn)定性，低溫抗開裂能力[2]。

在瀝青基質(zhì)中存在很多有機(jī)官能團(tuán)，比如羥基、碳基等，這些官能團(tuán)都很活潑，很容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而形成新的物質(zhì)。在SBS改性瀝青中，加入一些極性比SBS高的物質(zhì)，就會與瀝青形成一種新的結(jié)構(gòu)，相比原有結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、均勻[3]。在一起的物理方法下還可以改善瀝青的高溫流變性，降低溫度敏感性。

2 SBS改性劑的功效

當(dāng)采用SBS來進(jìn)行瀝青改性時(shí)，可以使瀝青的性能以及鋪筑路面的性能得到多方面的改善：① PS鏈段物理交聯(lián)可改善瀝青混合料抵抗高溫永久變形的能力(提高剛度)；②PB鏈段的柔性可提高瀝青混合料抵抗低溫變形的能力(改善韌性)；③改善密級配路面抵抗疲勞裂紋的能力;④改善路面的抗水損壞能力；⑤改善瀝青混合料的抗老化性能；⑥改善抗剝離能力；⑦相對降低蠟含量(<2%)(降低蠟含量對道路瀝青質(zhì)量影響)。

3 星型SBS制備改性瀝青實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)室研究

3.1.1 SBS改性瀝青產(chǎn)品要求

本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)的星型SBS改性瀝青要求滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》I-D產(chǎn)品指標(biāo)，如表1。

表1 SBS改性瀝青I-D主要指標(biāo)

3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

3.1.2.1 瀝青針入度測定儀

用于測定瀝青針入度，即在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，附加一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針垂直貫入瀝青試樣的深度，以0.1mm計(jì)。針入度是表征黏稠瀝青條件黏度的一種指標(biāo)。針入度試驗(yàn)是一種用于量測瀝青膠結(jié)料稠度的簡單方法。

3.1.2.2 智能型瀝青軟化點(diǎn)測定儀

用于測定瀝青軟化點(diǎn)，指瀝青試樣在規(guī)定尺寸的金屬環(huán)內(nèi)，上置規(guī)定尺寸和質(zhì)量的鋼球，放于水或甘油中，以規(guī)定的速度加熱，至鋼球下沉達(dá)規(guī)定距離時(shí)的溫度，以℃計(jì)。瀝青軟化點(diǎn)是瀝青達(dá)到規(guī)定條件黏度時(shí)的溫度，所以軟化點(diǎn)既是反映瀝青溫度敏感性的重要指標(biāo)，也是瀝青黏稠性的一種量度。

3.1.2.3 調(diào)溫調(diào)速瀝青延伸度測定儀

用于測定瀝青延度，指當(dāng)其受到外力的拉伸作用時(shí)，所能承受的塑性變形的總能力。

3.1.2.4 布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)

用于測定瀝青的動(dòng)力黏度。

3.1.2.5 瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱

用于模擬瀝青在與石料拌合過程中的受熱過程，在一定實(shí)驗(yàn)條件下，表征瀝青在高溫下與空氣接觸后的性質(zhì)變化。

3.1.3 不同添加量下星型SBS與基質(zhì)瀝青相容共混的適宜溫度實(shí)驗(yàn)

不同的星型SBS的摻入比(2.8%、3.0%、3.2%)分別在不同的相容實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。其中，相容實(shí)驗(yàn)溫度T1-T4控制在165～185℃之間，實(shí)驗(yàn)溫度變化梯度為5℃。

表2 不同溫度下制備的星型改性瀝青性能數(shù)據(jù)

根據(jù)表2可知，SBS改性瀝青軟化點(diǎn)隨溫度的升高而增大；針入度隨溫度的變化不大；延度及烘后延度隨溫度的升高而增大；動(dòng)力黏度隨溫度的升高而減小，說明隨著實(shí)驗(yàn)溫度的提高，SBS改性瀝青的高溫性能和低溫性能都有所改善。在溫度達(dá)到T4時(shí)，軟化點(diǎn)、針入度、延度、動(dòng)力黏度、烘后延度均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對SBS改性瀝青要求[4]，為適宜相容共混溫度。

3.1.2 星型SBS改性瀝青熟化時(shí)間實(shí)驗(yàn)

在星型SBS瀝青的抗老化實(shí)驗(yàn)中，均用相容共混溫度T4，星型SBS的摻入比例為3.0%和2.8%時(shí)，不同熟化時(shí)間下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

表3 不同熟化時(shí)間下星型改性瀝青性能數(shù)據(jù)

由表3可以看出，隨著熟化時(shí)間的增加，瀝青的軟化點(diǎn)和針入度變化不大；延度和烘后延度先逐漸增大后減小；動(dòng)力粘度先減小后增大；離析先減小后增大。說明當(dāng)熟化時(shí)間小于6h時(shí)，生產(chǎn)的改性瀝青不滿足要求，當(dāng)熟化時(shí)間在6h和14h之間時(shí)，生產(chǎn)的改性瀝青滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對SBS改性瀝青要求，但當(dāng)熟化時(shí)間為20h時(shí)，生產(chǎn)的SBS改性瀝青不滿足要求。

3.1.3 適宜摻入量試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室制備樣品時(shí)采用相同的相容共混溫度T4，熟化時(shí)間為6h，得到不同星型SBS的摻入比例下的改性瀝青的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4。

表4 熟化時(shí)間為6h時(shí)不同摻入比例時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 星型SBS改性瀝青的生產(chǎn)工藝流程圖

從表4可知，當(dāng)相容共混溫度為T4，熟化時(shí)間為6h時(shí)，星型SBS的摻入量為2.6%-3.0%之間時(shí)生產(chǎn)的SBS改性瀝青指標(biāo)滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對SBS改性瀝青I-D要求。隨著摻入量的增大，針入度變化不大；軟化點(diǎn)、動(dòng)力黏度隨摻入量的增大而增大；離析隨摻入量的增大而增大，當(dāng)摻入比例大于3.0%后不滿足指標(biāo)要求；延度及烘后延度隨摻入量的增大先增大后減小，在2.8%時(shí)適宜。由此可得，星型SBS的適宜摻入比例為2.8%。

3.2 工業(yè)化生產(chǎn)

3.2.1 生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)星型SBS改性瀝青的生產(chǎn)工藝流程如圖1。工藝流程簡介：基質(zhì)瀝青先從瀝青罐區(qū)轉(zhuǎn)入原料罐，將溫度升高至140-150℃；再經(jīng)過換熱器到膠體磨機(jī)，換熱后溫度達(dá)到160-190℃，這時(shí)SBS通過上料系統(tǒng)與基質(zhì)瀝青在膠體磨機(jī)內(nèi)均勻混合，達(dá)到設(shè)定的濃縮倍數(shù)，一起經(jīng)過膠體磨研磨至濃縮罐，先后進(jìn)入中間罐和成品罐孕育熟化；再在濃縮罐或成品罐內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)的需要添加一定比例的相溶劑，提高SBS與瀝青的相容性；當(dāng)SBS與瀝青充分溶解后，通過穩(wěn)定劑上料機(jī)向成品罐內(nèi)加入一定比例的穩(wěn)定劑，循環(huán)1h；間隔4-6h后，取樣化驗(yàn)分析，產(chǎn)品合格后入庫。

3.2.2 生產(chǎn)配方

采用實(shí)驗(yàn)結(jié)論，制定生產(chǎn)配方如表5。

表5 工業(yè)化生產(chǎn)配料表

3.2.2 產(chǎn)品指標(biāo)測試情況

星型SBS工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品指標(biāo)測試如表6。

由表6看出，利用表5配方，和實(shí)驗(yàn)所得關(guān)鍵工藝參數(shù)制備的星型SBS工業(yè)試生產(chǎn)產(chǎn)品符合交通部JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》質(zhì)量要求，具備技術(shù)工業(yè)化條件。

表6 產(chǎn)品主要指標(biāo)

4 結(jié)論

(1) 星型SBS生產(chǎn)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》I-D改性瀝青產(chǎn)品的適宜混溶溫度在185℃左右；

(2) 星型SBS生產(chǎn)I-D改性瀝青產(chǎn)品的適宜投料比是2.8%左右；

(3) 星型SBS生產(chǎn)I-D改性瀝青產(chǎn)品的適宜熟化時(shí)間是6-14h；

(4) 采用適當(dāng)生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的星型SBS改性瀝青，滿足我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

(5) 星型SBS生產(chǎn)改性瀝青技術(shù)能降低生產(chǎn)成本，有效提高路面質(zhì)量，提高行車穩(wěn)定性和安全性，解決我國改性瀝青需求量缺口問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本產(chǎn)品必將獲得很好的推廣應(yīng)用前景。

[1] Nabas. Polymer modified asphalts for highperformance hot mix pavement blends[J].AAPT, 1990, 59(1): 509-522.

[2] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京，人民交通出版社,2001.

[3] 祁 偉, 李 波, 曹 貴, 等. 線型SBS和星型SBS復(fù)配制備改性瀝青性能研究[J].公路, 2013(10):200-203.

[4] 交通部公路科學(xué)研究所.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S]. 北京，人民交通出版社,2004.

(本文文獻(xiàn)格式：王春江.星型SBS改性瀝青的研究及工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用[J].山東化工，2016，45(08)：70-72.)

2016-03-15

王春江(1974—)，山東東營人，中海瀝青(四川)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，學(xué)士學(xué)位，主要從事生產(chǎn)及科研管理工作。

TQ522.65

B

1008-021X(2016)08-0070-03