國內(nèi)SBS橡膠粉復合改性瀝青研究進展

張東長,李 亞

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

國內(nèi)道路交通流量急劇增加，對道路面層強度、高溫性能和耐久性等性能有了更高的要求[1].添加改性劑能有效改善傳統(tǒng)瀝青的使用性能，現(xiàn)階段單一改性效果較好的改性劑有SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和橡膠粉[2-3].在已有的研究中，俄國伏爾加格勒交通部門采用橡膠粉改性瀝青鋪設(shè)路面,以減少路面結(jié)冰引起的交通事故；英國在薩里郡交通荷載繁重的道路上鋪設(shè)SBS改性瀝青；國內(nèi)對SBS和橡膠粉改性瀝青的制備也比較成熟[4-5].需要注意的是二者在應(yīng)用中仍有很多不足之處：SBS和橡膠粉均不能有效與基質(zhì)瀝青融合相容，單一改性后的瀝青穩(wěn)定性差，極易產(chǎn)生離析，未使用穩(wěn)定助劑的情況下改性效果不理想[6-8]；摻入大量價格昂貴的SBS改性劑導致建設(shè)成本劇增，橡膠粉雖能有效降低成本，但其高溫性能差[9].針對以上不足，賈成賀、王志剛、高占華等[10-12]相繼提出將SBS和橡膠粉作為復合改性劑來生產(chǎn)SBS橡膠粉復合改性瀝青，還發(fā)現(xiàn)將SBS和橡膠粉共同使用，不僅能利用大量的廢輪胎橡膠以減輕環(huán)境污染，降低改性瀝青中昂貴的SBS改性劑使用量，而且其使用性能較普通瀝青高，適用于修建高等級路面.

1 復合改性機理

SBS橡膠粉復合改性瀝青主要由橡膠粉、SBS和基質(zhì)瀝青組成，必要時可添加穩(wěn)定劑.由于SBS和橡膠粉均與基質(zhì)瀝青相容性差，且SBS與橡膠粉之間無化學物理作用，故復合改性機理由SBS改性機理和橡膠粉改性機理共同作用疊加而成.溶脹作用和相容作用是SBS和橡膠粉在基質(zhì)瀝青中主要發(fā)生的反應(yīng)[13].

橡膠粉和SBS以顆粒狀態(tài)懸浮于瀝青中，通過吸附基質(zhì)瀝青中的部分油分，表面擴張膨脹形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；橡膠粉顆粒表面形成一層光滑的凝膠膜，增加其與基質(zhì)瀝青的耦合面積.這種方式不僅可以在一定程度上加大瀝青黏度，也可改善改性瀝青對環(huán)境溫度的敏感性[14].SBS屬于橡膠類聚合物，有效增大瀝青中膠質(zhì)的質(zhì)量占比，在SBS分子與瀝青分子間產(chǎn)生相互作用力，促使瀝青從膠體結(jié)構(gòu)向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.

為透徹掌握SBS橡膠粉復合改性瀝青的改性機理，國內(nèi)多位學者通過微觀結(jié)構(gòu)分析和宏觀表現(xiàn)對其進行了深入研究.黃成武[15]采用掃描電鏡觀察復合改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)橡膠粉顆粒和SBS鏈段聯(lián)系緊密，有序地分布于基質(zhì)瀝青中且沒有出現(xiàn)各自聚集成塊的情況；根據(jù)紅外光譜圖像對比分析發(fā)現(xiàn)復合改性瀝青的紅外光譜基本上是由基質(zhì)瀝青、SBS和橡膠粉改性劑的紅外光譜疊加而成，從而表明橡膠粉、SBS與基質(zhì)瀝青三者之間相互沒有明顯的化學反應(yīng)，以各自的物理形態(tài)融聚.韋大川等[16]對復合改性瀝青截面的微觀結(jié)構(gòu)特性進行分析，發(fā)現(xiàn)SBS和橡膠粉在基質(zhì)瀝青中均勻分散并能相容并存，三者的物理結(jié)構(gòu)相互連接，其改性效果大大提高.

2 制備工藝

目前橡膠粉改性瀝青的制備工藝有干法和濕法，均采用低速攪拌.SBS改性瀝青采用高速剪切研磨生產(chǎn)，二者工藝截然不同，因此對制備工藝的選擇直接影響SBS橡膠粉復合改性瀝青的質(zhì)量.郭吉坦等[17]通過改變添加SBS與橡膠粉的先后順序，制備不同的復合改性瀝青，并測定其三大指標，進行對比分析，確定SBS與橡膠粉的最佳添加順序和制備工藝，即先在基質(zhì)瀝青中添加SBS進行高速剪切和膨脹發(fā)育，再在發(fā)育好的SBS改性瀝青中，摻入橡膠粉，進行低速攪拌.劉貞鵬[18]以SBS橡膠粉復合改性瀝青的高溫性能作為評價指標，確定適用于高溫環(huán)境的制備工藝，即開始在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉，進行人工低速攪拌，使其分散均勻，然后用高速剪切機快速剪切30 min，再加入SBS改性劑與橡膠瀝青共混物，共同剪切30 min，最后簡易攪拌30 min，進行膨脹發(fā)育，生成最終的SBS橡膠粉復合改性瀝青.

河北省張承高速公路率先將SBS橡膠粉復合改性瀝青應(yīng)用于實際高等級公路工程.為了提高復合改性瀝青質(zhì)量，使其達到高速公路面層要求，考慮復合改性瀝青中SBS和橡膠粉抗剪切能力的不同，對傳統(tǒng)制備工藝進行改進.如圖1所示.在熱瀝青中，摻入SBS改性劑進行高速剪切與膨脹發(fā)育，然后摻入橡膠粉共同剪切發(fā)育，生成最終的復合改性瀝青；在多重高剪切作用下，SBS和橡膠粉被研磨的極細，且在基質(zhì)瀝青中分散均勻，從而顯著提高了瀝青的改性效果和儲存穩(wěn)定性[12].復合改性瀝青的儲存穩(wěn)定性和相容性還與穩(wěn)定劑的先后添加順序有關(guān)，復合改性瀝青中后加穩(wěn)定劑的性能更優(yōu)，并具有很好的重復性[19].

圖1 張承高速公路SBS橡膠粉復合改性瀝青制備工藝

3 復合改性瀝青的性能

3.1 高溫性能

摻入SBS和橡膠粉能有效提高瀝青的高溫性能，有利于減少瀝青路面車轍和波浪等永久性變形.陳莉[20]通過不同摻量組合的對比試驗發(fā)現(xiàn)，瀝青的針入度和延度在摻入橡膠粉和SBS后都有明顯的改善，其針入度較基質(zhì)瀝青均變小，5 ℃延度明顯升高.但是，隨著橡膠粉和SBS摻量比例逐漸改變，復合改性瀝青的針入度和5 ℃延度取值差異較大；在固定的橡膠粉摻量情況下，其針入度隨SBS含量增加而減小，5 ℃延度變化量則與SBS含量多少成正相關(guān)關(guān)系.

在橡膠粉外摻量不變的情況下，SBS的添加量和形狀對復合改性瀝青的高溫性能產(chǎn)生不同的影響.楊平文等[21]在基質(zhì)瀝青中摻入18%的橡膠粉，并分別摻入低于2%的線型和星型SBS，進行復合改性研究，發(fā)現(xiàn)SBS添加量越多，則復合改性瀝青的高溫性能改善效果越明顯，表明了SBS是復合改性瀝青高溫性能的主要決定因素；在摻量比例相同時，線型SBS的低溫性能改善程度比星型SBS好，但高溫性能弱于星型SBS，可根據(jù)實際性能需求進行選擇.黃成武[15]通過對普通瀝青和不同類型改性瀝青的熱重及差熱(TG/DSC)對比分析，發(fā)現(xiàn)橡膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青和復合改性瀝青的余留量均高于基質(zhì)瀝青的余留量，復合改性瀝青的余留量僅次于SBS改性瀝青，從而表明摻入SBS橡膠粉復合改性劑對基質(zhì)瀝青的熱穩(wěn)定性有很大的改善作用.

3.2 抗老化性能

SBS橡膠粉復合改性瀝青老化是環(huán)境和自身材料性能共同作用的結(jié)果，使得瀝青組分向重質(zhì)化方向轉(zhuǎn)變.向麗[22]通過紅外線光譜分析復合改性瀝青的老化過程發(fā)現(xiàn)，瀝青組分中的碳鏈鍵發(fā)生斷裂并在氧氣作用下生成羰基，在環(huán)境熱量和氧氣雙重作用下瀝青中的硫元素轉(zhuǎn)化為亞砜基，生成的極性物質(zhì)導致復合改性瀝青的物理化學性質(zhì)發(fā)生極大變化，瀝青中原有的膠體結(jié)構(gòu)向重質(zhì)化改變.對老化前后基本性質(zhì)和動態(tài)流變學指標對比分析可知，基質(zhì)瀝青和不同類型的改性瀝青抗老化性能改善效果依次為：橡膠粉改性瀝青>SBS橡膠粉復合改性瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青.這表明在基質(zhì)瀝青中添加SBS和橡膠粉改性劑都能不同程度地改善抗老化性，而復合改性瀝青的抗老化改善效果較好，能滿足實際工程要求.涂娟等[23]在成品SBS改性瀝青中添加不同含量的橡膠粉來分析其對復合改性瀝青抗老化性的提高程度，發(fā)現(xiàn)添加橡膠粉可顯著改善SBS改性瀝青的耐熱老化性和紫外老化性，橡膠粉含量越多則復合改性瀝青抗老化性越好，從而說明復合改性瀝青中橡膠粉是改善抗老化性的主要因素.

3.3 路用性能

由于SBS橡膠粉復合改性瀝青具有很好的抗滑性和降噪效果，可將其應(yīng)用于城市道路.與傳統(tǒng)未改性的瀝青路面對比，添加橡膠粉的瀝青路面可消減環(huán)境交通噪音1～5 dB，具有良好的降噪效果，且其價格遠遠低于建造減噪墻的費用[24].韋大川[25]設(shè)計相關(guān)實驗，測定SBS橡膠粉復合改性瀝青和SBS改性瀝青兩種路面的交通噪音，并進行對比分析，發(fā)現(xiàn)行車車輛的駕駛速度越快，復合改性瀝青路面的噪音消減能力較普通瀝青路面越強，可削弱1.5 dB.朱平[26]自主研制了適用于透水路面的大空隙SBS橡膠粉復合改性瀝青混合料，并測試其路用性能，測定復合改性瀝青透水路面的抗滑值和構(gòu)造深度，發(fā)現(xiàn)其抗滑值和構(gòu)造深度值比未改性的瀝青路面大得多；此外自主配制的大空隙混合料的高溫性能和低溫性能改善效果良好，瀝青中由于添加SBS和橡膠粉使得瀝青黏度和吸能能力增加，顯著提高大空隙復合改性瀝青的水穩(wěn)定性和抗疲勞性.楊光[27]研制了適用于季凍區(qū)的SBS橡膠粉復合改性瀝青路面，在特定摻配比下，其低溫性能表現(xiàn)優(yōu)良，低溫環(huán)境下的耐久性和抗凍融性能大大改善，可擴大復合改性瀝青的應(yīng)用范圍，并降低季凍地區(qū)的道路建設(shè)成本.

4 結(jié)語

SBS橡膠粉復合改性瀝青具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，能有效緩解車轍病害，其優(yōu)異的低溫性和抗老化性可延長瀝青的使用壽命，替代現(xiàn)階段常用的聚合物改性瀝青.將其應(yīng)用于高等級路面工程中，既降低路面建設(shè)初期投入和養(yǎng)護費用，又延長道路使用壽命和節(jié)約營運成本，具有廣闊的應(yīng)用前景.但目前對于SBS橡膠復合改性瀝青的研究和制備仍有很多待提高之處，未來研究中可以在以下兩個方面進行突破：1)研發(fā)有效的增溶劑，促進SBS、橡膠粉和基質(zhì)瀝青三者之間互容，減輕復合改性瀝青的離析現(xiàn)象；2)制備黏度大的SBS橡膠粉復合改性瀝青，替代進口高黏瀝青，并應(yīng)用于城市排水路面，從而既能達到城市路面排水效果，又在很大程度上減輕城市噪音污染.

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