不同類型SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青流變性能研究

王朝軍 張星宇,2 楊平文,2 馬曉燕 南兵章,2

（1甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)養(yǎng)護(hù)科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730050；3長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710061）

0 前言

高速公路網(wǎng)及城市主干道建設(shè)發(fā)展對(duì)改性瀝青的性能要求越來(lái)越高。在國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的瀝青改性劑中，SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性劑因其在相容性及改性效果方面出色的表現(xiàn)，已經(jīng)成為改性瀝青市場(chǎng)占有率最大的改性劑。然而，由于SBS改性劑在應(yīng)用過(guò)程中存在價(jià)格昂貴、易老化等缺點(diǎn)，因此在道路工程的實(shí)際應(yīng)用中受到了制約。

在瀝青改性中將來(lái)源廣泛、成本低廉的廢舊輪胎橡膠粉作為聚合物改性劑，既可以減少環(huán)境污染，又可以提高瀝青的性能。越來(lái)越多的道路工作者聚焦橡膠瀝青路用性能的研究。郭朝陽(yáng)、曹荷紅等的研究表明，橡膠瀝青擁有良好的降噪和抗紫外老化特性[1-3]。譚憶秋、周純修認(rèn)為橡膠瀝青路面具有顯著的融雪抑冰效應(yīng)[4]。雖然橡膠粉對(duì)瀝青性能的改善效果顯著，但當(dāng)橡膠粉含量較低時(shí)，改善效果并不明顯，當(dāng)含量過(guò)高時(shí)，改性瀝青的粘度過(guò)大，施工困難[5]。綜合上述問(wèn)題，結(jié)合SBS和橡膠粉的特點(diǎn)，瀝青復(fù)合改性已日益成為道路材料研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[6-8]。然而，目前大量研究集中于復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和混合料性能，而未對(duì)復(fù)合改性瀝青的流變性能以及組成材料對(duì)其流變性能的影響進(jìn)行深入分析。

SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青不僅保留了橡膠瀝青的特點(diǎn)，也結(jié)合了SBS改性瀝青的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)瀝青的高低溫性能均有顯著提升[6]，因此，SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青成為研究改性瀝青的一個(gè)重要方向。目前，我國(guó)對(duì)SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能的研究大部分仍停留在177℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度和軟化點(diǎn)等常規(guī)指標(biāo)，但SBS改性劑類型對(duì)SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能影響的研究少有提及。本研究選用廢舊輪胎橡膠粉和不同類型SBS改性劑復(fù)合制備改性橡膠瀝青，并對(duì)SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青60℃重復(fù)蠕變進(jìn)行研究，并將試驗(yàn)結(jié)果用Burgers模型分析SBS改性劑類型對(duì)其力學(xué)性能的影響。研究成果具有較強(qiáng)的實(shí)用意義，可指導(dǎo)SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的原材料選擇及工藝優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

1.1.1.1 基質(zhì)瀝青本研究采用SK-90號(hào)基質(zhì)瀝青，其組分比例和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青四組分及性能測(cè)試結(jié)果

1.1.1.2 SBS改性劑及橡膠粉

本研究采用T-161B、4303、6302及YH-791共4種SBS改性劑，由獨(dú)山子石化、燕山石化和岳陽(yáng)石化生產(chǎn)，其中星型改性劑包括4303與T-161B，線性改性劑包括6302和YH-791。廢舊輪胎膠粉則使用武威裕鑫橡膠制品廠生產(chǎn)的40目硫化橡膠粉。

1.1.2 儀器設(shè)備

設(shè)備包括：JJ2000B電子天平，101-3A電熱鼓風(fēng)干燥箱，電阻爐，JJ—1增力電動(dòng)攪拌器，F(xiàn)M300高剪切分散乳化機(jī)，SYD-4508F瀝青延伸度測(cè)定器，SYD-2806E瀝青軟化點(diǎn)儀，SYD-2801F瀝青針入度試驗(yàn)器，RVDV-II+Pro布氏旋轉(zhuǎn)粘度儀，HR-1動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

因SBS改性劑在瀝青中需經(jīng)過(guò)高速剪切才能分散均勻，本研究采用先剪切后攪拌發(fā)育的方式制備SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青，即先將2%SBS（外摻）添加到180℃的基質(zhì)瀝青中，采用4000r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切45min后停止，之后將稱好的18%膠粉（外摻）緩慢加入剪切完畢的SBS改性瀝青中，將瀝青快速升溫到190℃后攪拌發(fā)育1h，停止攪拌保溫待用。

1.3 Burgers模型及重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)

1.3.1 重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)

瀝青是道路工程中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的粘彈性材料，能夠在較寬的路面溫度范圍內(nèi)保持粘性和彈性共存的特性，因此，采用粘彈性理論分析瀝青的力學(xué)響應(yīng)得到道路工作者的普遍認(rèn)可[9]。1992年，美國(guó)公路科研的SHRP計(jì)劃提出了Superpave體系，即采用瀝青材料的復(fù)數(shù)模量（G*）與相位角的正弦（sinδ）的比值評(píng)價(jià)其高溫性能的膠結(jié)料分級(jí)體系，但新的研究表明，G*/sinδ作為評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高溫性能的指標(biāo)存在缺陷[10-11]。隨后，美國(guó)聯(lián)邦公路局進(jìn)行了加速加載足尺試驗(yàn)（ALF），結(jié)果表明，ALF的車轍深度與Superpave高溫性能參數(shù)車轍因子（G*/sinδ）的相關(guān)性較差，其與64℃車轍因子的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.13，而基于多重應(yīng)力蠕變回復(fù)試驗(yàn)（MSCR）的不可回復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr與ALF的車轍深度卻有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.82，Jnr準(zhǔn)確表征了聯(lián)邦公路局ALF試驗(yàn)段瀝青混凝土路面抗車轍性能的性能等級(jí)[12]。

本研究采用加載1s、卸載9s（或加載2s、卸載18s，加載3s、卸載27s），共循環(huán)加載100次，得到其重復(fù)加載-恢復(fù)的過(guò)程圖（圖1），之后通過(guò)Burgers流變模型擬合試驗(yàn)第50次和第51次的結(jié)果，最終計(jì)算得到蠕變?nèi)崃浚↗v）。

圖1 重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)加載模式示意圖及變形曲線

1.3.2 Burgers模型

Burgers模型通常由一組Kellvin模型（G1,η1）和Maxwell模型（G0,η0）構(gòu)成，其中G1,η1表征Kelvin中的彈性成分和粘性成分，而G0,η0則代表Maxwell模型中的彈性成分和粘性成分。因此，瀝青材料對(duì)重復(fù)蠕變響應(yīng)的擬合計(jì)算包括瞬時(shí)彈性變形、滯后彈性變形和粘性變形。

Burgers模型的本構(gòu)方程如下：

式中：γ為剪應(yīng)變；τ0為恒定的剪應(yīng)力，Pa；G0為Maxwell模型中的彈性模量，Pa；η1為Kelvin模型中的粘性系數(shù)，Pa.s；η0為Maxwell模型中的粘性系數(shù)，Pa.s；t為蠕變時(shí)間，即加載時(shí)間，蠕變?nèi)崃縅v=t/η0。

通過(guò)數(shù)學(xué)變換后的Burgers模型的本構(gòu)方程可以直接擬合計(jì)算蠕變?nèi)崃浚M(jìn)而可用Gv=1/Jv反映瀝青材料蠕變勁度模量的粘性成分，評(píng)價(jià)瀝青材料的高溫抗車轍能力[13]。

圖2 Burgers模型

圖3 蠕變-恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)試驗(yàn)比較

采用18%外摻橡膠粉，分別添加2.0%的4303、T-161B、YH-791及6302進(jìn)行復(fù)合改性，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表2及圖4所示：

表2 不同改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示，SBS改性瀝青常規(guī)指標(biāo)較復(fù)合改性瀝青有顯著優(yōu)勢(shì)，復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)為延度、軟化點(diǎn)及針入度顯著減小，而布氏粘度顯著增大，且星型改性劑的效果更顯著。在SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青中，SBS改性劑與橡膠粉的相容性相對(duì)較差，使得部分SBS改性劑在瀝青中呈絮狀、粒狀分布，因此降低了SBS改性劑的改性效果，即SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)差于SBS改性瀝青。

就星型、線型SBS改性劑而言，星型改性劑在復(fù)合改性瀝青高溫性能方面的改善效果明顯優(yōu)于線性改性劑。同為星型改性劑，嵌段比20/80的T161B對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫性能提升的幅度大于嵌段比30/70的4303；同為線性改性劑，嵌段比30/70的YH-791對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫性能方面的提升高于嵌段比20/80的6302。軟化點(diǎn)排序如下：SBS改性瀝青＞T161B＞4303＞YH-791＞6302。因星型SBS改性劑分子結(jié)構(gòu)中具有更多交聯(lián)點(diǎn)，即與SBS分子及橡膠粉結(jié)合更緊密，故星型SBS改性劑比線性改性劑具有更好的高溫性能；同時(shí)，SBS改性劑性能呈現(xiàn)兩相分離狀態(tài)，即SBS分子中聚苯乙烯其物理交聯(lián)作用，在一定范圍內(nèi)苯乙烯嵌段含量越高，交聯(lián)作用越強(qiáng)，即高溫性能越好，而在一定范圍內(nèi)乙二烯嵌段含量越高，其交聯(lián)作用越弱，即低溫柔韌性愈好。

在低溫性能方面，線型改性劑YH-791與6302對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能的改善效果顯著優(yōu)于星型改性劑T161B和6302。同為線型改性劑，嵌段比30/70的YH-791對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫延度效果大于嵌段比20/80的6302；同為星型改性劑，嵌段比20/80的T161B對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫延度效果大于嵌段比30/70的4303。因線性SBS改性劑較星型改性劑的交聯(lián)點(diǎn)相對(duì)較少，其低溫延展性也更好，所以線性改性劑的低溫性能優(yōu)于星型改性劑；而在一定范圍內(nèi)乙二烯嵌段含量越高，其交聯(lián)作用越弱，即低溫柔韌性愈好。

上述分析表明，復(fù)合改性瀝青常規(guī)指標(biāo)明顯差于SBS改性瀝青；在SBS摻量相同情況下，由星型改性劑制備的復(fù)合改性瀝青高溫指標(biāo)優(yōu)于線性改性劑，而低溫性能方面則是線性改性劑制備復(fù)合改性瀝青優(yōu)于星型改性劑。

2.2 重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果比較

對(duì)SBS改性瀝青（SBS摻量4.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和SBS復(fù)合改性瀝青（SBS摻量2.0%，外摻18%膠粉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）等5種瀝青進(jìn)行60℃重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)處理軟件Origin進(jìn)行Burgers模型擬和，柔量實(shí)測(cè)與擬和曲線如圖5所示。由圖5可以看出，Burgers模型能夠較好擬合以上5種改性瀝青的蠕變過(guò)程。

圖5 5種瀝青的蠕變?nèi)崃繉?shí)測(cè)值和擬合值

采用Burgers模型擬合參數(shù)η計(jì)算瀝青在蠕變過(guò)程中的粘性變形模量GV，并根據(jù)重復(fù)蠕變-松弛曲線計(jì)算各種瀝青的累積應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率k、累積變形με以及變形恢復(fù)率γL/γp，結(jié)果如表3及圖6所示。

表3 不同瀝青重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

圖6 不同瀝青重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

上述結(jié)果表明：

1）復(fù)合改性瀝青的粘性變形模量GV明顯高于SBS改性瀝青，說(shuō)明其高溫性能較好，且星型SBS改性劑對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫性能的改性效果優(yōu)于線型SBS改性劑，5 種瀝青高溫性能由高到低排序如下：T161B＞4303＞YH791＞6302＞SBS改性瀝青。

2）上述4 種復(fù)合改性瀝青的k值總體均小于SBS改性瀝青，改性瀝青k值由高到低的排列順序?yàn)椋篠BS改性瀝青＞6302＞YH-791＞4303＞T-161B。

3）4 種復(fù)合改性瀝青的累計(jì)變形顯著低于SBS改性瀝青，按蠕變累計(jì)變形從大到小排序如下：SBS改性瀝青＞6302＞YH-791＞4303＞T-161B。

4）卸載過(guò)程中SBS改性瀝青和復(fù)合改性瀝青大部分變形都能恢復(fù)，但復(fù)合改性瀝青在相同加載條件下的恢復(fù)能力較SBS改性瀝青更強(qiáng)，由大到小排序如下：T-161B＞4303＞YH-791＞6302＞SBS改性瀝青。

由于SBS改性劑與橡膠粉在瀝青中相互交聯(lián)形成節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而形成彈性空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著改善瀝青的高溫流變性能，表現(xiàn)為復(fù)合改性瀝青流變性能優(yōu)于SBS改性瀝青。同時(shí)，星型SBS改性劑分子結(jié)構(gòu)中具有更多交聯(lián)點(diǎn)，即與SBS分子及橡膠粉結(jié)合更緊密，因此，T161B和4303復(fù)合改性瀝青的流變性能優(yōu)于YH-791和6302，即具有更好的高溫抗變形能力。

綜上所述，基于重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)的4種評(píng)價(jià)指標(biāo)一致表明復(fù)合改性瀝青的高溫抗變形能力明顯優(yōu)于SBS改性瀝青，且星型SBS改性劑的改性效果明顯優(yōu)于線性SBS改性劑。

3 結(jié)論

通過(guò)分析聚合物改性瀝青的改性機(jī)理，對(duì)比復(fù)合改性瀝青和SBS改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)性能和基于重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)的高溫流變力學(xué)性能，并對(duì)SBS改性劑結(jié)構(gòu)差異對(duì)SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青高、低溫性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）復(fù)合改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)較SBS改性瀝青明顯降低，具體表現(xiàn)在針入度、延度及軟化點(diǎn)顯著減?。磺倚切蚐BS改性劑在改善復(fù)合改性瀝青高溫性能方面的效果明顯高于線性SBS改性劑，而其對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能的改性效果則差于線型改性劑。

2）重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)4種評(píng)價(jià)指標(biāo)一致表明復(fù)合改性瀝青的高溫抗變形能力明顯優(yōu)于SBS改性瀝青，且星型SBS改性劑的改性效果顯著優(yōu)于線性SBS改性劑。

3）通過(guò)對(duì)5種瀝青常規(guī)指標(biāo)與重復(fù)蠕變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比分析，并結(jié)合相關(guān)瀝青混合料試驗(yàn)，結(jié)果表明在評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青高溫性能時(shí)，軟化點(diǎn)與其高溫性能的相關(guān)性較低，而重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)的評(píng)價(jià)更客觀。