SBS橡膠復(fù)合改性瀝青制備與性能研究

戚謝軍，黃雅婷，李 金

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

據(jù)2021年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2020年底，我國高速公路總里程已達到16.10萬km，其中瀝青路面占比已超過90%，瀝青路面結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國高等級道路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。瀝青路面具備行車舒適性高、抗滑性能優(yōu)良、揚塵揚霧低等優(yōu)勢，但瀝青路面在復(fù)雜自然環(huán)境及日益增長的重交通荷載作用下，易發(fā)生車轍、推移、低溫開裂或者松散剝落等高低溫病害及水穩(wěn)破壞。通過對瀝青進行改性，改善瀝青高低溫性能是提高瀝青混合料路用性能、提升路面使用性能及耐久性的主要手段。

瀝青改性是指在瀝青中摻入改性劑，然后通過相關(guān)工藝處理，使瀝青與外摻改性劑發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，提升瀝青性能的過程。SBS改性與橡膠改性是目前應(yīng)用較廣泛的改性技術(shù)，但是兩者都存在一定的應(yīng)用問題。SBS改性劑屬于高聚物改性劑，價格高昂，導(dǎo)致SBS改性瀝青制備成本過高，不利于控制工程造價。另外，SBS可用于生產(chǎn)附加價值更高的產(chǎn)品，從資源配置角度上看，將其用于道路建設(shè)并不合理[1]。橡膠改性瀝青具備價格低廉、可實現(xiàn)汽車輪胎的廢物利用、抗老化性能好等技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，但是橡膠粉與瀝青相容性不理想，橡膠改性瀝青的存貯穩(wěn)定性不高，且黏度高，施工和易性差[2]。由此可見，對瀝青進行SBS或者橡膠單一改性制得的改性瀝青存在應(yīng)用局限。為了結(jié)合SBS改性瀝青與橡膠改性瀝青優(yōu)勢，突破單一改性存在的局限，本文借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有研究與工程經(jīng)驗，進行SBS橡膠復(fù)合改性技術(shù)研究，開展原材料及制備工藝對復(fù)合改性瀝青的影響分析，并對復(fù)合改性瀝青效果進行驗證。

1 原材料

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選用東海牌70#A級瀝青，其常見性能指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青常見性能指標(biāo)表

1.2 橡膠粉改性劑

本文橡膠粉采用曲阜某化工企業(yè)生產(chǎn)的40目、60目、80目橡膠粉，基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2 橡膠粉主要性能指標(biāo)表

1.3 SBS改性劑

SBS按照分子結(jié)構(gòu)不同可以分為線型SBS和星型SBS兩種，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)線型SBS更易與瀝青產(chǎn)生融合反應(yīng)。故本文選用產(chǎn)自岳陽石化的YH-791線型SBS改性劑，其主要性能指標(biāo)如表3所示。

表3 YH-791型SBS改性劑主要性能指標(biāo)表

2 SBS橡膠復(fù)合改性瀝青制備及影響因素

改性瀝青制備一般需要經(jīng)歷原材料檢驗、投料混合、研磨分散及發(fā)育貯存四個階段，改性效果受到研磨分散工藝、改性劑投料方式及順序、改性劑材料參數(shù)的影響。本文從改性劑材料參數(shù)及投料順序兩個方面研究復(fù)合改性瀝青制備工藝。其制備過程為：先將瀝青加熱至170 ℃達到熔融狀態(tài)，然后根據(jù)摻量水平投入橡膠粉及SBS，采用高速剪切機以5 000 rpm轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定170 ℃±5 ℃條件下剪切1 h，最后將剪切完成的復(fù)合改性瀝青置于180 ℃烘箱中，保溫30 min發(fā)育溶脹、排除氣泡制得成品SBS橡膠復(fù)合改性瀝青。

2.1 改性劑目數(shù)與摻量對改性瀝青的影響

考慮到全因素試驗量較大，為提高試驗效率，采用正交試驗法進行復(fù)合改性瀝青制備研究，參考國內(nèi)外相關(guān)研究文獻及類似工程經(jīng)驗，擬定橡膠粉及SBS改性劑摻量，匯總于正交試驗因素水平表，如表4所示。

表4 L9(33)正交試驗因素及水平表

基于正交試驗設(shè)計，對復(fù)合改性瀝青進行軟化點、針入度及5 ℃延度試驗，評價不同摻量水平改性瀝青的改性效果。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 SBS橡膠復(fù)合改性瀝青試驗結(jié)果表

采用不同因素相同水平條件下試驗結(jié)果的均值評價該水平對改性瀝青性能的影響，根據(jù)表5試驗結(jié)果，繪制“影響水平-指標(biāo)均值”關(guān)系圖如圖1～3所示。

圖1 影響水平-軟化點均值關(guān)系曲線圖

2.1.1 軟化點

由圖1可知，隨橡膠粉及SBS摻量增加，復(fù)合改性瀝青軟化點不斷升高，而橡膠粉目數(shù)增加，其軟化點先增高后降低。這是因為在瀝青改性過程中，橡膠粉及SBS吸收了瀝青中的大量輕質(zhì)組分，且摻量越高，吸收的輕質(zhì)組分越多，瀝青質(zhì)及膠質(zhì)含量的相對提高使得軟化點增高。同時，SBS在瀝青中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也提高了瀝青的軟化點。

隨橡膠粉目數(shù)的增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點先增高后降低，這可能是因為橡膠粉目數(shù)越大，橡膠粉顆粒細，比表面積越大，其在瀝青中發(fā)生的溶脹反應(yīng)更充分，從而形成更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使軟化點提高；而隨橡膠粉目數(shù)持續(xù)增大，顆粒過細反而不能在瀝青中形成骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致軟化點下降[3]。

2.1.2 針入度

由圖2可知，隨橡膠粉摻量、SBS摻量增加及橡膠粉目數(shù)提高，SBS橡膠復(fù)合改性瀝青的針入度都呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為隨改性劑摻量增加，或者橡膠粉目數(shù)提高，改性劑與瀝青接觸面積都在增加，使得瀝青中大量輕質(zhì)組分被吸收，瀝青“變硬”，且SBS溶脹形成了三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制了瀝青的流動，在這雙重影響下使得瀝青針入度降低。

圖2 影響水平-針入度均值關(guān)系曲線圖

2.1.3 5 ℃延度

由圖3可知，隨橡膠粉摻量及SBS摻量水平的提高，復(fù)合改性瀝青的5 ℃延度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。隨著橡膠粉及SBS摻量增加，改性劑在瀝青中發(fā)育溶脹形成的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，這種結(jié)構(gòu)能很好地消散應(yīng)力，從而提高瀝青延度；而摻入過多的改性劑會導(dǎo)致一部分橡膠粉或SBS不能完全溶脹，造成改性劑與瀝青產(chǎn)生“弱接觸面”，從而在延度試驗拉伸過程中發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使試件過早斷裂，延度降低。

圖3 影響水平-5 ℃延度均值關(guān)系曲線圖

隨橡膠粉目數(shù)增大，復(fù)合改性瀝青延度增大，這是因為隨橡膠粉目數(shù)增大，橡膠粉顆粒粒徑減小，越易在瀝青中溶脹發(fā)育，并與瀝青具有更好的相溶效果；而目數(shù)越小，橡膠粉顆粒粒徑越大，橡膠粉未完全溶脹發(fā)育，以顆粒形式在瀝青中存在，導(dǎo)致拉伸過程產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，瀝青試件提前發(fā)生斷裂。因此，橡膠粉目數(shù)越大，復(fù)合改性瀝青延度越大。

2.1.4 影響程度分析

為探究橡膠粉目數(shù)、橡膠粉摻量及SBS摻量對復(fù)合改性瀝青性能影響程度，本文采用SPSS軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，利用P值對影響程度進行評價，如表6所示。

表6 方差分析結(jié)果表(P值)

由表6可知，研究因素對SBS橡膠復(fù)合改性瀝青的針入度的影響排序為：SBS摻量>橡膠粉摻量>橡膠粉目數(shù)；對軟化點及5 ℃延度影響排序一致為：橡膠粉摻量>SBS摻量>橡膠粉目數(shù)。其中，橡膠粉摻量及SBS摻量對軟化點為顯著影響，3個研究因素對5 ℃延度均為顯著影響。

結(jié)合各研究因素不同水平對復(fù)合瀝青性能影響趨勢，本文選定橡膠粉目數(shù)為80目，橡膠粉和SBS摻量分別為18%、4%作為SBS橡膠復(fù)合改性瀝青制備推薦參數(shù)。

2.2 改性劑摻入順序?qū)Ω男詾r青影響

為探究橡膠粉及SBS摻入順序?qū)?fù)合瀝青改性效果的影響，本文擬定三組復(fù)合改性瀝青制備方案，如圖4所示。采用軟化點、針入度及彈性恢復(fù)率指標(biāo)評價3種方案制備瀝青的性能。試驗結(jié)果如表7所示。

圖4 改性劑摻入順序試驗方案示意圖

表7 橡膠粉與SBS摻入順序?qū)?fù)合改性瀝青性能的影響試驗結(jié)果表

由表7可知，方案2(先摻SBS后摻橡膠粉)制備的復(fù)合改性瀝青各項性能指標(biāo)均優(yōu)于方案1和方案3，說明該方案下橡膠粉與SBS使瀝青溶脹發(fā)育最充分，故方案2是最佳的改性劑投料順序。分析原因可能是當(dāng)橡膠粉先投入或者與SBS同時投入時，橡膠粉摻量較大且具備更強的輕質(zhì)組分吸附能力，從而導(dǎo)致了SBS不能完全溶脹發(fā)育，降低了復(fù)合改性效果。

3 改性瀝青高低溫性能研究

SBS橡膠復(fù)合改性瀝青同時具有單一橡膠改性及SBS改性瀝青的高低溫性能優(yōu)勢，且擁有更佳成本優(yōu)勢及施工和易性。本節(jié)利用DSR設(shè)備開展溫度掃描試驗和利用BBR設(shè)備開展低溫彎曲蠕變試驗，對SBS橡膠復(fù)合改性瀝青、橡膠改性瀝青(橡膠摻量為18%)、SBS改性瀝青(SBS摻量為4%)及70#基質(zhì)瀝青的高低溫性能進行評價，試驗結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 DSR試驗抗車轍因子測試結(jié)果對比曲線圖

圖6 BBR試驗勁度模量測試結(jié)果對比曲線圖(-12 ℃)

3.1 高溫性能

SBS橡膠改性瀝青的高溫性能較單一改性瀝青優(yōu)良。由圖5可知，SBS橡膠復(fù)合改性瀝青的抗車轍因子曲線最高，其次是單一改性的SBS改性瀝青與橡膠改性瀝青，最低的為70#基質(zhì)瀝青。說明SBS與橡膠粉均提高瀝青的高溫性能，且用兩者對基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性，改善效果更明顯。

3.2 低溫性能

SBS改性瀝青與橡膠改性瀝青的低溫性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且當(dāng)用兩者復(fù)合改性時，低溫性能得到繼續(xù)提升。由圖6可知，SBS橡膠復(fù)合改性瀝青的勁度模量曲線最低，單一改性瀝青的勁度模量曲線略高，基質(zhì)瀝青的低溫勁度模量曲線最高。勁度模量越低，代表瀝青在低溫條件下，荷載作用時具備更強的抗變形能力，其低溫性能越優(yōu)良[4]。因此，SBS橡膠復(fù)合改性瀝青的低溫性能較單一改性瀝青的低溫性能更好，復(fù)合改性對瀝青低溫改性效果更明顯。

4 結(jié)語

針對SBS橡膠復(fù)合改性瀝青制備與性能研究，得出以下結(jié)論：

(1)隨橡膠粉摻量及SBS摻量水平提高，復(fù)合改性瀝青軟化點提高，針入度降低，5 ℃延度先增高后降低；隨橡膠粉目數(shù)增大，橡膠粉顆粒越細軟化點及延度先增高后降低，而延度持續(xù)降低。

(2)根據(jù)不同因素水平試驗結(jié)果及摻入順序試驗，SBS橡膠復(fù)合改性瀝青制備推薦橡膠粉目數(shù)為80目，橡膠粉及SBS摻量分別為18%、4%，摻入順序為先摻SBS后摻橡膠粉。

(3)SBS與橡膠粉均有利于改善瀝青高低溫性能，且用兩者進行復(fù)合改性制得的SBS橡膠復(fù)合改性瀝青高低溫性能更優(yōu)良。