高摻量膠粉復(fù)合改性瀝青制備及存儲穩(wěn)定性研究

林大軍

（煙臺市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 煙臺）

引言

近年來，隨著橡膠改性瀝青在路面工程中的廣泛應(yīng)用，如何提高橡膠粉利用率，同時(shí)保證瀝青路面的性能穩(wěn)定性和使用壽命成為研究的熱點(diǎn)問題。高摻量橡膠改性瀝青技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，高摻量橡膠改性瀝青指的是將大量橡膠粉或廢舊輪胎顆粒加入瀝青中，通常摻量可達(dá)到20%～30%甚至更高，以達(dá)到增加路面彈性模量、改善路面抗裂性和降低路面噪聲等目的。高摻量橡膠改性瀝青路面技術(shù)可以提高橡膠粉的利用率，使瀝青路面具有較高的抗老化性、抗疲勞性、高溫穩(wěn)定性[1-3]。但高摻量橡膠改性瀝青性能較差，存儲不穩(wěn)定，在高溫存儲條件下易發(fā)生離析[4-6]，影響場地上的存儲、運(yùn)輸及施工等。

目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用中，膠粉改性瀝青的摻量一般集中于20%左右[7]。有研究者選擇SBS 改性瀝青和摻量為18%的膠粉改性瀝青[8-9]，并從宏觀角度對比分析了老化對改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)和疲勞性能的影響。本文旨在制備高摻量膠粉復(fù)合改性瀝青，使其膠粉摻量達(dá)到28%且性能優(yōu)于傳統(tǒng)的橡膠改性瀝青。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用金陵70#道路石油基質(zhì)瀝青、40 目脫硫膠粉，其技術(shù)指標(biāo)見表1～表2。橡膠油為糠醛抽出油，改性劑包括SBS 為線性791-H，塑料阻隔潤滑劑HPT（主要成分為乙撐硬脂酸酰胺），穩(wěn)定劑采用常用的硫磺類穩(wěn)定劑。

表1 金陵70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 脫硫膠粉化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青的制備

首先，將金陵70#基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃保溫1 h 使基質(zhì)瀝青完全融化，然后稱取500 g 基質(zhì)瀝青放入陶瓷缸中，將占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%的脫硫橡膠粉慢慢加入到熔融狀態(tài)的瀝青中，利用高速剪切儀在180～190 ℃的溫度下進(jìn)行剪切，剪切速率為5 000 rpm，待剪切至無明顯大顆粒時(shí)，加入占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的SBS 改性劑，保證橡膠粉和SBS 改性劑混合均勻，接著依次加入橡膠油及其他添加劑，總剪切時(shí)間為2 h。剪切完成后緩慢加入占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的硫磺穩(wěn)定劑，放入溫度恒定為180 ℃的攪拌箱中攪拌發(fā)育1 h，制備了高摻量膠粉復(fù)合改性瀝青（CR-SBS/HPT）、高摻量膠粉/HPT 復(fù)合改性瀝青（CR-HPT）、高摻量膠粉/SBS 復(fù)合改性瀝青（CRSBS）、高摻量膠粉改性瀝青（CR）4 種橡膠改性瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)指標(biāo)測試

表3 為樣品的指標(biāo)測試結(jié)果，可以看出，相同的膠粉摻量下4 種改性瀝青CR 瀝青樣品針入度最高，瀝青體系相對較軟，而加入了SBS 和HPT 的橡膠改性瀝青針入度明顯下降，其中HPT 的下降趨勢更加明顯，其中CR-SBS/HPT、CR-HPT、CR-SBS 較CR 樣品分別降低了22.5%、13.8%、10.0%。從軟化點(diǎn)結(jié)果可以看出，CR 軟化點(diǎn)最低，加入HPT 和SBS 后的CR-HPT及CR-SBS 的軟化點(diǎn)均得到了提高，其中CR-SBS/HPT、CR-HPT、CR-SBS 的軟化點(diǎn)比CR 軟化點(diǎn)分別提高了58.9%、20.8%、48.7%，從延度測試結(jié)果可以看出，CR-HPT 延度最低，相比CR 降低了21%，說明HPT 的加入對橡膠瀝青的低溫延度有一定損傷，而CR-SBS/HPT 和CR-SBS 相比CR 延度分別提升了35%、50%。

表3 四種橡膠復(fù)合改性瀝青測試結(jié)果

2.2 存儲穩(wěn)定性測試

圖1 為樣品的離析軟化點(diǎn)測試結(jié)果，可以看出CR-SBS/HPT 和CR-SBS 樣品在熱存儲48 h 內(nèi)的軟化點(diǎn)差值均小于3 ℃，且隨著存儲時(shí)間的增加沒有太大變化。而CR- HPT 和CR 樣品在存儲期間發(fā)生了嚴(yán)重的離析現(xiàn)象，說明HPT 的加入對橡膠改性瀝青的熱存儲穩(wěn)定性具有一定的改善效果，但CRSBS 的存儲穩(wěn)定性最佳，這是因?yàn)樵谙鹉z改性瀝青中，SBS 會與瀝青中的多環(huán)芳烴分子發(fā)生相互作用，從而降低了瀝青中多環(huán)芳烴分子的濃度，進(jìn)而減少了離析現(xiàn)象的發(fā)生。此外，SBS 在橡膠改性瀝青中還可以形成物理交聯(lián)，增加瀝青分子之間的相互作用力，使得瀝青變得更加粘稠，整體體系更加穩(wěn)定。同時(shí)SBS 與HPT 復(fù)合可以形成密實(shí)的聚合物相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低瀝青分子的自由度，使其更難流動，形成穩(wěn)定的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而改善了改性瀝青整體的穩(wěn)定性。

圖1 4 種橡膠改性瀝青延度測試結(jié)果

2.3 FM 測試

圖2 展示了4 種不同配方的橡膠改性瀝青的熒光顯微鏡測試圖像，其中發(fā)光部分物質(zhì)主要代表SBS顆粒。從圖中可以看出，CR-SBS/HPT 和CR-SBS 中發(fā)光物質(zhì)較多，其中CR-SBS/HPT 熒光顆粒大小及其分布較為均勻，而CR-SBS 中有較大顆粒且略有團(tuán)聚現(xiàn)象。說明CR-SBS/HPT 和CR-SBS 瀝青體系已經(jīng)形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，而CR-HPT 和CR 瀝青幾乎沒有熒光物質(zhì)，其中亮斑可能是由橡膠油或PET 顆粒反光特性引起，這就導(dǎo)致在高溫存儲及重力場作用下CRHPT 和CR 發(fā)生嚴(yán)重的離析現(xiàn)象，這與熱存儲穩(wěn)定試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

圖2 4 種橡膠改性瀝青熒光測試結(jié)果

2.4 FT-IR 測試

圖3 為紅外光譜測試結(jié)果，紅外光譜中波數(shù)在725.4 cm-1和802.2 cm-1的特征峰都代表C-H 鍵的彎曲振動，其中725.4 cm-1處特征峰通常代表芳香族C-H 鍵的彎曲振動。從圖中可以看出2#瀝青的峰值最小，主要原因是HPT 一般作為一種添加劑加入到瀝青中，其分子結(jié)構(gòu)中包含著較多的烷基和羧酸基團(tuán)。這些基團(tuán)與橡膠或?yàn)r青中的其他基團(tuán)相互作用，可能會導(dǎo)致一些振動模式發(fā)生變化，或者影響吸收峰的強(qiáng)度。波數(shù)在1 373.2 cm-1和1 450.5 cm-1的峰通常代表著芳香族碳?xì)滏I的拉伸振動，一般對應(yīng)于瀝青中的甲基對稱變形振動，表示瀝青中存在甲基基團(tuán)。而2 854 cm-1和2 915 cm-1處的特征峰對應(yīng)的烷基和甲基的伸縮振動，說明這四個(gè)樣品中含有類似的烷基和甲基官能團(tuán)，這可能是因?yàn)? 個(gè)樣品都是瀝青改性材料，都含有瀝青的基本結(jié)構(gòu)單元，所以它們的紅外光譜中都存在甲基基團(tuán)，因此在1 373.2 cm-1、1 450.5 cm-1、2 854 cm-1和2 915 cm-1處都出現(xiàn)了相接近的特征峰。波數(shù)在1 558.1 cm-1的特征峰為芳香族結(jié)構(gòu)中的C=C 鍵振動，而波數(shù)為1 634.4 cm-1的特征峰為芳香族結(jié)構(gòu)中的C=C 鍵伸縮振動或共軛雙鍵伸縮振動。從圖中可以看出CR-HPT 和CR 樣品特征峰遠(yuǎn)大于CR-SBS/HPT 和CR-SBS 樣品，說明CR-SBS/HPT和CR-SBS 樣品中的SBS 可以減弱芳香族吸收峰的強(qiáng)度，可能是由于SBS 中的丁苯基團(tuán)與瀝青中的芳香族分子形成復(fù)合物，從而影響其振動模式。而雙鍵可以參與自氧化反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青的降解和老化。因此，雙鍵含量越高，橡膠改性瀝青越容易發(fā)生老化，所以雙鍵含量高的橡膠改性瀝青相對來說是不穩(wěn)定的，這說明CR-SBS/HPT 和CR-SBS 要比CR-HPT 和CR 穩(wěn)定性更好。

圖3 4 種橡膠改性瀝青紅外光譜測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1） CR-SBS 有較高的延度但整體性能CRSBS/HPT 最佳且CR-SBS/HPT 存儲穩(wěn)定性最好；從三大指標(biāo)可以看出CR-HPT 可以降低CR 的針入度、提高其軟化點(diǎn)，并在一定程度上改善CR 存儲不穩(wěn)定現(xiàn)象，但在低溫延度有一定負(fù)面影響，而CR-SBS 相比CR 有較高的延度并可以極大程度改善CR 存儲不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（2） CR-HPT 和CR 在重力場及熱存儲環(huán)境作用下發(fā)生較嚴(yán)重的離析現(xiàn)象，從熒光顯微試驗(yàn)可以看出CR-SBS/HPT 中SBS 分散效果更均勻，說明SBS與HPT 復(fù)合可以更加形成密實(shí)的聚合物相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使橡膠改性瀝青的整體體系更穩(wěn)定。

（3） 紅外光譜發(fā)現(xiàn)CR-HPT 的整體吸光度較小，但在1 558.1 cm-1和1 634.4 cm-1處的特征峰較大，說明橡膠復(fù)合改性瀝青不僅僅是簡單的物理改性，也存在著一定的化學(xué)反應(yīng)過程。