SBR改性瀝青及其混合料的研究及應(yīng)用綜述

摘 要：丁苯橡膠（SBR）可以在瀝青膠結(jié)料中形成密集的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種具有一定拉伸性及彈性的結(jié)構(gòu)可以有效改善瀝青及其混合料的低溫抗裂性能。文章根據(jù)SBR改性效果以及SBR改性瀝青及其混合料的不同應(yīng)用情況，主要從SBR改性機(jī)理、SBR改性瀝青及其混合料的使用性能、老化性能與再生研究等方面進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)分析了目前SBR改性瀝青及其混合料存在的不足以及相關(guān)應(yīng)對(duì)策略，對(duì)未來研究工作提出了展望。

關(guān)鍵詞：SBR改性瀝青；SBR改性瀝青混合料；路用性能；老化性能；再生技術(shù)

中圖分類號(hào)：U414.1A250873

0"引言

瀝青路面在冬季容易發(fā)生溫縮裂縫，這是因?yàn)闉r青膠結(jié)料屬于溫度敏感類材料。丁苯橡膠（SBR）的摻入可以提高瀝青及其混合料的低溫抗裂能力，減少瀝青路面冬季開裂的可能性。在道路養(yǎng)護(hù)與維修工程中，SBR改性乳化瀝青常用于黏層、微表處、超薄磨耗層、稀漿封層以及熱再生與冷再生混合料。

目前研究發(fā)現(xiàn)，SBR改性瀝青存在高溫穩(wěn)定性不足及短期老化問題嚴(yán)重，這需要通過復(fù)合改性的方法來彌補(bǔ)SBR改性瀝青的不足。添加多聚磷酸（PPA）、無機(jī)納米材料、纖維素以及巖瀝青等是改善SBR改性瀝青高溫性能的主要方法。水性環(huán)氧樹脂可以明顯改善SBR改性乳化瀝青的水穩(wěn)定性及耐磨耗能力。此外，有機(jī)化膨脹蛭石（OEVMT）/納米氧化鋅（nano-ZnO）復(fù)合改性劑以及溫拌技術(shù)被應(yīng)用于提升SBR改性瀝青的抗老化性能。對(duì)于SBR改性后的再生及冷再生混合料使用性能具有一定的提高，這將有利于提升RAP材料的循環(huán)利用，進(jìn)一步推進(jìn)低碳綠色環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略。

根據(jù)SBR改性效果以及SBR改性瀝青及其混合料的不同應(yīng)用情況，本文主要從SBR改性機(jī)理、SBR改性瀝青及其混合料的使用性能、老化性能與再生研究等方面進(jìn)行總結(jié)與思考。

1"SBR聚合物改性機(jī)理

SBR改性劑是一種典型的共聚物，由苯乙烯與丁二烯共聚而成。當(dāng)SBR加入瀝青中后，SBR分子相互交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示［1］。交聯(lián)結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下具有較好的拉伸能力，這可以起到類似于增強(qiáng)纖維的效果。動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SBR聚合物可以提升基質(zhì)瀝青的儲(chǔ)存模量和損耗模量2～3倍。此外，SBR的摻入對(duì)基質(zhì)瀝青的玻璃化溫度具有明顯的降低作用，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低代表瀝青低溫變形能力及低溫應(yīng)力松弛能力越好。在4%摻量SBR的作用下，瀝青的玻璃化溫度可以從-14 ℃降低到-28 ℃，這表明瀝青的低溫抗裂性能得到了明顯的提升［2］。

2"SBR改性瀝青及其混合料使用性能

由于SBR聚合物改善了瀝青膠結(jié)料的低溫性能，SBR改性瀝青混合料相比于普通瀝青混合料具有更低的斷裂溫度、更高的斷裂強(qiáng)度及斷裂應(yīng)變［3］。研究表明，瀝青混合料在SBR的改性作用下，-10 ℃環(huán)境條件下的彎曲拉伸應(yīng)力與應(yīng)變明顯變低，這表明SBR改性瀝青混合料在低溫條件下具有更好的變形能力［4］。由此可見，SBR可以減少實(shí)際道路工程中瀝青路面低溫開裂的情況，從而有效防止雨水從裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)，破壞瀝青膠結(jié)料與集料之間的有效粘結(jié)，延長(zhǎng)瀝青路面的服役壽命。但是，因?yàn)镾BR對(duì)瀝青膠結(jié)料的高溫敏感性并無明顯影響，SBR改性瀝青與普通瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)差別很小。隨著全球氣溫變暖，冬季嚴(yán)寒和夏季酷熱并存的惡劣環(huán)境出現(xiàn)在我國(guó)許多地區(qū)，瀝青路面表面溫度在夏季將近70 ℃，這會(huì)使SBR改性瀝青路面頻發(fā)車轍病害。因此，Liang等［5］利用多聚磷酸（PPA）的中和反應(yīng)和酯化反應(yīng)，使其交聯(lián)于瀝青分子，使瀝青分子的主烴鏈長(zhǎng)度、芳烴縮合度以及取代芳烴結(jié)構(gòu)等也會(huì)產(chǎn)生變化，同時(shí)伴以新物質(zhì)的生成，最終提升SBR改性瀝青的稠度與硬度，改善SBR改性瀝青混合料抗高溫車轍能力［6］。另外，其他無機(jī)化合物，如納米碳酸鈣（nano-CaCO3）及納米黏土，可以通過物理改性作用來改善SBR改性瀝青混合料抗的高溫穩(wěn)定性［7］。然而，這些改性劑均會(huì)對(duì)SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂能力造成不同程度的損害。對(duì)于瀝青路面道路的長(zhǎng)期使用性能來說，路面的疲勞壽命至關(guān)重要。研究者通過納米黏土與PPA提升了SBR改性瀝青混合料的抗疲勞開裂性能［8-9］。

在瀝青混合料冷拌技術(shù)中，SBR也被用于乳化瀝青的改性，以此制備低溫性能優(yōu)異的乳化瀝青混合料。制備SBR改性乳化瀝青一般是采用先乳化后改性的方法，制備流程如圖2所示。高速剪切高溫流動(dòng)狀態(tài)的基質(zhì)瀝青與皂液，制備出普通瀝青，隨之投入SBR改性劑繼續(xù)剪切，最終形成穩(wěn)定的SBR改性乳化瀝青［10］。其中，為保證改性乳化瀝青的乳化效果及儲(chǔ)存穩(wěn)定性，SBR改性劑通常為膠乳狀態(tài)。孫志林等［11］制備了3種不同乳化劑的SBR改性乳化瀝青，發(fā)現(xiàn)隨著SBR摻量的增加，改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性隨之下降，摻量≤3.5%時(shí)，仍具有良好的穩(wěn)定性，如圖3所示。此外，SBR改性乳化瀝青漿體最好的快干效果出現(xiàn)在水泥摻量為4.0%時(shí)。

SBR改性乳化瀝青在瀝青路面養(yǎng)護(hù)與維修工程應(yīng)用時(shí)，存在粘結(jié)性不足及高溫穩(wěn)定性較差等問題。因此，需要通過復(fù)合改性的方法提升SBR改性乳化瀝青及其混合料的使用性能。弓銳等［12］制備了應(yīng)用于超薄磨耗層黏層SBR/SBS復(fù)合改性乳化瀝青，相比與SBR單一改性乳化瀝青，其在水泥板界面上的拉拔強(qiáng)度提升了72.0%，說明SBS改性乳化瀝青的粘結(jié)性能得到明顯提升。為提升SBR乳化瀝青混合料的高溫抗車轍能力，魏云格等［13］通過納米纖維素改善了SBR乳化瀝青的高溫PG等級(jí)，并通過紅外光譜試驗(yàn)證明了納米纖維素只是物理改性作用。賈曉培［14］制備了膠粉/SBR復(fù)合改性乳化瀝青，微表處的使用性能及降噪特性在復(fù)合改性乳化瀝青的作用下具有一定的提升。張淑雅［15］則用巖瀝青對(duì)SBR改性乳化瀝青進(jìn)行進(jìn)一步改性，研發(fā)出適用于冬季冷潮濕且夏季炎熱地區(qū)的稀漿封層復(fù)合改性乳化瀝青混合料。此外，水性環(huán)氧樹脂對(duì)SBR改性乳化瀝青的使用性能也具有明顯提升效果。劉俠等［16］采用E-44型水性環(huán)氧樹脂與SBR乳劑對(duì)普通乳化瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)E-44固化產(chǎn)物均勻分散并穿插在瀝青相當(dāng)中，在瀝青相內(nèi)形成骨架結(jié)構(gòu)，使膠結(jié)料整體分布均勻，乳化瀝青強(qiáng)度及韌性明顯更強(qiáng)。水性環(huán)氧樹脂還能增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘附特性，進(jìn)而改善微表處混合料的抗水損害性能。但是，水性環(huán)氧樹脂摻量過多會(huì)導(dǎo)致復(fù)合改性微表處混合料的脆斷破壞，降低其耐磨耗能力，如圖4所示［17］。另外，朱曉斌［18］發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧與SBR復(fù)合改性乳化瀝青微表處混合料的高溫穩(wěn)定性會(huì)隨著SBR摻量的增加而降低，4%摻量時(shí)水穩(wěn)定性及耐磨性能最好。

3"SBR改性瀝青老化性能

由于SBR聚合物的增黏作用，SBR改性瀝青混合料在拌和、攤鋪和碾壓過程中的施工溫度較普通瀝青混合料高，這不僅會(huì)導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料的老化硬化，還會(huì)讓容易熱氧老化的SBR聚合物發(fā)生嚴(yán)重的降解，使聚合物交聯(lián)結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞，最終導(dǎo)致SBR改性瀝青的低溫抗裂性大幅度降低。Zhang等［19］發(fā)現(xiàn)，SBR改性瀝青短期老化之后，在5 ℃時(shí)的延度下降到30 cm，下降幅度高達(dá)80%，這會(huì)損害SBR改性瀝青混合料優(yōu)異的低溫抗開裂性能。熱重測(cè)試可以驗(yàn)證瀝青輕組分揮發(fā)及聚合物熱降解過程［20］。另外，在傅里葉變換紅外光譜（FTIR）實(shí)驗(yàn)中可以看到，SBR改性瀝青的紅外光譜中的966 cm-1附近的丁二烯特征峰強(qiáng)度顯著變?nèi)?，這說明了SBR聚合物的降解嚴(yán)重［21］。由此可見，改善SBR改性瀝青的抗老化性能是延長(zhǎng)SBR改性瀝青路面使用壽命的關(guān)鍵。Zhang等［22］和Zhu等［23］通過有機(jī)化膨脹蛭石（OEVMT）的熱阻隔及納米氧化鋅（nano-ZnO）紫外光吸收作用，制備出的OEVMT/nano-ZnO復(fù)合改性劑可以在保持SBR改性瀝青低溫PG等級(jí)不變的情況下，顯著提升其光熱氧老化抗性，最終將1% OEVMT + 3% nano-ZnO確定為最佳復(fù)合改性劑配比。Li等［24］采用Sasobit溫拌劑的顯著降黏效果降低SBR改性瀝青的短期老化溫度，有效降低了SBR的降解程度，如圖5所示。同時(shí)，通過環(huán)氧大豆油（ESO）彌補(bǔ)Sasobit對(duì)低溫抗裂性能的不利影響，最終在Sasobit/ESO復(fù)合溫拌劑的作用下，SBR改性瀝青抗短期老化性得到有效的改善。

4"SBR改性瀝青混合料再生利用

近年來，許多研究者開展了相關(guān)SBR改性瀝青混合料再生研究，目的在于提升普通再生瀝青混合料的綜合使用性能，增大RAP材料的利用率。高庭瑞［25］在進(jìn)行SBR改性就地?zé)嵩偕鸀r青混合料時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱再生瀝青混合料的抗裂性能在SBR改性瀝青的作用下具有顯著改善，但RAP摻量過高會(huì)明顯弱化SBR改性瀝青的提升效果。廠拌熱再生混合料在SBR膠乳的作用下，即使RAP摻量達(dá)到50%，其低溫和水穩(wěn)定性與新拌瀝青混合料相比具有相當(dāng)水平［26］。伊慶剛等［27］則采用青川巖瀝青，提升熱再生SBR改性瀝青混合料的抗高溫車轍及抗水損害性能，并將巖瀝青最佳摻量推薦為8%～10%。潘懷兵［28］和何東坡等［29］均將SBR應(yīng)用于冷再生混合料的制備，以此提升混合料的低溫抗裂性。此外，朱雅婧等［30］運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了SBR/SBS復(fù)合改性劑在再生混合料中的擴(kuò)散特性，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以明顯看到，SBR與SBS的配合比為4%與8%時(shí)，復(fù)合改性劑具有最好的擴(kuò)散效果。

5"結(jié)語

為應(yīng)對(duì)大氣溫度的變化及車輛載重的增加情況，推進(jìn)節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，提升具有優(yōu)異低溫性能的SBR改性瀝青綜合使用性能是道路工程研究必要的工作。綜上，本文介紹了SBR改性瀝青及其混合料的相關(guān)研究及應(yīng)用進(jìn)展，主要結(jié)論與展望如下：

（1）SBR分子相互交聯(lián)所形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以起到類似于增強(qiáng)纖維的作用，這是瀝青膠結(jié)料低溫抗裂性能得到改善的原因。SBR改性瀝青高溫穩(wěn)定性存在不足，這可以通過多聚磷酸（PPA）的有機(jī)改性及一些無機(jī)化合物的物理改性作用來彌補(bǔ)。

（2）可以通過先乳化再改性的方式制備SBR改性乳化瀝青。SBS聚合物、納米纖維素、膠粉、巖瀝青以及水性環(huán)氧樹脂等材料與SBR膠乳復(fù)合改性的乳化瀝青具有良好的綜合使用性能，可應(yīng)用于道路的養(yǎng)護(hù)與維修工程。

（3）溫拌技術(shù)及OEVMT/nano-ZnO復(fù)合改性劑可以有效減少SBR嚴(yán)重的短期熱降解程度，提升SBR改性瀝青及其混合料的老化性能。

（4）SBR改性瀝青及SBR乳膠可以應(yīng)用于瀝青混合料的熱再生與冷再生中，提升再生瀝青混合料的路用性能。

（5）目前雖然對(duì)SBR改性瀝青及其混合料進(jìn)行了大量研究，但大部分研究缺少系統(tǒng)化，而且研究成果仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。如果開展較為全面系統(tǒng)的研究，形成相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這將有利于路面建設(shè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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