SBR膠粉改性瀝青性能研究

劉聰慧

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著交通量的增長、車輛載重的增大，瀝青路面容易出現車轍、開裂等病害，嚴重影響瀝青路面的使用。粉末橡膠顆粒（styrene butadiene rubber-SBR）作為一種常見的瀝青改性劑，由于可以提高瀝青路面的高低溫性能和疲勞開裂能力，已被廣泛采用[1]。但是以往研究表明，橡膠粉末對于提高瀝青膠漿的低溫延度有限，并且高溫儲存穩定性不佳，一定程度上影響了此改性劑的使用[2]。究其原因，與制備橡膠顆粒時，會在膠粉表面形成酸性基團[3]，降低了橡膠顆粒的溶脹性，難以形成網狀結構有關。為了提高橡膠顆粒在瀝青相中的溶脹性能，可以采用脫硫橡膠粉，也可以降低橡膠顆粒粒徑[4]。本文采用一種橡膠微粉顆粒，制備改性瀝青膠漿，通過三大指標、流變性和形態學3種途徑分析了改性后瀝青的性能。

1 試驗部分

1.1 原材料

本實驗所用瀝青為湖北科氏瀝青公司生產的AH-70道路瀝青，其主要性能指標如表1所示。橡膠微粉為中國石化北京化工研究院生產，粒徑范圍為 10～100μ。

表1 AH-70道路瀝青基本性能

1.2 樣品制備

將瀝青分別加熱到175℃、210℃，加入規定摻量的橡膠微粉，在恒定溫度下高速剪切攪拌1 h，剪切轉速為5 000 r/min，然后調整到低轉速1 000 r/min、低溫175℃繼續攪拌1 h。用此方法分別制備3%、5%、7%三種摻量的改性瀝青膠漿。

1.3 高溫儲存穩定性評價

聚合物改性瀝青離析試驗適用于評定本次橡膠微粉與基質瀝青的相容性。方法是將加熱后的改性瀝青試樣注入規定試管，然后垂直地放入163℃的烘箱中保持48 h，加熱結束后立即冷卻，分別取上部和底部1/3段瀝青，測量其軟化點。上、下部軟化點差值小于2.5℃為熱儲存穩定樣品。

1.4 形態學觀察

改性瀝青微觀形態研究中經常使用熒光顯微鏡。本實驗采用Nikon-YS100熒光顯微鏡，放大倍數為300倍。

2 試驗結果及討論

2.1 物理性能測試

橡膠微粉改性瀝青進行了針入度、軟化點和延度指標性能測試，測試結果見表2。同時，為了評價改性瀝青的溫度敏感性，本試驗引入了針入度指數（PI）[5]，計算公式如式（1）。

式中：PI為針入度指數；Pen25為25℃時針入度指數值，0.1 mm；SP 為軟化點，℃。

表2 不同橡膠微粉摻量下改性瀝青基本性能

通過表2可以看出，隨著橡膠微粉摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，PI值逐漸增大，表明改性瀝青具有更好的溫度敏感性能。同時，軟化點和延度逐漸增大，反映出基質瀝青改性后具有更好的高溫黏性及低溫勁度。儲存穩定性試驗數據中上下部分軟化點差值遠小于2.5℃，表明改性后瀝青具有較好的高溫儲存穩定性。這可能要歸功于橡膠微粉較細的粒徑和試樣制備中較高的剪切攪拌速率。

2.2 流變學分析

動態剪切流變儀DSR對各種老化瀝青材料在不同溫度和荷載作用頻率下的流變性質進行分析，評價各種瀝青的動態力學性能，通過測定瀝青結合料的復數剪切模量|G*|和相位角δ可以模擬瀝青膠結料在集料與集料之間的接觸點所受到的剪切作用。|G*|為最大剪切應力和最大剪切應變之比，包括彈性部分G′和黏性部分G″，前者為試樣在每次荷載循環中儲存的能量，反映瀝青變形過程中能量的儲存與釋放；而后者則指每次荷載作用時會產生的能量損耗，反映瀝青在變形過程中由于內部摩擦產生的以熱的形式損耗的能量，其值越大，表示重復荷載作用下的能量損失速度越快。

式中：G′=|G*|·cosδ，G″=|G*|·sinδ。

對于彈性材料，荷載作用時，應力和應變是完全同步的，其相位角δ等于0°；黏性材料應力和應變響應不能保持同步，時間上有較大的滯后，相位角δ接近90°；黏彈性材料應力和應變不同步，相位角介于0°～90°。在通常的路面溫度和荷載情況下，瀝青同時呈現出黏性和彈性性質。

試驗時掃描頻率范圍為100～0.1 rad/s，試驗溫度范圍為-10℃～60℃。為了在更寬的頻率范圍內對樣品流變性進行對比研究，可以根據“時溫等效原則”將不同溫度、不同掃描頻率的復合剪切模量曲線“平移”到規定溫度，得出復合剪切模量主曲線圖，如圖1所示。

圖2表示了不同攪拌溫度下的主曲線圖。由圖2可以看出，隨著剪切攪拌溫度的升高，改性瀝青膠漿在低頻區（對應高溫區）具有更高的|G*|和更低的δ，反映出此改性瀝青膠漿高溫性能更好；同時在高頻區（對應低溫區）具有更低的|G*|和更高的δ，表明低溫區柔性更好，實際表現為低溫時更不易“發脆”。

圖1 不同溫度下角頻率和復合模量之間關系

圖2 不同攪拌溫度下主曲線圖

由圖3表示了不同橡膠微粉摻量時對應的主曲線圖，可以看出隨著改性劑摻量的增加，在低頻高溫區，隨著摻量的增加，改性瀝青膠漿|G*|逐漸增大，δ值逐漸減小，表明摻量為7%時改性瀝青膠漿具有更好的高溫性能。同時摻量為7%瀝青膠漿的δ值在1×10-3～1×100掃描頻率區間內有明顯的平臺區。δ值平臺區反映了瀝青中聚合物網絡結構變化重組。由此可以分析出添加改性劑后瀝青網絡結構發生了有利于高溫性能的重新組合，并且210℃剪切溫度時平臺區相比175℃時更明顯，表明高溫提高了橡膠微粉顆粒在瀝青相中的溶脹能力，更有利于新網絡結構的形成。

圖3 不同摻量下主曲線圖

2.3 形態學分析

熒光顯微技術可以清晰地反映出改性劑在瀝青相中的存在形態。

圖4 175℃改性瀝青熒光顯微照片

圖5 210℃改性瀝青 熒光顯微照片

圖4和圖5分別為175℃和210℃剪切攪拌溫度下制備的瀝青膠漿熒光顯微照片。圖中亮區為橡膠微粉顆粒，暗區為瀝青基質。由兩圖可以看出，剪切溫度為210℃時橡膠微粉顆粒在瀝青相中溶脹性能優于175℃，這可能是因為高溫增大了橡膠微粉顆粒的溶脹率。圖5中改性劑在瀝青相中形成了網狀結構，導致改性瀝青延度和軟化點提高，并且不降低儲存穩定性，宏觀表現為優良的高溫抗車轍性能和低溫抗開裂能力。

3 結論

由試驗數據分析可知，橡膠微粉改性劑摻量及剪切攪拌溫度對基質瀝青性能改變明顯。

a）添加橡膠微粉改性劑后，三大指標改善，流變特性提高，瀝青膠漿性能改善明顯。

b）高速剪切和高溫攪拌促進了橡膠微粉顆粒的溶脹重組，有利于網狀結構的形成，提高了改性瀝青的儲存穩定性。

c）δ值平臺形成，改性瀝青中聚合物結構發生變化，熒光顯微技術證實改性瀝青膠漿中網狀結構的形成。