復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)研究

馬朝鮮

摘要：通過(guò)分析聚合物改性瀝青的機(jī)理，比較了復(fù)合改性橡膠瀝青和普通橡膠改性瀝青的主要指標(biāo)，并研究了SBS摻量對(duì)橡膠瀝青的影響，結(jié)果表明：加入SBS可以顯著地改善橡膠瀝青的感溫性，提高延度指標(biāo)，改善低溫性能；同時(shí)建議復(fù)合改性橡膠瀝青中SBS改性劑摻量為2%，橡膠粉摻量為20%。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青；復(fù)合改性；SBS摻量；感溫性

中圖分類號(hào)：U414.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Through analysis of the mechanism of polymer modified asphalt， the main indicators of composite rubber modified asphalt and ordinary rubber modified asphalt were compared， and the impact of SBS content on rubber asphalt was studied. The results show that adding SBS can significantly improve the temperature sensitivity， ductility index and low temperature performance of rubber asphalt. Meanwhile， a mixing amount of 2% of SBS modifier and 20% of rubber powder is also recommended.

Key words： rubber asphalt； compound modification； SBS content； temperature sensitivity

0 引 言

隨著公路建設(shè)的迅速發(fā)展，聚合物改性瀝青在路面鋪設(shè)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，中國(guó)高速公路及省會(huì)城市公路建設(shè)中有超過(guò)90%的鋪裝路面使用SBS改性瀝青，并取得了較好的路用效果，不過(guò)，其較高的成本也限制了它的使用推廣。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外普遍采用廢舊輪胎制成的橡膠粉作為瀝青的改性材料，不僅價(jià)格低廉，而且能取得良好的改性效果，“變廢為寶”，同時(shí)消除“黑色污染”。利用橡膠粉對(duì)瀝青進(jìn)行改性，可顯著增大瀝青的粘度，降低瀝青的針入度，提高延度和軟化點(diǎn)，改善高溫性能；而熱塑性彈性體苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物SBS，由于自身具有塑性段和橡膠段，不同于常規(guī)的硫化橡膠，它可以提高瀝青的軟化點(diǎn)，并使瀝青在低于脆點(diǎn)溫度時(shí)仍具有柔性，保持了瀝青的韌性，改善低溫性能的效果明顯[1]。綜上分析，SBS改性瀝青在低溫與高溫性能方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)，而橡膠瀝青在耐久性和環(huán)保方面也有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年復(fù)合改性瀝青技術(shù)得到了人們的關(guān)注，利用不同改性劑對(duì)瀝青高低溫性能的不同改性效果進(jìn)行復(fù)合，充分發(fā)揮各改性劑之間的優(yōu)勢(shì)，相互促進(jìn)和補(bǔ)充，以改善普通瀝青的高低溫性能。基于此，本文開(kāi)展了對(duì)復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)的研究。

1 改性機(jī)理分析

關(guān)于聚合物改性瀝青的改性機(jī)理目前沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但主要存在以下三種觀點(diǎn)。

1.1 相容性

聚合物改性瀝青是由聚合物和瀝青組成的兩相共混物，按照相的連續(xù)性可以分成3種基本類型：瀝青相為連續(xù)相、聚合物相為分散相的單項(xiàng)連續(xù)結(jié)構(gòu)；聚合物相為連續(xù)相、瀝青相為分散相的單項(xiàng)連續(xù)結(jié)構(gòu)；兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)或兩相互鎖結(jié)構(gòu)，即瀝青相和聚合物相都是連續(xù)的。

Sam Maccarrone認(rèn)為聚合物在瀝青—聚合物體系中的理想狀態(tài)是細(xì)分布而不是相溶。解釋這一現(xiàn)象有兩種理論。第一種，當(dāng)聚合物加入瀝青中，根據(jù)能量最低原理，體系有自動(dòng)降低表面能的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)是通過(guò)縮小表面積或者吸附某些結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)來(lái)降低表面能。因?yàn)榉稚⑾嗟木酆衔锪Ｗ恿６刃。砻婺芰看螅晌綖r青中結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)，所以能降低表面能的組分會(huì)吸附在聚合物表面上形成一種界面吸附層，以降低表面能。第二種，以材料溶解度參數(shù)作為評(píng)價(jià)相容性好壞的定量指標(biāo)。根據(jù)相似相容法則，兩種物質(zhì)的極性越接近，它們的溶解度參數(shù)差就越小，則越容易互相混溶[2]。

1.2 溶脹

對(duì)聚合物在瀝青中的溶脹行為的研究表明，聚合物在加入瀝青后，一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在瀝青輕質(zhì)組分作用下，聚合物體積會(huì)膨脹，即發(fā)生溶脹。為保證各自的穩(wěn)定性，聚合物吸收瀝青中的油分，體積膨脹到原體積的5～10倍；瀝青中輕質(zhì)組分在化學(xué)位驅(qū)動(dòng)下向高分子聚合物中滲透，聚合物有限地吸收部分芳香酚、飽和酚和蠟，發(fā)生溶脹而不是溶解。瀝青本身是處于平衡狀態(tài)的膠體結(jié)構(gòu)，聚合物吸收了瀝青中的芳香酚或飽和酚（或二者兼有）必然會(huì)破壞這一平衡狀態(tài)，從而形成瀝青膠團(tuán)和聚合物爭(zhēng)奪輕質(zhì)組分的局面，最終達(dá)到一種新的平衡體系即新瀝青膠體結(jié)構(gòu)的平衡和聚合物的溶脹平衡。

1.3 臨界摻量

聚合物在瀝青中的摻量存在一個(gè)臨界值，美國(guó)科學(xué)家Collins稱之為臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)達(dá)到臨界摻量時(shí)，聚合物形成一種穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)超過(guò)此值時(shí)，改性體系發(fā)生相變，聚合物由非連續(xù)相轉(zhuǎn)化為連續(xù)相，瀝青由連續(xù)相轉(zhuǎn)化為非連續(xù)相。

1.4 復(fù)合改性機(jī)理

本研究將橡膠粉改性和SBS改性進(jìn)行復(fù)合，利用兩種改性劑各自的優(yōu)勢(shì)，互相協(xié)同和補(bǔ)充，獲取高低溫性能都得到改善的改性瀝青。

根據(jù)橡膠粉改性機(jī)理與聚合物改性機(jī)理分析，在復(fù)合改性體系中，這兩種機(jī)理會(huì)相互協(xié)同作用。膠粉和聚合物在加入瀝青后，同時(shí)發(fā)生溶脹作用和相溶作用；膠粉和聚合物吸收瀝青中的油分，體積膨脹，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大了瀝青的粘度，也改善了其低溫性能。

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果討論

2.1 原材料

2.1.1 基質(zhì)瀝青endprint

基質(zhì)瀝青是由多種復(fù)雜的碳?xì)浠衔锖瓦@些碳?xì)浠衔锏姆墙饘傺苌锝M成的混合物。瀝青按4組分法包括瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和酚和芳香酚。

基質(zhì)瀝青的性能直接影響復(fù)合改性橡膠瀝青的性能，本研究采用SK90#基質(zhì)瀝青作為復(fù)合改性對(duì)象。

2.1.2 橡膠粉

橡膠粉的主要化學(xué)成分是天然橡膠和合成橡膠（如丁苯橡膠、順丁橡膠），還有硫、碳黑、氧化硅、氧化鐵、氧化鈣等添加劑，這些成分都是良好的瀝青改性劑。

2.1.3 SBS

如圖1所示，SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，分為線型和星型兩種結(jié)構(gòu)。SBS分子鏈上S段→聚苯乙烯→硬相→分散相→島相，起約束軟段的硫化點(diǎn)作用；SBS分子鏈上B段→聚丁二烯→軟相→連續(xù)相→海相。在聚集狀態(tài)下，聚丁二烯鏈段形成連續(xù)橡膠相，而聚苯乙烯鏈段分散在連續(xù)橡膠相中形成塑料微相區(qū)。因?yàn)閮煞N鏈段間以未硫化的化學(xué)鍵相連，故在一定溫度范圍內(nèi)聚苯乙烯微相區(qū)對(duì)聚丁二烯鏈段起交聯(lián)作用。當(dāng)溫度高于聚苯乙烯Tg（100 ℃）時(shí)，S段解開(kāi)，交聯(lián)鍵打開(kāi)，SBS表現(xiàn)為塑性；當(dāng)溫度低于聚苯乙烯Tg（100 ℃）時(shí)，物理交聯(lián)鍵又重新生成，表現(xiàn)出硫化膠綜合性能，不再起硫化點(diǎn)的約束作用。因此，可知SBS具有化學(xué)或物理交聯(lián)性質(zhì)的可逆性 。

2.2 制備工藝

采用20%外摻膠粉，復(fù)合外摻SBS，制備復(fù)合改性橡膠瀝青。工藝為：先將基質(zhì)瀝青緩慢加熱至150 ℃左右，然后將稱好的SBS和橡膠粉混合物緩慢加入瀝青液中，使用轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1的高速剪切機(jī)，充分混合2 h后停止剪切。復(fù)合改性橡膠瀝青必須采用剪切工藝，是因?yàn)镾BS難以通過(guò)攪拌熔融到基質(zhì)瀝青中。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用20%外摻橡膠粉，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。分別添加05%、1%、15%、2%的SBS進(jìn)行復(fù)合改性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由于采用剪切工藝，因此20%外摻膠粉橡膠瀝青的指標(biāo)與前述熱熔法有差異。

（1） 針入度。隨SBS摻量增大，針入度呈現(xiàn)逐步降低且趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，這表明，SBS對(duì)橡膠瀝青的感溫性改善是有利的，并且隨著摻量的增加，其感溫性改善明顯，如圖2所示。

（2） 軟化點(diǎn)。SBS對(duì)橡膠瀝青的高溫性能改善非常顯著，隨著摻量的增加，復(fù)合改性橡膠瀝青的軟化點(diǎn)顯著增大，如圖3所示。因此，為了改善橡膠瀝青的高溫性能，最常用的做法就是摻加SBS。

（3） 延度。隨著SBS摻量的增加，復(fù)合改性橡膠瀝青的低溫性能明顯改善。普通橡膠瀝青的低溫延度較低，常不能滿足規(guī)范要求，而在SBS摻加量達(dá)到1%后，復(fù)合改性橡膠瀝青的低溫延度就可達(dá)到8 cm以上，摻加量達(dá)到2%時(shí)，延度可達(dá)到10 cm以上，如圖4所示。

（4） 彈性恢復(fù)。與不摻加SBS相比，摻加SBS初期對(duì)彈性恢復(fù)并無(wú)明顯改善，但隨著SBS摻量的增加，復(fù)合改性橡膠瀝青的彈性恢復(fù)逐漸增大，如圖5所示。

（5） 180 ℃旋轉(zhuǎn)粘度。雖然隨著SBS摻量的增大，復(fù)合改性橡膠瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)粘度逐漸增大。從0%的摻量一直增加到2%，其粘度從09 Pa·s增長(zhǎng)到135 Pa·s，但粘度值增長(zhǎng)幅度有限，整體值仍偏低，如圖6所示。可見(jiàn)，添加SBS對(duì)橡膠瀝青的粘度改善并不顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1） 加入SBS可以顯著改善橡膠瀝青的感溫性，提高延度指標(biāo)，改善低溫性能。

（2） 復(fù)合改性橡膠瀝青在軟化點(diǎn)指標(biāo)上高于普通橡膠瀝青，能達(dá)到比普通橡膠瀝青更好的高溫性能。

（3） 從粘度指標(biāo)看，影響粘度最關(guān)鍵的因素是膠粉摻量，復(fù)合改性橡膠瀝青粘度值偏低，可通過(guò)增加膠粉摻量提高粘度。

（4） 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，建議復(fù)合改性橡膠瀝青中的橡膠粉摻量為20%，SBS改性劑摻量為2%。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint