POE改性瀝青性能研究

廖建平

【摘 要】如今SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物）改性瀝青的主要不足是SBS裂解老化。主要原因是SBS分子結構中存在不飽和鍵。筆者選擇聚烯烴彈性體（POE），以改善SBS的抗老化性能。

【Abstract】The main deficiency of SBS（styrene - butadiene - styrene tri-block copolymer） modified asphalt now is cracking and aging of SBS.

The main reason is that there are unsaturated bonds in the molecular structure of SBS. Polyolefin elastomer （POE） was selected to improve the

anti-aging properties of SBS.

【關鍵詞】SBS改性瀝青；聚烯烴彈性體；抗老化性能

【Keywords】 SBS modified asphalt； polyolefin elastomer； anti-ageing properties

【中圖分類號】TQ334.2 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）11-0174-02

1 引言

聚合物改性瀝青（PMA）在許多國家得到了廣泛的應用，尤其是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）作為聚合物改性劑。目前，SBS 改性瀝青已被公認是提高瀝青性能的有效途徑[1]。在前人的研究中，老化是影響SBS改性效果最嚴重的問題[2]。

為了解決SBS改性瀝青老化問題，許多研究者通過添加特種改性劑來減緩老化速度。一種有效的物理方法，如添加LDHs防止瀝青被高能紫外線破壞[3]，另一種方法是減少瀝青對于氧的吸收，改進方法是使用納米材料[4]，即碳納米管，納米蒙脫土或納米二氧化硅。然而楊等人研究表明LDHs和瀝青的相容性差，使得改性瀝青儲存穩定性不好。王鵬等人研究表明，納米材料對SBS改性瀝青的抗老化性能有積極的影響。

本文選用POE是不含不飽和鍵的熱塑性彈性體，在高分子材料領域具有很強的抗紫外線能力和低柔韌性。因此，POE被用來改善SBS改性瀝青的抗老化性能。

2 實驗部分

2.1 原材料

本文研究的主要材料來自實驗室，基質瀝青采用齊魯70號直餾瀝青，改性劑采用線性SBS（1301），分子量110000g /mol。POE是美國陶氏公司生產的，型號為8515。POE分子結構是乙烯辛烯共聚物彈性體。因此，該聚合物具有較好的力學性能和耐熱性能。本實驗所有樣品均采用高速剪切乳化機調配。瀝青和改性劑以及復合改性劑共混剪切速度為3000–3500rpm，40分鐘之后低速剪切轉速為2000rpm，溶脹時間為30min，溶脹溫度控制在170-180℃，SBS的含量為3%，糠醛抽出油為3%，穩定劑為0.2%，POE用量為1%～2.5%。

2.2 實驗方法

聚合物改性瀝青的老化分為兩個階段：短期老化和長期老化。瀝青混合料在運輸及鋪設過程中出現短期老化，在自然環境條件下，瀝青路面開放交通后及后期的服役階段都將發生長期老化。目前抗老化性能主要通過瀝青老化前后的針入度比、粘度指數來表征。此外，聚合物改性瀝青的路用性能與瀝青的高溫、低溫蠕變特性密切相關，高溫蠕變特性，采用蠕變恢復試驗（MSCR），使用動態剪切流變儀（DSR）。MSCR的試驗溫度為60℃，主要通過累計應變，回復率（R）和不可恢復的蠕變柔量（Jnr）來表征瀝青的高溫蠕變性能。低溫蠕變特性主要反映改性瀝青的低溫抗裂性能，其主要是通過勁度模量（S）和蠕變速率（m），通過彎曲梁流變儀，熒光顯微鏡下的瀝青結構分析。采用熱鑄法獲得了熒光顯微鏡的瀝青薄膜。將熱瀝青黏結劑澆注到玻片中，加熱160℃使瀝青試樣全部攤開在載玻片上，取出樣品， 將樣品保持器在室溫下過夜，然后進行測試。

3 結果與討論

3.1 POE用量對PMA抗老化性能影響

由于考慮POE摻量對于抗老化性能的影響，本文樣品為：3.0%SBS、4.5%SBS、3.0%SBS+1.0%POE、3.0%SBS+1.5%POE、3.0%SBS+2.0%POE、3.0%SBS、3.0%+2.5%POE。從實驗數據可知，隨著POE摻量的逐漸增大，累計應變逐漸減小，同時在老化前SBS改性瀝青和POE/SBS改性瀝青的累計應變均大于短期老化和長期老化狀態下的累計應變，這表明短期老化后瀝青組分中輕組分相對減少，高溫性能得到了一定程度的改善。但是當POE摻量達到某個數值時，對于累計應變幾乎沒有什么影響。實驗證明，累計應變和滯后彈性以及黏性具有很好的關聯性，即累計應變越小，則瀝青的黏性流動越小。

3.1.1 老化狀態對PMA抗老化性能影響

實驗數據可知0.1kPa和3.2kPa時的回復率R和不可恢復蠕變柔量（Jnr），可以發現在0.1kPa，SBS3.0 % + POE1.5 %的R%最大，SBS4.5 %在短期老化時R%最大，而SBS3.0 % + POE1.5 %和SBS4.5 %在長期老化后R%幾乎是相同的。在3.2kPa，SBS3.0 % + POE1.5 %和SBS4.5% 在老化前相當，但是在長期老化后發現前者要優于后者，即與上述觀點一致。對于Jnr，三個樣品間的差異不大，PAV老化后Jnr最小的都在3.2kPa， 因此在長期老化后加入POE可以提升PMA的高溫抗車轍性能。

3.1.2 老化對聚合物改性瀝青低溫性能的影響

本文通過彎曲梁流變儀（BBR）實驗分析不同老化狀態、不同POE摻量、不同老化時間對于PMA低溫蠕變特性的影響，研究表明較小的勁度模量S和較大的m對應有較好的低溫抗開裂性能。endprint

3.2 POE用量對PMA抗老化性能影響

數據表明 表示低溫蠕變特性，POE用量對于12℃幾乎沒有什么影響，但是在-18 ℃和-24 ℃蠕變勁度模量值有輕微的變化。在-24℃POE摻量在1%時數值最大，-18℃時POE摻量在2%時數值最大，然而POE1%的m值在-18 ℃和-24 C°時相比其他的摻量稍微大點。通常較小的勁度模量S，較大的m值，對于PMA表現出較好的低溫抗開裂性能。此外，1.5%POE+ 3% SBS和SBS4.5 % 在m值上大小幾乎一樣。因此，當PMA中POE摻量大于1.5%時可能不會影響低溫性能，這是由于POE特殊的分子結構導致的。此外，SBS PMA 加入POE1.5% PAV，而且老化后R最大和Jnr最小，突出了更好的抗車轍性能。因此，在SBS PMA最佳POE用量為1.5%。

3.3 老化狀態對PMA抗老化性能影響

不同老化狀態條件下低溫勁度模量S和蠕變速率m變化趨勢如下圖所示。瀝青樣品分別是SBS3.0 %，SBS3.0 % + POE1.5 %和SBS 4.5%。從研究數據結果表明，在不同老化狀態下勁度模量和蠕變速率均是不一樣的。SBS4.5%在三個試樣中S值均是最大的，而加入POE的PMA都顯示出較小的S值，當S值越小，說明柔性越好，從而低溫抗開裂性能越好。主要是因為POE柔性分子鏈的增加。雖然SBS聚丁二烯段是柔性部分，但由于SBS中不飽和鍵易老化。因此，sbs4.5 %表現出較大的勁度模量。POE由柔性分子鏈組成，不含不飽和鍵，因此，POE在老化后具有較小的S。此外，m值在老化后數值大小幾乎一致。總之，長期老化對于有無POE具有很大的影響，相比短期老化，加入1.5%POE后降低了PMA的老化衰減速度，這可以通過微觀熒光顯微鏡觀察得到。

4 結語

如果摻量超過1.5%，POE對于勁度模量S和m值的影響均不顯著。因此，在SBS PMA最佳POE用量為1.5%。此外，POEPMA具有更好的高溫抗車轍和抗裂性能，相比沒有摻入POE的SBS改性瀝青。較好的抗車轍性能的原因主要是由于POE降低了PMA的黏性流動。抗斷裂性能較好的原因是POE的分子結構具有較好柔性段。

聚合物改性瀝青的抗老化性能在長期老化中加入POE與不加POE有很大的影響，但是在短期老化中區別較小。添加1.5% POE降低了老化后的性能衰減。此外，SBS和POE/SBS在短期老化過程中表現出相似的抗老化能力，而POE在長期老化過程中表現出較好的抗老化能力。抗老化性能較好的原因是特殊的分子結構和POE沒有不飽和鍵。

對于老化時間對SBS抗老化性能的影響，隨著老化時間的增加，PMA的累積應變降低，隨著老化時間的增加，POE對于PMA的影響不大。此外，從PAV20h蠕變性能分析表明主要是輕組分損失，PAV20h后老化主要是聚合物的降解。SBS聚合物的彈性要優于POE。然而隨著老化時間的增加POE的抗老化性能要明顯優于SBS。因此，POE對改善SBS抗老化性能起到了積極作用。然而，今后要做更多的工作，以了解POE對不同老化過程中SBS的形態和化學成分的影響。總之，本文的工作將為改善聚合物改性瀝青黏合劑的抗老化性能提供新的材料。

【參考文獻】

【1】Polacco G， Filippi S， Merusi F， et al. A review of the fundamentals of polymer-modified asphalts： Asphalt/polymer interactions and principles of compatibility[J]. Advances in Colloid and Interface Science. 2015， 224： 72-112.

【2】Dessouky S， Contreras D， Sanchez J， et al. Influence of hindered phenol additives on the rheology of aged polymer-modified bitumen[J]. Construction and Building Materials. 2013， 38： 214-223.

【3】Xu S， Yu J， Wu W， et al. Synthesis and characterization of layered double hydroxides intercalated by UV absorbents and their application in improving UV aging resistance of bitumen[J]. Applied Clay Science. 2015， 14： 112-119.

【4】Yang J， Tighe S. A Review of Advances of Nanotechnology in Asphalt Mixtures[J]. Procedia - Social and Behavioral Sciences. 2013， 96： 1269-1276.endprint