納米硫SBS復合改性瀝青試驗研究

李宇軒，趙紅艷，李祖仲，關 羽，劉開平，湯卓群

(長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064)

納米硫SBS復合改性瀝青試驗研究

李宇軒，趙紅艷，李祖仲，關 羽，劉開平，湯卓群

(長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064)

為了研究納米硫對SBS改性瀝青性能的影響，分別使用星型和線型SBS改性劑，在不同的納米硫摻量下制備改性瀝青，分析納米硫摻量對SBS復合改性瀝青基本技術性能、粘溫特性及流變性質的影響。結果表明：摻入納米硫后，SBS改性瀝青的高溫性能提升明顯，當納米硫摻量為0.1%時，線型SBS改性瀝青軟化點可提高13.1%，星型SBS改性瀝青軟化點可提高23.4%；納米硫SBS復合改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度較普通SBS改性瀝青提高5 ℃～10 ℃。

道路工程；SBS改性瀝青；納米硫；粘溫特性

0 引 言

SBS改性劑可以改善瀝青高溫穩定性和低溫抗裂性，綜合提高瀝青各項技術性能，已成為國內外瀝青路面工程中應用最為廣泛的改性劑。SBS改性劑主要通過吸附基質瀝青的輕質組分而溶脹，使體積膨脹至原來的5～10倍，與瀝青組分形成“雙相互穿立體網絡”結構，從而改善瀝青的路用性能。然而，因SBS和瀝青的物化性質存在巨大差異，難以與瀝青完全混溶，其結構穩定性成為影響SBS改性瀝青生產質量的關鍵因素。目前，SBS改性瀝青的穩定劑主要為硫及相關偶聯劑，穩定劑與SBS及瀝青組分的高分子鏈段發生交聯反應，聯結瀝青相與聚合物相，有利于形成更為穩定的改性瀝青膠體結構。為此，本文選用納米硫粉和SBS對瀝青進行復合改性，測試其基本技術性能和流變性質，分析納米硫SBS復合改性瀝青技術性能的影響因素，其中，采用的納米硫顆粒尺寸為10-8～10-9m，巨大的比表面積和表面活性可以增加瀝青內聚力，對于高分子鏈段起到良好的支撐、橋接作用，從而大幅度改善瀝青綜合性能[2-5]；研究納米硫SBS復合改性瀝青的黏溫特性，提出其合理的拌和與碾壓溫度范圍，為納米硫SBS復合改性瀝青工程應用提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

基質瀝青為遼河90#瀝青，其技術指標見表1。SBS改性劑采用國產的線型SBS1301和星型SBS4303兩種改性劑；相容劑為糠醛抽出油，其主要組分為高分子芳香烴。納米硫(S)采用國產的納米硫磺粉體，其技術指標見表2，在掃描電子顯微鏡下的微觀形貌如圖1所示。圖中可見納米硫呈堆垛團聚狀微小顆粒，粒徑大多在幾十納米，少數團聚的可達到幾百納米。納米硫的比表面積大，比表面能高，導致納米硫顆粒易發生團聚，在瀝青改性時應注意分散均勻，充分發揮納米材料的優勢。

表1 基質瀝青技術指標

表2 納米硫技術指標

圖1 納米硫在掃描電子顯微鏡下的微觀形貌

1.2 改性瀝青制備工藝

制備納米硫SBS改性瀝青時，首先將基質瀝青加熱至150 ℃左右，加入5%SBS 改性劑溶脹10 min，然后在170 ℃～180 ℃條件下高速剪切30 min，剪切速率為4 000 r·min-1；隨后按一定比例加入相容劑剪切10 min，接著加入納米硫剪切10 min；最后在160 ℃條件下發育1～1.5 h。

1.3 性能測試方法

為研究納米硫SBS改性瀝青的性能，采用針入度、軟化點、延度和135 ℃黏度試驗測試其基本技術性能；采用動態剪切流變試驗(DSR)測試其高溫流變性質；采用布氏黏度計測定其黏溫特性，綜合分析納米硫對SBS改性瀝青性能的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 基本技術性能

分別以0、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%摻量的納米硫(S)和2種SBS改性劑制備改性瀝青，研究納米硫摻量對SBS改性瀝青的影響，結果見表3。

結果表明，SBS1301和SBS4303兩種改性瀝青的軟化點和黏度均隨納米硫摻量的增加有較大幅度提升。納米硫顆粒既可以使SBS發生硫化反應，又能與瀝青組分發生交聯反應，促使SBS和瀝青組分接枝，形成大分子三維網絡結構[6]。納米硫的加入使SBS改性瀝青的針入度有所降低，但降低幅度不大。

表3 納米硫SBS復合改性瀝青基本技術性能

SBS改性瀝青的延度隨納米硫摻量的增加先減小后增大，尤其對線型SBS1303改性瀝青延度的影響更加明顯。這是因為：納米硫的加入使SBS改性瀝青的黏度大大增加，瀝青內各分子間阻力增大，在延度試驗時形變速率跟不上拉伸速率，使延度在總的趨勢上是降低的；同時，納米硫加入后通過交聯作用形成三維網絡結構使延度有所升高[7-8]。當納米硫摻量較少時，瀝青黏度已經顯著提高，但由于納米硫只能與首先接觸到的少部分SBS改性瀝青反應，形成的三維網絡結構疏密分布不勻，易在拉伸時發生應力集中而斷裂，這時延度明顯下降；當納米硫摻量增加后，可與SBS改性瀝青較為完全地反應，形成相對均勻的三維網絡結構，從而使延度小幅度提高。線型SBS由于自身的結構特點易受納米硫影響而分布不勻，因而延度變化明顯，而星型SBS由于分子量大且有化學交聯，雖然本身延度相對較小，但由于已經形成較好的網絡結構，受納米硫影響較小，因此在摻加納米硫后延度變化不大[9-10]。在135 ℃時，納米硫SBS復合改性瀝青運動黏度均小于3 Pa·s，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)要求。綜合改性后瀝青基本技術性能和材料經濟性，納米硫摻量為0.1%較為合理。

2.2 流變性質

DSR試驗采用Bohlin公司生產的Gemini Ⅱ ADS型動態剪切流變儀，以10 rad·s-1的固定角速度，在不同溫度下對納米硫SBS復合改性瀝青進行動態剪切，使用車轍因子G*/sinδ作為評價指標，試驗結果見表4。

表4 納米硫SBS復合改性瀝青的車轍因子

試驗結果表明，納米硫的加入使SBS改性瀝青的車轍因子有了大幅度提升，但隨著納米硫摻量的增加，SBS改性瀝青的車轍因子呈先增加后減小的趨勢。2種SBS改性瀝青均在納米硫摻量為0.1%時性能達到最佳，表明適量的納米硫可以顯著提高SBS改性瀝青的高溫穩定性。納米硫活性很強，反應后使SBS與瀝青的交聯更加牢固，顯著提高瀝青的內聚力，其次它可以在瀝青體系中起到微細填料的作用，增加瀝青抵抗形變的能力，同時還可以發揮納米級材料的特殊性，可以很好地改善SBS改性瀝青的性能[11-13]。

2.3 黏溫特性

為研究納米硫SBS復合改性瀝青的黏溫特性，確定其合理的拌和與壓實溫度范圍，采用Brookfield V.6.3 RV-Ⅱ+型黏度計，在不同溫度下測定納米硫SBS復合改性瀝青的運動黏度，試驗結果見表5。

表5 納米硫SBS復合改性瀝青黏溫特性

由表5可知，在135 ℃時，納米硫摻量為0.05%、0.1%、0.15%和0.2%時，線型復合SBS改性瀝青較未摻納米硫的SBS改性瀝青的黏度分別增長41.3%、56.4%、72.3%和111.4%，星型復合SBS改性瀝青較未摻納米硫的SBS改性瀝青的黏度分別增長34.7%、52.3%、64.9%和89.7%。這表明在相同溫度下，摻加納米硫后SBS改性瀝青的運動黏度顯著增加。由于星型SBS改性劑分子量大、鏈段長、支鏈多，與瀝青組分交聯程度高于線型結構，所以在相同納米硫摻量下，其黏度要高于線型SBS改性瀝青，但隨納米硫摻量的增加，線性SBS改性瀝青黏度的提升幅度要大于星型SBS改性瀝青。

在最佳摻量(0.1%)時，納米硫SBS復合改性瀝青的黏度隨加熱溫度的上升顯著降低，溫度在135 ℃～165 ℃間每上升10 ℃，2種瀝青黏度平均降幅分別約為37.0%、39.5%，在此區間內，黏度對溫度的變化比較敏感；而在165 ℃～175 ℃，2種瀝青黏度降幅分別約為18.1%、15.2%，降幅明顯減少。由此可以看出，165 ℃為納米硫SBS復合改性瀝青從非牛頓流體向牛頓流體轉變的關鍵溫度。瀝青處于牛頓黏性流體狀態具有良好的潤滑作用，有利于拌和、碾壓施工[14-16]。因此，納米硫SBS復合改性瀝青的初壓溫度應大于165 ℃。改性瀝青的黏度隨著溫度的下降迅速增大，同時礦料顆粒間的摩擦增大，使混合料不易碾壓密實，所以復壓與終壓應緊跟在初壓后[17]。

3 結 語

(1)納米硫反應活性強，可以增強SBS改性劑與瀝青間的交聯，適量的納米硫可以綜合改善SBS改性瀝青的技術性能，尤其可以提高瀝青的高溫穩定性及內黏聚性能，結合材料的經濟性，推薦SBS改性瀝青中納米硫的摻量為0.1%。

(2)當納米硫摻量為0.1%時，對于線型SBS改性瀝青，軟化點可提高13.1%，對于星型SBS改性瀝青，軟化點可提高23.4%；納米硫摻量對改性瀝青針入度值影響不顯著。

(3)根據不同溫度下納米硫SBS復合改性瀝青黏度的變化趨勢，施工時其混合料的拌和溫度和壓實溫度較普通SBS改性瀝青宜提高5 ℃～10 ℃。

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ExperimentalStudyonAsphaltModifiedwithSulfurNanoparticlesandSBS

LI Yu-xuan, ZHAO Hong-yan, LI Zu-zhong, GUAN Yu, LIU Kai-ping, TANG Zhuo-qun

(School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study the effect of sulfur nanoparticles on the performance of SBS modified asphalt, branched and linear SBS modifiers were used to prepare the asphalt with different contents of sulfur nanoparticles. The effects of sulfur nanoparticles content on the fundamental technical properties, viscosity-temperature characteristics and rheological properties of SBS modified asphalt were analyzed. The results show that the high temperature performance of SBS modified asphalt is improved significantly after the incorporation of sulfur nanoparticles. With the sulfur nanoparticles content of 0.1%, the softening point of the linear SBS modified asphalt can be increased by 13.1%, and that of branched SBS modified asphalt can be increased by 23.4%. Asphalt modified with sulfur nanoparticles and SBS improves the mixing and compaction temperature by 5 ℃～10 ℃ comparing to SBS modified asphalt.

road engineering; SBS modified asphalt; sulfur nanoparticle; viscosity-temperature characteristic

U414.7

B

1000-033X(2017)11-0051-04

2017-03-26

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(310821171114)；長安大學大學生創新創業訓練計劃項目(201710710272)

李祖仲(1973-)，男，湖南邵東人，博士，副教授，研究方向為道路材料。

[責任編輯:杜衛華]