不同支鏈的聚烯烴對SBS改性瀝青低溫及微觀特性影響*

周 昆 劉西胤 王鑫洋 任瑞波

(山東高速集團有限公司建設管理公司1) 濟南 250101) (山東建筑大學交通工程學院2) 濟南 250101)(山東高速工程檢測有限公司3) 濟南 250002)

0 引 言

低溫開裂是現階段瀝青路面主要病害之一[1].由于普通基質瀝青的抗病害能力較差，改性成為主要手段.在瀝青改性領域，聚合物改性占據比例較大，且達到共識是聚合物的分子結構與低溫柔性密切相關，根據自由體積理論，在材料自由體積相等的條件下，分子的支鏈結構越多，材料的低溫變形能力相對較大.鑒于此，本文選擇不同支鏈的聚合物，探討其對改性瀝青低溫性能的影響.

曹麗萍等[2]通過動態剪切流變儀(DSR)對SBS改性劑結構類型、摻量進行試驗分析，得出改性劑的結構對于SBS改性瀝青的低溫性能影響較小，主要是改性劑的摻量對瀝青低溫性能影響較大.王立志等[3]通過低溫彎曲梁流變儀(BBR)對不同原油、不同改性劑的改性瀝青進行試驗，利用Sigmoid材料的粘彈模型得出瀝青低溫勁度模量主曲線，通過Origin數據處理軟件對低溫勁度模量主曲線和減縮時間所包圍的面積進行，結果表明低溫勁度模量主曲線包圍的面積相比5℃低溫延度、弗拉斯脆點等可以更加定量的判斷瀝青的低溫抗開裂性能.劉紅瑛等[4]通過在SBS改性瀝青中加入PPA(多聚磷酸)可以在一定程度上改善瀝青的低溫性能及抗老化性能.黃衛東等[5]在PPA復合改性瀝青中加入一定的膠粉可以有效的改善PPA復合改性瀝青的低溫性能.上述研究表明單純的延度試驗不能有效的辨別改性瀝青的低溫柔性，而基于BBR的勁度模量主曲線則能有效的表征寬溫域、寬頻域范圍內改性瀝青的抗開裂能力，因此，本文選擇BBR，借助勁度模量主曲線來分析不同高聚物改性瀝青的低溫柔性.

本文針對長支鏈烯烴類聚合物Polymer-A和短支鏈烯烴類聚合物Polymer-B，分析其對SBS改性瀝青低溫流變性能及抗老化性能的影響，通過低溫彎曲梁流變儀(BBR)試驗、紅外光譜試驗、原子力顯微鏡試驗探究SBS改性瀝青的低溫勁度模量、紅外光譜圖及瀝青形貌變化特征，分析改性劑的微觀特性對改性瀝青宏觀低溫性能的影響.

1 原材料與試驗方案

1.1 試驗材料

本文基質瀝青為齊魯70#，其技術指標見表1，其指標滿足文獻[6]相關要求.Polymer-A和Polymer-B(Polymer-B以其特殊的分子結構，在力學性能、流變性能、抗紫外線性能和耐老化性能都占據優勢)均是采用工業化生產的高分子聚合物，改性劑采用岳陽石化生產的線形SBS791-H，分子量為120 kg/mol，苯乙烯與丁二烯的嵌段比為3∶7.

表1 齊魯70#基質瀝青性能指標

1.2 制備方法

首先制備SBS改性瀝青，將基質瀝青加熱到135～145 ℃，加入相容劑，將SBS緩慢的加入瀝青中，溶脹15 min，待溫度到達175～180 ℃，將剪切機轉速調制3 500 r/min，剪切30 min左右，加入高分子Polymer-A(轉速調制4 000 r/min)，再剪切30 min左右，加入一定量的交聯劑硫磺，低速攪拌30～40 min，Polymer-A復合改性瀝青制備完成.

SBS改性瀝青的制備方法同上述陳述一致，只是待SBS改性瀝青制備完成時，將溫度調整到180～185 ℃時加入一定摻量的改性劑Polymer-B，攪拌40 min以上(2 000 r/min)，加入一定量的交聯劑硫磺，在175～180 ℃下攪拌30～40 min，Polymer-B復合改性瀝青樣品制備完成.

1.3 試驗方法

本文采用低溫彎曲梁流變儀試驗(BBR)，參照文獻[7]，分別對不同的復合改性瀝青低溫下的流變特性，對PAV后的瀝青在-12,-18和-24 ℃溫度下，利用廣義Maxwell流變模型對SBS改性瀝青、Polymer-A復合改性瀝青和Polymer-B復合改性瀝青低溫勁度模量主曲線進行擬合，并求得低溫勁度模量主曲線的面積大??；并通過原子力顯微鏡試驗、紅外顯微鏡試驗對Polymer-A，Polymer-B復合改性瀝青形貌和官能團進行分析，從而研究不同復合改性瀝青的官能團組成及微觀形態特性.

2 結果與討論

2.1 PAV后的不同瀝青的BBR試驗分析

按照SHRP試驗要求，對長期老化(PAV)后的瀝青膠結料進行低溫彎曲梁試驗，試驗數據見表2～3.

表2 Polymer -A復合改性瀝青BBR試驗數據

由表2可知，隨著Polymer-A摻量的增加，低溫勁度模量S呈現出先減小后增大的趨勢(摻量在1.5%時S值最小)，但是在數值上呈現出減小的趨勢，說明一定量Polymer-A的摻入可以有效地改善瀝青的低溫抗裂性能，即說明Polymer-A的加入減緩了SBS改性劑的降解，Polymer-A復合改性瀝青的耐老化性能較好.同時發現隨著試驗溫度的降低，低溫勁度模量逐漸增大，說明隨著溫度的降低，瀝青的應力松弛性能降低，使得瀝青的低溫抗開裂性能下降.

表3 Polymer -B復合改性瀝青BBR試驗數據

由表3可知，隨著Polymer-B的加入，SBS改性瀝青的低溫勁度模量逐漸減小，并且在摻量為4%時S值達到最小，說明當Polymer-B摻量為4%時，瀝青的應力松弛性能最好，當Polymer-B摻量大于4%時S值就呈現增大的趨勢，低溫性能變差.可能是由于Polymer-B摻量過于飽和時，不能夠很好的與SBS改性瀝青更好的形成網絡三維結構，從而使得瀝青膠結料的抗裂性能降低.

由表2～3可知，在SBS改性瀝青中加入一定量的聚合物對于改性瀝青的應變速率相比SBS改性瀝青在數值上都呈現減小的趨勢，說明Polymer-A，Polymer-B復合改性瀝青對于應力的消散能力不是很好.此外，在相同溫度條件下，Polymer-B復合改性瀝青的勁度模量S值都要小于Polymer-A復合改性瀝青，說明不同聚合物的支鏈的類型對于SBS改性瀝青的抗老化性能具有一定的影響，支鏈越長效果越明顯，但是相應的蠕變速率在數值上就要明顯小于Polymer-A復合改性瀝青.

2.2 復合改性瀝青的紅外光譜試驗

為研究不同聚合物對SBS改性耐老化性能的影響，采用波峰的相對吸收強度和官能團的增加或減少來準確的反應瀝青的老化過程，從而更加直接的評價不同復合改性瀝青的抗老化特性.本試驗采用的是型號為TENSOII的傅里葉變化紅外光譜儀，分辨率為4 cm-1，試驗測試光譜在400～4 000 cm-1，試驗數據見圖1.

圖1 不同復合改性瀝青紅外光譜圖

2.3 復合改性瀝青的原子力顯微鏡試驗

對不同摻量的Polymer-A，Polymer-B復合改性瀝青進行原子力顯微鏡試驗，通過NanoScope Analysis軟件得出算術均方根Ra和高度均方根Rq，數據見表4.

表4 復合改性瀝青粗糙度試驗數據

由表4可知，隨著改性劑Polymer-A、Polymer-B摻量的增加，瀝青表面的粗糙度指標算術均方根Ra和高度均方根Rq都是逐漸增大.說明改性劑的加入在一定程度上改變了SBS改性瀝青表面的平整度，即導致“波峰”與“波谷”的高度差增大.從宏觀性能上說明Polymer-A,Polymer-B的加入在一定程度上改善了瀝青的抗老化性能，并且Polymer-A改性劑對于SBS改性瀝青的抗老化效果要優于Polymer-B對于SBS改性瀝青的效果.在一定程度上表明，老化后聚合物對于SBS改性瀝青的降解起到一定的緩解作用.但是從粗糙度的大小上無法判斷改性劑的最佳摻量.

3 結 論

2) 通過紅外光譜試驗發現長支鏈烯烴類聚合物的加入對于SBS改性瀝青官能團無明顯影響，只是隨著摻量的變化吸收峰的強度有所改變；但是短支鏈烯烴類聚合物的加入可以發現，SBS改性瀝青的特征吸收峰強度略微增加，并且伴隨著新官能團的出現，特別是在3 300,1 600和1 536 cm-1處吸收峰相比SBS改性瀝青較為明顯，且隨著短支鏈烯烴類聚合物摻量的增加吸收峰強度逐漸增大.

3) 通過原子力顯微鏡試驗發現隨著聚合物摻量的增加，瀝青表面的粗糙度指標算術均方根Ra和高度均方根Rq逐漸增大，瀝青低溫抗變形能力越強；長支鏈烯烴類聚合物改性劑對于SBS改性瀝青的抗老化效果要優于短支鏈烯烴類聚合物，即聚合物的支鏈越長，對SBS改性瀝青的抗老化性能改善越明顯.