廢膠粉-SBS復合改性瀝青研究進展

張 濤

（山西交科公路勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在國家“交通強國”戰(zhàn)略的指引下，依靠科技創(chuàng)新和技術進步，我國的道路基礎建設正在向綠色、耐久的方向快速發(fā)展[1]。隨著國家大力推進固體廢棄物綜合利用，膠粉改性瀝青進一步廣泛應用于道路建設。膠粉改性瀝青在工程應用過程中出現(xiàn)不少問題，如黏度大、易離析、施工和易性差、低溫性能無法達到預期效果等。而將膠粉與SBS 進行復配，可以得到高性能的廢膠粉-SBS 復合改性瀝青。廢膠粉-SBS 復合改性瀝青在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，提高了路用性能，有助于持續(xù)性地推進生態(tài)友好、集約高效的高質量交通建設。

目前，廢膠粉-SBS 復合改性瀝青的研究主要集中在以下方面：改性材料篩選、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、作用機理探索及性能研究等。張紅兵[2]針對SBS-橡膠粉復合改性過程中使用的原材料進行優(yōu)選，包括基質瀝青、SBS、膠粉、改性劑，確定了原材料合理組成范圍。尹業(yè)豪[3]采用不同工藝參數(shù)制備復合改性瀝青，通過對高溫性能、低溫性能和相容性等進行評價，確定制備工藝。劉勇[4]通過微觀手段對復合改性瀝青改性機理進行研究，膠粉在改性過程中發(fā)生溶脹，由顆粒變成網(wǎng)狀，并有化學鍵打開，瀝青與膠粉發(fā)生了接枝反應。

國內(nèi)外關于廢膠粉-SBS 復合改性瀝青研究成果尚缺乏系統(tǒng)梳理，因此，本文對廢膠粉-SBS 復合改性瀝青的研究進展進行梳理與總結，對復合改性瀝青改性材料、制備工藝、作用機理進行詳細闡述，以期為復合改性瀝青性能深入研究與應用提供依據(jù)。

1 廢膠粉-SBS復合改性瀝青改性材料

廢膠粉-SBS 復合改性瀝青改性材料主要包括膠粉、SBS 和改性劑等，改性材料會對復合改性瀝青的性能產(chǎn)生顯著影響。

1.1 膠粉

膠粉的種類、細度及處理工藝等均會影響與瀝青的反應，進而對復合改性瀝青性能產(chǎn)生影響。

1.1.1 膠粉種類

制備廢膠粉-SBS 復合改性瀝青的膠粉可分為廢輪胎胎面膠粉（A 級）、大貨車斜交胎整胎膠粉（B 級）、轎車子午胎整胎膠粉（C 級）。由于輪胎胎面和貨車輪胎中天然橡膠的含量較高，更易吸附瀝青油分而形成連續(xù)的網(wǎng)格結構，A 級膠粉和B 級膠粉性能明顯優(yōu)于C級膠粉，從而獲得更好的改性性能[5]，宜采用天然橡膠含量較高的膠粉。

張紅兵研究表明，A 級膠粉與SBS 制備的復合改性瀝青，高低溫性能得到更好改善，建議在工程中使用C級及以上級別的膠粉。廢舊卡車輪胎膠粉和廢舊轎車輪胎膠粉，前者天然橡膠占比高，與瀝青相容性良好，后者則由于含較多丁苯橡膠、纖維而相容性較差，采用貨車輪胎膠粉（B 級）制備的復合改性瀝青，其在低溫性能與施工和易性等方面具備優(yōu)勢。

1.1.2 膠粉細度

膠粉對復合改性瀝青性能的影響體現(xiàn)在溶脹反應，目數(shù)大的膠粉更易吸收輕質組分溶脹。復合改性瀝青采用的膠粉細度一般在20～80 目，就提升復合改性瀝青性能而言，優(yōu)選80 目膠粉，工程中大規(guī)模生產(chǎn)則推薦使用40～60 目。膠粉目數(shù)越大，與瀝青相容性越好，低溫抗裂性與儲存穩(wěn)定性越好，但高溫性能和抗疲勞性能會降低[6]。膠粉過細會增加成本，且易團聚，在瀝青中分散性不好，影響溶脹反應。

1.1.3 膠粉處理工藝

膠粉摻量較大時，與瀝青相容性差，復合改性瀝青黏度大、施工和易性差、易離析，因此，對膠粉進行處理，改善其相容性非常必要。

對膠粉的處理主要是脫硫活化，將橡膠分子鏈中的部分硫鍵破壞，打開膠體的三維網(wǎng)狀結構，提高天然橡膠含量，可以采用物理、化學和生物的方法進行脫硫。物理脫硫主要是采用微波、超聲波、遠紅外等手段破壞橡膠網(wǎng)格結構。生物脫硫是通過微生物對橡膠進行分解降解，破壞網(wǎng)格結構[7]，生物法尚處于研究階段，并未推廣應用。近年來，國外對螺桿擠出機制備脫硫膠粉的工藝方法進行了系統(tǒng)深入研究，開發(fā)了成熟的工藝方法，脫硫效果好，易實現(xiàn)工藝化，具有研究和推廣價值[8]。

1.2 SBS

SBS 是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，可在瀝青中形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構，改善復合改性瀝青性能。目前主要是按照分子間結合方式及分子量進行分類，即星型、線型兩大類。線型SBS 相對分子量低、易吸油溶脹、與瀝青相容性好，復合改性瀝青黏度小、低溫性能及儲存穩(wěn)定性較好[9]；星型SBS 分子量高、模量大，復合改性瀝青高溫性能好，但與瀝青相容性差、黏度大[10]。

1.3 改性劑

在制備復合改性瀝青時加入改性劑可提高儲存穩(wěn)定性。例如，加入相容劑能促進膠粉、SBS、瀝青相容性，減少離析現(xiàn)象的發(fā)生，改善其低溫性能，相容劑多為輕組分芳烴油類，如橡膠油、生物質油等；加入穩(wěn)定劑可使瀝青發(fā)生硫化反應、接枝物化，聚合物與基質瀝青間形成相界面吸附層，并形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡結構，從而提高復合改性瀝青穩(wěn)定性[11]。改性劑摻量需控制在合理范圍內(nèi)，摻量過高反而降低改性效果，且會增加成本。

2 廢膠粉-SBS復合改性瀝青制備工藝

目前，制備復合改性瀝青主要采用高速剪切法，即在高溫下，將一定量膠粉、SBS 和改性劑加入瀝青中，經(jīng)過攪拌、剪切、發(fā)育，得到復合改性瀝青。在此過程中，膠粉和SBS 在瀝青中發(fā)生溶脹，形成網(wǎng)狀結構。

2.1 廢膠粉與SBS摻量

當SBS 定量時，隨著膠粉摻量增加，復合改性瀝青黏度、軟化點會提高，而針入度降低；當膠粉定量時，隨著SBS 摻量增加，復合改性瀝青黏度、軟化點、延度會提高，針入度降低[12]。目前的研究與應用顯示，SBS 摻量一般在1%～5%，推薦使用2%～3%[13]；膠粉摻量范圍波動較大，最高可超過40%[14]。

2.2 制備溫度

在生產(chǎn)過程中，隨著制備溫度升高，復合改性瀝青呈現(xiàn)出軟化點、延度、彈性恢復性能先增加后減小的趨勢。復合改性瀝青的制備溫度一般采用175～180 ℃，此時，膠粉吸收瀝青輕質組分，與SBS 在瀝青中形成網(wǎng)狀結構，儲存穩(wěn)定較好；溫度過低，膠粉尚在溶脹，分子鍵未打開，沒有與SBS 共同形成網(wǎng)狀結構，復合改性瀝青的儲存穩(wěn)定性較差、延度較低；溫度過高，膠粉過度脫硫，形成的網(wǎng)狀結構反而被破壞，復合改性瀝青雖具備較好的低溫性能，但軟化點和高溫性能均降低。

2.3 剪切速度

隨剪切速度提升，膠粉與SBS 顆粒越小，與瀝青相容性越好，溶脹越充分，對提升復合改性瀝青的高溫性能、低溫性能和儲存穩(wěn)定性有利，一般建議采用剪切速度不低于4 000 r/min。

3 廢膠粉-SBS復合改性瀝青改性機理

分析瀝青機理的微觀方法包括紅外光譜法、熒光顯微鏡法、差示量熱掃描法（DSC）、熱重分析法（TG）等。

3.1 紅外光譜分析

曹昊楠[14]對比了基質瀝青、SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青與復合改性瀝青的紅外譜圖，4 種瀝青的吸收峰基本相同，但在指紋區(qū)略有差異，SBS 改性瀝青和復合改性瀝青在965 cm-1和698 cm-1處有明顯的吸收峰，基質瀝青此處無吸收峰，兩處峰是SBS 中聚丁二烯雙鍵和聚苯乙烯苯環(huán)特征峰，因此，SBS 改性瀝青與復合改性瀝青存在此特征峰。由此可見，復合改性瀝青的改性過程為物理改性。

3.2 熒光顯微鏡分析

賈彥[15]研究顯示，基質瀝青的熒光顯微圖像為連續(xù)相，SBS 改性瀝青中，SBS 以微小顆粒形態(tài)分布在瀝青中，而膠粉改性瀝青中，膠粉以絮狀形態(tài)分布于瀝青中，復合改性瀝青的圖像包含了膠粉和SBS 的基本特征，兩種改性劑在瀝青中溶脹，SBS 顆粒與膠粉交聯(lián)在一起，耦合形成網(wǎng)狀結構，且二者在溶脹過程中相互促進，使其性能優(yōu)于單一改性瀝青。

3.3 DSC分析

靳可[16]研究表明，復合改性瀝青的玻璃化轉變溫度低于基質瀝青和SBS 改性瀝青，其吸熱峰面積也是最小，說明復合改性瀝青的低溫性能最優(yōu)，且熱穩(wěn)定性最好。

通過微觀方法研究可知，復合改性以溶脹+脫硫+交聯(lián)為機理，提升使用性能。膠粉與SBS 吸收瀝青輕質組分溶脹、脫硫后，與瀝青發(fā)生接枝反應，交聯(lián)成網(wǎng)狀更加穩(wěn)定，此過程主要為物理作用。

4 廢膠粉-SBS復合改性瀝青性能分析

根據(jù)《路用廢胎膠粉橡膠瀝青》（JT/T 798—2019）技術要求，對基質瀝青、SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青和復合改性瀝青的針入度、25 ℃軟化點、5 ℃延度、135 ℃旋轉黏度、離析軟化點差、彈性恢復等性能進行對比分析。

經(jīng)過改性后，改性瀝青的針入度顯著降低，尤其是膠粉改性瀝青在四者中下降幅度最大，SBS 改性瀝青和復合改性瀝青針入度相差不大。與基質瀝青相比，復合改性瀝青的軟化點提升最為顯著，增幅將近50%，其次是SBS 改性瀝青，膠粉改性瀝青增幅最小。基質瀝青5 ℃延度最低，膠粉改性瀝青略有增高，SBS 改性瀝青和復合改性瀝青延度則大幅度提升。在彈性恢復和離析軟化點差方面，SBS 改性瀝青表現(xiàn)出絕對優(yōu)勢，復合改性瀝青略差于SBS 改性瀝青，膠粉改性瀝青彈性恢復性能最差，且存儲穩(wěn)定性不好。黏度方面，相對于基質瀝青，3 種改性瀝青黏度均大幅度提升，尤其是膠粉改性瀝青黏度最大，其次是復合改性瀝青、SBS 改性瀝青。

SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青和復合改性瀝青相對于基質瀝青，性能均有不同幅度提高，膠粉和SBS 在基質瀝青中形成的三維網(wǎng)狀結構使復合改性瀝青集合了SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青的部分特點。

5 結語

a）復合改性瀝青改性材料主要包括膠粉、SBS 和改性劑等，改性材料會對復合改性瀝青的性能產(chǎn)生顯著影響，采用40～60 目C 級以上膠粉，膠粉脫硫后與瀝青相容性會提高，推薦使用線型SBS，合理控制改性劑摻量。

b）制備復合改性瀝青主要采用高速剪切法，在制備過程中需選擇合適摻量的廢膠粉與SBS，同時制備溫度、剪切速度等工藝參數(shù)會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生一定影響，建議制備溫度在175～180 ℃、剪切速度不低于4 000 r/min。

c）膠粉與SBS 在瀝青中進行溶脹、脫硫、交聯(lián)后，形成三維網(wǎng)狀結構，提高穩(wěn)定性，此過程以物理作用為主。

d）復合改性瀝青集合了SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青的部分性能優(yōu)勢，相對于基質瀝青性能有大幅度提升。

e）我國在廢膠粉-SBS 復合改性瀝青的理論、技術和應用方面均取得很大研究進展，需進一步探索生產(chǎn)與施工工藝，優(yōu)化存儲穩(wěn)定性和各方面性能，規(guī)范復合改性瀝青的生產(chǎn)。