復合改性橡膠瀝青應用技術研究

馬朝鮮

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

關鍵詞：橡膠瀝青；復合改性；SBS摻量；感溫性

中圖分類號：U414.03 文獻標志碼：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

隨著公路建設的迅速發展，聚合物改性瀝青在路面鋪設方面發揮著越來越重要的作用。目前，中國高速公路及省會城市公路建設中有超過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，其較高的成本也限制了它的使用推廣。

近年來國內外普遍采用廢舊輪胎制成的橡膠粉作為瀝青的改性材料，不僅價格低廉，而且能取得良好的改性效果，“變廢為寶”，同時消除“黑色污染”。利用橡膠粉對瀝青進行改性，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，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，不同于常規的硫化橡膠，它可以提高瀝青的軟化點，并使瀝青在低于脆點溫度時仍具有柔性，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勢，而橡膠瀝青在耐久性和環保方面也有無可比擬的優點，因此近幾年復合改性瀝青技術得到了人們的關注，利用不同改性劑對瀝青高低溫性能的不同改性效果進行復合，充分發揮各改性劑之間的優勢，相互促進和補充，以改善普通瀝青的高低溫性能。基于此，本文開展了對復合改性橡膠瀝青應用技術的研究。

1 改性機理分析

關于聚合物改性瀝青的改性機理目前沒有統一認識，但主要存在以下三種觀點。

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，按照相的連續性可以分成3種基本類型：瀝青相為連續相、聚合物相為分散相的單項連續結構；聚合物相為連續相、瀝青相為分散相的單項連續結構；兩相連續結構或兩相互鎖結構，即瀝青相和聚合物相都是連續的。

Sam Maccarrone認為聚合物在瀝青—聚合物體系中的理想狀態是細分布而不是相溶。解釋這一現象有兩種理論。第一種，當聚合物加入瀝青中，根據能量最低原理，體系有自動降低表面能的趨勢，這種趨勢是通過縮小表面積或者吸附某些結構相近的物質來降低表面能。因為分散相的聚合物粒子粒度小，表面能量大，可吸附瀝青中結構相近的物質，所以能降低表面能的組分會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，以材料溶解度參數作為評價相容性好壞的定量指標。根據相似相容法則，兩種物質的極性越接近，它們的溶解度參數差就越小，則越容易互相混溶[2]。

1.2 溶脹

對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，一般不發生化學反應，但在瀝青輕質組分作用下，聚合物體積會膨脹，即發生溶脹。為保證各自的穩定性，聚合物吸收瀝青中的油分，體積膨脹到原體積的5～10倍；瀝青中輕質組分在化學位驅動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，發生溶脹而不是溶解。瀝青本身是處于平衡狀態的膠體結構，聚合物吸收了瀝青中的芳香酚或飽和酚（或二者兼有）必然會破壞這一平衡狀態，從而形成瀝青膠團和聚合物爭奪輕質組分的局面，最終達到一種新的平衡體系即新瀝青膠體結構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臨界值，美國科學家Collins稱之為臨界質量分數。當達到臨界摻量時，聚合物形成一種穩定的網絡結構；當超過此值時，改性體系發生相變，聚合物由非連續相轉化為連續相，瀝青由連續相轉化為非連續相。

1.4 復合改性機理

本研究將橡膠粉改性和SBS改性進行復合，利用兩種改性劑各自的優勢，互相協同和補充，獲取高低溫性能都得到改善的改性瀝青。

根據橡膠粉改性機理與聚合物改性機理分析，在復合改性體系中，這兩種機理會相互協同作用。膠粉和聚合物在加入瀝青后，同時發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，形成穩定的網絡結構，增大了瀝青的粘度，也改善了其低溫性能。

2 試驗方案與結果討論

2.1 原材料

2.1.1 基質瀝青endprint

基質瀝青是由多種復雜的碳氫化合物和這些碳氫化合物的非金屬衍生物組成的混合物。瀝青按4組分法包括瀝青質、膠質、飽和酚和芳香酚。

基質瀝青的性能直接影響復合改性橡膠瀝青的性能，本研究采用SK90#基質瀝青作為復合改性對象。

2.1.2 橡膠粉

橡膠粉的主要化學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構。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作用；SBS分子鏈上B段→聚丁二烯→軟相→連續相→海相。在聚集狀態下，聚丁二烯鏈段形成連續橡膠相，而聚苯乙烯鏈段分散在連續橡膠相中形成塑料微相區。因為兩種鏈段間以未硫化的化學鍵相連，故在一定溫度范圍內聚苯乙烯微相區對聚丁二烯鏈段起交聯作用。當溫度高于聚苯乙烯Tg（100 ℃）時，S段解開，交聯鍵打開，SBS表現為塑性；當溫度低于聚苯乙烯Tg（100 ℃）時，物理交聯鍵又重新生成，表現出硫化膠綜合性能，不再起硫化點的約束作用。因此，可知SBS具有化學或物理交聯性質的可逆性 。

2.2 制備工藝

采用20%外摻膠粉，復合外摻SBS，制備復合改性橡膠瀝青。工藝為：先將基質瀝青緩慢加熱至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，使用轉速3 000 r·min-1的高速剪切機，充分混合2 h后停止剪切。復合改性橡膠瀝青必須采用剪切工藝，是因為SBS難以通過攪拌熔融到基質瀝青中。

2.3 試驗結果分析

采用20%外摻橡膠粉，技術指標見表1。分別添加05%、1%、15%、2%的SBS進行復合改性，試驗結果見表2。由于采用剪切工藝，因此20%外摻膠粉橡膠瀝青的指標與前述熱熔法有差異。

（1） 針入度。隨SBS摻量增大，針入度呈現逐步降低且趨于穩定的態勢，這表明，SBS對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。SBS對橡膠瀝青的高溫性能改善非常顯著，隨著摻量的增加，復合改性橡膠瀝青的軟化點顯著增大，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，常不能滿足規范要求，而在SBS摻加量達到1%后，復合改性橡膠瀝青的低溫延度就可達到8 cm以上，摻加量達到2%時，延度可達到10 cm以上，如圖4所示。

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

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

3 結 語

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

（2） 復合改性橡膠瀝青在軟化點指標上高于普通橡膠瀝青，能達到比普通橡膠瀝青更好的高溫性能。

（3） 從粘度指標看，影響粘度最關鍵的因素是膠粉摻量，復合改性橡膠瀝青粘度值偏低，可通過增加膠粉摻量提高粘度。

（4） 通過室內試驗，建議復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：

[1] 殷長燕.SBS改性瀝青生產工藝參數的確定[J].筑路機械與施工機械化，2014，31（10）：66-68.

[2] 周 燕，張 凱，陳栓發，等.改性瀝青測力延度試驗[J].長安大學學報：自然科學版，2012，32（3）：30-33，39.

[責任編輯：杜敏浩]endprint