星型SBS改性瀝青的研究及工業(yè)化生產應用

王春江

(中海瀝青(四川)有限公司，四川 瀘州 646000)

星型SBS改性瀝青的研究及工業(yè)化生產應用

王春江

(中海瀝青(四川)有限公司，四川 瀘州 646000)

SBS改性瀝青具有良好的工程性能，已成為我國高等級高速公路路面的重要材料。SBS改性瀝青機理比較復雜，路用性能十分優(yōu)越，通常可以提高路面瀝青軟化溫度20℃以上；由于SBS改性劑價格昂貴，是影響項目建設的重要成本因素，星型SBS較線型SBS通常可以降低添加量以降低生產成本，但由于瀝青與星型SBS相溶困難，產品質量不穩(wěn)定，鮮有工業(yè)化生產。本文主要就星型SBS進行實驗室研究制備了符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》標準要求的I-D改性瀝青、提出了工業(yè)化生產方案并對工業(yè)化生產過程進行了總結。

SBS改性瀝青 ； I-D;星型 ； 實驗 ； 工業(yè)化生產

近年來，隨著中國高速公路的快速發(fā)展，貨運量的快速增長以及重型載貨汽車噸位的不斷擴大，導致了高品質的瀝青尤其是改性瀝青的快速發(fā)展。在眾多類型的改性瀝青中，以SBS為改性劑的改性瀝青以其良好的高低溫性能得到了國際社會的認可，獲得了廣泛的應用，已成為我國高等級瀝青路面的主要改性瀝青品種。

1 SBS改性機理

SBS是一種耐用的熱塑性彈性橡膠，在常溫下顯示橡膠的彈性，高溫下又能夠塑化成型，是以苯乙烯和丁二烯為原料，通過聚合方法得到的三嵌段共聚物。按其分子結構，可分為線型和星型兩種，線型SBS分子內沒有交聯(lián)，分子量一般在幾萬到十幾萬，星型SBS分子內一般通過四氯化硅偶聯(lián)，分子量一般幾十萬。星型SBS由于其硬段形成的聚集態(tài)更密集有序，表現出更典型的熱塑性彈性體的性質[1]。兩種SBS分子式類似，分子結構如下圖1所示。

圖1 SBS 的結構式(A)和分子結構示意圖(B)

SBS加入到瀝青基質中后，在瀝青基質中飽和分以及芳香分的作用下，SBS微粒就會溶脹與其中，均勻分布在瀝青基質中，因此改變了瀝青基質中各組分的比例，提高瀝青改性后的路用性能。

SBS嵌段共聚物是采用陰離子聚合制得，是一種多相結構的熱塑性彈性體，每個丁二烯鏈段(B)的末端都連接一個苯乙烯嵌段(S)，兩端的苯乙烯嵌段聚合物在一起形成物理交聯(lián)區(qū)域，呈分散相，而丁二烯鏈段則聚合起來呈連續(xù)相，SBS由于聚苯乙烯的聚集而形成一種三維結構。所以聚苯乙烯末端上基團就會使得瀝青強度增加，位于中間的聚丁二烯嵌段形成一個物理交聯(lián)點，限制瀝青質點之間的位移和瀝青膠體的流動，提高瀝青的柔韌性及內聚力，擁有了較高的彈性和粘度，表現出良好的變形能力，高溫穩(wěn)定性，低溫抗開裂能力[2]。

在瀝青基質中存在很多有機官能團，比如羥基、碳基等，這些官能團都很活潑，很容易與其他物質發(fā)生反應，而形成新的物質。在SBS改性瀝青中，加入一些極性比SBS高的物質，就會與瀝青形成一種新的結構，相比原有結構更加穩(wěn)定、均勻[3]。在一起的物理方法下還可以改善瀝青的高溫流變性，降低溫度敏感性。

2 SBS改性劑的功效

當采用SBS來進行瀝青改性時，可以使瀝青的性能以及鋪筑路面的性能得到多方面的改善：① PS鏈段物理交聯(lián)可改善瀝青混合料抵抗高溫永久變形的能力(提高剛度)；②PB鏈段的柔性可提高瀝青混合料抵抗低溫變形的能力(改善韌性)；③改善密級配路面抵抗疲勞裂紋的能力;④改善路面的抗水損壞能力；⑤改善瀝青混合料的抗老化性能；⑥改善抗剝離能力；⑦相對降低蠟含量(<2%)(降低蠟含量對道路瀝青質量影響)。

3 星型SBS制備改性瀝青實驗研究

3.1 實驗室研究

3.1.1 SBS改性瀝青產品要求

本項目實驗生產的星型SBS改性瀝青要求滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》I-D產品指標，如表1。

表1 SBS改性瀝青I-D主要指標

3.1.2 實驗儀器

3.1.2.1 瀝青針入度測定儀

用于測定瀝青針入度，即在規(guī)定的溫度和時間內，附加一定質量的標準針垂直貫入瀝青試樣的深度，以0.1mm計。針入度是表征黏稠瀝青條件黏度的一種指標。針入度試驗是一種用于量測瀝青膠結料稠度的簡單方法。

3.1.2.2 智能型瀝青軟化點測定儀

用于測定瀝青軟化點，指瀝青試樣在規(guī)定尺寸的金屬環(huán)內，上置規(guī)定尺寸和質量的鋼球，放于水或甘油中，以規(guī)定的速度加熱，至鋼球下沉達規(guī)定距離時的溫度，以℃計。瀝青軟化點是瀝青達到規(guī)定條件黏度時的溫度，所以軟化點既是反映瀝青溫度敏感性的重要指標，也是瀝青黏稠性的一種量度。

3.1.2.3 調溫調速瀝青延伸度測定儀

用于測定瀝青延度，指當其受到外力的拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力。

3.1.2.4 布氏旋轉黏度計

用于測定瀝青的動力黏度。

3.1.2.5 瀝青旋轉薄膜烘箱

用于模擬瀝青在與石料拌合過程中的受熱過程，在一定實驗條件下，表征瀝青在高溫下與空氣接觸后的性質變化。

3.1.3 不同添加量下星型SBS與基質瀝青相容共混的適宜溫度實驗

不同的星型SBS的摻入比(2.8%、3.0%、3.2%)分別在不同的相容實驗溫度時的實驗結果如表2。其中，相容實驗溫度T1-T4控制在165～185℃之間，實驗溫度變化梯度為5℃。

表2 不同溫度下制備的星型改性瀝青性能數據

根據表2可知，SBS改性瀝青軟化點隨溫度的升高而增大；針入度隨溫度的變化不大；延度及烘后延度隨溫度的升高而增大；動力黏度隨溫度的升高而減小，說明隨著實驗溫度的提高，SBS改性瀝青的高溫性能和低溫性能都有所改善。在溫度達到T4時，軟化點、針入度、延度、動力黏度、烘后延度均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中對SBS改性瀝青要求[4]，為適宜相容共混溫度。

3.1.2 星型SBS改性瀝青熟化時間實驗

在星型SBS瀝青的抗老化實驗中，均用相容共混溫度T4，星型SBS的摻入比例為3.0%和2.8%時，不同熟化時間下的實驗數據如表3。

表3 不同熟化時間下星型改性瀝青性能數據

由表3可以看出，隨著熟化時間的增加，瀝青的軟化點和針入度變化不大；延度和烘后延度先逐漸增大后減小；動力粘度先減小后增大；離析先減小后增大。說明當熟化時間小于6h時，生產的改性瀝青不滿足要求，當熟化時間在6h和14h之間時，生產的改性瀝青滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中對SBS改性瀝青要求，但當熟化時間為20h時，生產的SBS改性瀝青不滿足要求。

3.1.3 適宜摻入量試驗

實驗室制備樣品時采用相同的相容共混溫度T4，熟化時間為6h，得到不同星型SBS的摻入比例下的改性瀝青的實驗結果，如表4。

表4 熟化時間為6h時不同摻入比例時的實驗數據

圖1 星型SBS改性瀝青的生產工藝流程圖

從表4可知，當相容共混溫度為T4，熟化時間為6h時，星型SBS的摻入量為2.6%-3.0%之間時生產的SBS改性瀝青指標滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中對SBS改性瀝青I-D要求。隨著摻入量的增大，針入度變化不大；軟化點、動力黏度隨摻入量的增大而增大；離析隨摻入量的增大而增大，當摻入比例大于3.0%后不滿足指標要求；延度及烘后延度隨摻入量的增大先增大后減小，在2.8%時適宜。由此可得，星型SBS的適宜摻入比例為2.8%。

3.2 工業(yè)化生產

3.2.1 生產工藝

生產星型SBS改性瀝青的生產工藝流程如圖1。工藝流程簡介：基質瀝青先從瀝青罐區(qū)轉入原料罐，將溫度升高至140-150℃；再經過換熱器到膠體磨機，換熱后溫度達到160-190℃，這時SBS通過上料系統(tǒng)與基質瀝青在膠體磨機內均勻混合，達到設定的濃縮倍數，一起經過膠體磨研磨至濃縮罐，先后進入中間罐和成品罐孕育熟化；再在濃縮罐或成品罐內，根據生產指標的需要添加一定比例的相溶劑，提高SBS與瀝青的相容性；當SBS與瀝青充分溶解后，通過穩(wěn)定劑上料機向成品罐內加入一定比例的穩(wěn)定劑，循環(huán)1h；間隔4-6h后，取樣化驗分析，產品合格后入庫。

3.2.2 生產配方

采用實驗結論，制定生產配方如表5。

表5 工業(yè)化生產配料表

3.2.2 產品指標測試情況

星型SBS工業(yè)化生產產品指標測試如表6。

由表6看出，利用表5配方，和實驗所得關鍵工藝參數制備的星型SBS工業(yè)試生產產品符合交通部JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》質量要求，具備技術工業(yè)化條件。

表6 產品主要指標

4 結論

(1) 星型SBS生產JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》I-D改性瀝青產品的適宜混溶溫度在185℃左右；

(2) 星型SBS生產I-D改性瀝青產品的適宜投料比是2.8%左右；

(3) 星型SBS生產I-D改性瀝青產品的適宜熟化時間是6-14h；

(4) 采用適當生產技術生產的星型SBS改性瀝青，滿足我國行業(yè)標準技術要求。

(5) 星型SBS生產改性瀝青技術能降低生產成本，有效提高路面質量，提高行車穩(wěn)定性和安全性，解決我國改性瀝青需求量缺口問題，具有良好的經濟效益和社會效益。本產品必將獲得很好的推廣應用前景。

[1] Nabas. Polymer modified asphalts for highperformance hot mix pavement blends[J].AAPT, 1990, 59(1): 509-522.

[2] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京，人民交通出版社,2001.

[3] 祁 偉, 李 波, 曹 貴, 等. 線型SBS和星型SBS復配制備改性瀝青性能研究[J].公路, 2013(10):200-203.

[4] 交通部公路科學研究所.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S]. 北京，人民交通出版社,2004.

(本文文獻格式：王春江.星型SBS改性瀝青的研究及工業(yè)化生產應用[J].山東化工，2016，45(08)：70-72.)

2016-03-15

王春江(1974—)，山東東營人，中海瀝青(四川)有限公司生產技術部，學士學位，主要從事生產及科研管理工作。

TQ522.65

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