基于制備工藝參數(shù)的SBS/CR復(fù)合改性瀝青性能研究

尹業(yè)豪

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來(lái)隨著現(xiàn)代公路交通量的迅猛增長(zhǎng)以及車輛大型化、交通重載化問(wèn)題的出現(xiàn)，使得普通瀝青路面病害頻發(fā)，嚴(yán)重危及行車安全和路面耐久性。因此，如何提高瀝青路面性能，使之滿足當(dāng)前交通量及適應(yīng)極端氣候頻現(xiàn)的環(huán)境，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

研究表明，將廢舊輪胎磨細(xì)制成的膠粉加入瀝青中能夠有效改善瀝青的性能[1-2]，將廢舊輪胎應(yīng)用于道路工程中已成為解決“黑色污染”的有效途徑之一。橡膠粉(CR)價(jià)格低廉，能增加路面彈性、抗老化性能，SBS對(duì)瀝青高、低溫性能改善顯著，但價(jià)格相對(duì)較高。將兩種改性劑結(jié)合使用，既能保證瀝青改性效果，又能降低施工成本，是理想的瀝青改性方式[3]。目前限制橡膠瀝青應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵是由于膠粉脫硫程度不足進(jìn)而導(dǎo)致瀝青改性效果欠佳，制備工藝對(duì)改性瀝青性能影響顯著，因此本文主要研究制備工藝參數(shù)對(duì)SBS/CR復(fù)合改性瀝青性能的影響，以期促進(jìn)SBS/CR復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用和推廣。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)采用SK-90基質(zhì)瀝青，CR為40目載重輪胎膠粉，灰分9.81%，丙酮抽出物14.28%，摻量為瀝青質(zhì)量20%(外摻)。SBS為白色長(zhǎng)條狀，摻量為2.0%，性質(zhì)見(jiàn)表1。按照《公路工程及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)對(duì)基質(zhì)瀝青性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2 SBS/CR復(fù)合改性瀝青制備

將一定比例的相容劑與CR放入160 ℃烘箱溶脹1 h，取出后與SBS共同拌入熱瀝青中，在設(shè)定的加工溫度(170 ℃、180 ℃、190 ℃)、剪切轉(zhuǎn)速(3 000 rpm、4 000 rpm、5 000 rpm)及時(shí)間(60 min、70 min、80 min)下制得改性瀝青。

采用針入度、軟化點(diǎn)、低溫延度、軟化點(diǎn)差評(píng)價(jià)不同制備工藝參數(shù)改性瀝青的感溫性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性，采用光學(xué)顯微鏡觀察改性橡膠瀝青的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 加工溫度對(duì)改性瀝青性能的影響

加工溫度是影響改性瀝青性能至關(guān)重要的因素，將溶脹1 h的膠粉與SBS拌入熱瀝青中，設(shè)定加工溫度為170 ℃、180 ℃、190 ℃，剪切轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，加工時(shí)間為60 min，制得的改性瀝青編號(hào)為T1、T2、T3，性能如圖1所示。

(a)

(b)

(d)

由圖1可知，隨著加工溫度升高，改性瀝青出現(xiàn)針入度、軟化點(diǎn)、延度上升，軟化點(diǎn)差下降的趨勢(shì)。加工溫度越高，膠粉、SBS與瀝青反應(yīng)越充分，溫度為170 ℃時(shí)，膠粉仍處于溶脹狀態(tài)，內(nèi)部化學(xué)鍵并未斷裂，此時(shí)膠粉在瀝青中僅為體積膨脹，與SBS還未形成有效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時(shí)改性瀝青內(nèi)部由于橡膠顆粒過(guò)大導(dǎo)致延度極低、儲(chǔ)存穩(wěn)定性差的缺陷。升溫至180 ℃，橡膠分子開始脫硫，內(nèi)部三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸疏松，此時(shí)瀝青中的輕質(zhì)組分進(jìn)入膠粉內(nèi)部，SBS與瀝青由于密度差相互牽引[4]，儲(chǔ)存穩(wěn)定性表現(xiàn)良好。瀝青由于橡膠分子和SBS逐漸融入而出現(xiàn)軟化點(diǎn)升高趨勢(shì)，低溫抗拉性能也逐漸穩(wěn)定，此時(shí)改性瀝青綜合性能最優(yōu)。繼續(xù)升溫會(huì)使得膠粉脫硫過(guò)度，引發(fā)解聚現(xiàn)象，橡膠分子內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被過(guò)度破壞，成為僅具延性的大分子鏈，改性瀝青低溫延性優(yōu)異，但軟化點(diǎn)下降，高溫抗變形能力降低。

加工溫度對(duì)改性瀝青性能影響最為顯著，采用光學(xué)顯微鏡觀察不同加工溫度的復(fù)合改性瀝青微觀形貌，如圖2所示。從圖2可以看出，T1中橡膠顆粒正處于溶脹狀態(tài)，體積與SBS顆粒差距顯著；加熱至180 ℃，膠粉顆粒尺寸明顯降低，說(shuō)明此時(shí)膠粉從溶脹轉(zhuǎn)為脫硫狀態(tài)，與SBS共同均勻分布于瀝青中；進(jìn)一步升溫至190 ℃，發(fā)現(xiàn)改性瀝青混合相中出現(xiàn)炭黑析出及SBS分解現(xiàn)象，此時(shí)SBS均已處于過(guò)度降解狀態(tài)。

(a)T1

(b)T2

(c)T3

因此，當(dāng)加工溫度過(guò)低時(shí)，膠粉與SBS與瀝青反應(yīng)微弱，改性作用不明顯，但加工溫度過(guò)高又會(huì)過(guò)度破壞膠粉尤其是SBS內(nèi)部彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]，致使改性瀝青高溫性能喪失，綜合來(lái)看，180 ℃為較優(yōu)的加工溫度。

2.2 加工時(shí)間對(duì)改性瀝青性能的影響

加工時(shí)間與加工溫度是相互制約的兩個(gè)變量，由上述研究可確定最優(yōu)加工溫度為180 ℃，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同加工時(shí)間(60 min、80 min、100 min)的改性瀝青制備，制得的改性瀝青編號(hào)分別為M1、M2、M3。圖3為三種改性瀝青的性能測(cè)試結(jié)果。

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)M1

(b)M2

(c)M3

圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加工時(shí)間的增加，復(fù)合改性瀝青性能呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。加工時(shí)間由60 min增至80 min，膠粉由溶脹過(guò)程逐步轉(zhuǎn)為脫硫狀態(tài)，部分C-S及S-S鍵斷裂，膠粉、SBS與瀝青開始搭接，膠粉內(nèi)部有益物質(zhì)釋放進(jìn)入瀝青中，改善瀝青的各項(xiàng)性能?？梢钥闯觯瑸r青軟化點(diǎn)差明顯降低，說(shuō)明此時(shí)共混體內(nèi)部已逐步形成均已穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，SBS上浮及橡膠顆粒下沉狀態(tài)有所改善。延長(zhǎng)剪切時(shí)間至100 min，改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)及軟化點(diǎn)差均降低，延度顯著升高，這些現(xiàn)象表明此時(shí)膠粉和SBS可能出現(xiàn)老化現(xiàn)象，在瀝青中起到增強(qiáng)和改善作用主體的有效膠粉含量降低，SBS鏈段被氧化分解，造成改性瀝青性能降低。

圖4為不同加工時(shí)間下改性瀝青的光學(xué)顯微圖像。從圖中可以看出，隨著加工時(shí)間增加，改性瀝青中橡膠分子和SBS分子粒徑逐漸降低，M2和M3中膠粉及SBS分布更密集、相容性更優(yōu)。M3中可見(jiàn)明顯的炭黑析出痕跡，此時(shí)SBS顆粒尺寸大幅降低，說(shuō)明存在膠粉及SBS老化的現(xiàn)象。綜合不同加工時(shí)間的改性瀝青性能測(cè)試和微觀圖像，建議剪切時(shí)間選擇80 min為宜。

2.3 剪切轉(zhuǎn)速對(duì)改性瀝青性能影響

改性瀝青制備過(guò)程中的剪切工藝作用在于將聚合物顆粒剪切磨碎，對(duì)于橡膠顆粒來(lái)說(shuō)，剪切作用除了能將未反應(yīng)的顆粒剪碎、尺寸降低，還能將溶脹的膠粉磨碎、釋放其中吸收的輕質(zhì)組分。因此，剪切作用對(duì)制備SBS/CR復(fù)合改性瀝青至關(guān)重要。在確定加工溫度為180 ℃、加工時(shí)間為80 min的基礎(chǔ)上，研究不同剪切轉(zhuǎn)速(3 000 rpm、4 000 rpm、5 000 rpm)對(duì)改性橡膠瀝青性能的影響，制得的改性瀝青編號(hào)分別為S1、S2、S3，性能如下圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

分析圖5可得，剪切轉(zhuǎn)速對(duì)改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均有顯著影響，隨著剪切轉(zhuǎn)速提升，改性瀝青針入度及延度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)差呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于轉(zhuǎn)速越高，橡膠與SBS顆粒粒徑越小，與瀝青相容性越好，但當(dāng)粒徑降低至一定程度后，增加轉(zhuǎn)速很難繼續(xù)進(jìn)一步降低顆粒尺寸，此時(shí)瀝青內(nèi)部顆粒已形成穩(wěn)定狀態(tài)。橡膠分子粒徑在轉(zhuǎn)速的升高下不斷降低，起到支承和增彈作用的有效橡膠顆粒數(shù)量也隨之降低，改性瀝青高溫穩(wěn)定性下降，表現(xiàn)為軟化點(diǎn)降低，同樣地，粒徑尺寸減小對(duì)提升低溫延性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性極為有利，因此改性瀝青總體表現(xiàn)出高溫穩(wěn)定性降低、低溫抗裂性和相容性提升的趨勢(shì)。

圖6 不同剪切轉(zhuǎn)速改性瀝青黏～溫影響曲線圖

剪切轉(zhuǎn)速對(duì)改性瀝青黏度有顯著影響，圖6為不同剪切轉(zhuǎn)速制備的改性瀝青黏～溫曲線圖，分析可得，轉(zhuǎn)速越高，改性瀝青黏度越低，橡膠粉及SBS在瀝青中降解程度越高。黏度過(guò)低會(huì)降低改性瀝青與集料的黏附性能，從而造成路面車轍破壞，黏度過(guò)高又會(huì)增加施工難度，因此綜合改性瀝青性能指標(biāo)、施工因素和黏附性能，選取4 000 rpm為合適的剪切轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)加工溫度、時(shí)間及剪切轉(zhuǎn)速對(duì)SBS/CR復(fù)合改性瀝青性能影響顯著，優(yōu)化工藝參數(shù)可以改善復(fù)合改性瀝青的性能。

(2)隨加工溫度、時(shí)間及剪切轉(zhuǎn)速的提高，SBS/CR復(fù)合改性瀝青低溫抗裂性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到改善，但超過(guò)一定限值后，改性瀝青中SBS及CR分子出現(xiàn)過(guò)度降解和老化現(xiàn)象，改性瀝青高溫性能難以保證。

(3)結(jié)合改性瀝青路用性能、可加工性能及相容性選取適宜的制備參數(shù)為：加工溫度180 ℃、加工時(shí)間80 min，剪切轉(zhuǎn)速4 000 rpm。