SBR與SBS復合改性瀝青制備及其混合料路用性能研究

黃 凱

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

近幾年隨著“一帶一路”倡議推進，我國公路建設重心開始西移。西部地區晝夜溫差大、日照時間長、紫外線強烈，惡劣的氣候條件對瀝青路面提出了比東部、南部及中部地區更高的要求，因此西部地區瀝青路面應具備較高的高低溫性能、抗疲勞性能及抗老化性能[1]。通過對瀝青改性，可以改善瀝青混合料高低溫性能及抗老化性能，是提高瀝青路面使用性能和耐久性的解決方案[2]。

SBR改性與SBS改性是目前常用的兩種瀝青改性方式，但是由于SBR與SBS的分子結構不同，兩種改性瀝青具備不同的性能特點。大量研究表明：SBR改性瀝青具備優良的低溫抗裂性能，但是高溫性能不佳；而SBS改性瀝青具備優良的高溫性能，低溫性能相對較弱，且SBS具備更加優良的抗紫外線老化能力[3]。因此可以綜合SBR與SBS改性劑特點，制備適用于西部地區瀝青路面的復合改性瀝青。本文將從復合改性瀝青制備工藝及改性劑摻量出發，開展復合改性瀝青制備及復合改性瀝青路用性能研究。

1 原材料

1.1 瀝青

基質瀝青采用中石化70#基質瀝青，其主要性能指標測試結果見表1。

表1 70#基質瀝青主要性能指標表

1.2 SBR改性劑

SBR又稱聚苯乙烯丁二烯共聚物，是一種合成橡膠，目前廣泛應用于輪胎、電纜及醫療器械等行業。作為瀝青改性劑時，SBS有膠粉、膠塊及乳液三種形態。本文采用膠粉形態的SBR作為改性劑，其主要性能指標見表2。

表2 SBR主要性能指標表

1.3 SBS改性劑

SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，是一種與橡膠性能較為相似的熱塑性彈性體，其具有優良的低溫性能與抗拉強度。本文SBS采用巴陵石化生產的線型YH796#SBS，其主要性能指標見表3。

表3 YH796#SBS主要性能指標表

1.4 穩定劑

SBR及SBS均與瀝青存在相容性不足的缺陷，為提高復合瀝青制備過程中SBR與SBS在瀝青中的分散程度，本文采用硫磺作為穩定劑，改善復合改性瀝青穩定性，硫磺主要性能指標見表4。

表4 硫磺主要性能指標表

2 復合改性瀝青制備

2.1 復合改性瀝青制備工藝

由于SBR與瀝青的相容性優于SBS，因此制備復合改性瀝青時，需先投放SBS改性劑，具體制備流程為：將基質瀝青加熱至160 ℃，投入定量的SBS，采用高速剪切機剪切1 h，然后加入定量的SBR剪切1 h，最后投入定量穩定劑剪切20 min(全過程瀝青溫度控制在160 ℃，剪切機轉速為5 000 rpm)。

2.2 改性劑摻量對瀝青性能的影響

本文復合改性瀝青制備的改性劑有SBR、SBS及硫磺，為制備路用性能滿足要求的復合改性瀝青，展開改性劑摻量研究。SBR、SBS及硫磺均設置4個摻量水平，為提高試驗效率，采用正交試驗進行試驗方案設計。正交試驗因素水平見表5。

表5 正交試驗因素水平表

基于正交試驗方案設計參數制備復合改性瀝青，并對改性瀝青進行室內試驗，測試瀝青的針入度、軟化點、5 ℃延度及135 ℃黏度，結果見表6。

采用均值分析法，分析改性劑摻量對復合改性瀝青性能影響。均值分析法是指對不同因素相同水平試驗條件下的試驗結果進行算數平均，并以該均值評價該水平對瀝青的影響[4]。根據表6試驗結果，繪制各指標均值如圖1～4所示。

表6 復合改性瀝青正交試驗結果表

由圖1～4可知：

圖1 針入度均值變化趨勢圖

(1)從針入度來看，隨SBR、SBS及硫磺三種改性劑摻量增加，復合瀝青的針入度呈現持續下降趨勢，這是因為硫磺有利于提高SBS與SBR與瀝青的相容性，促使兩者發生溶脹，吸收大量輕質組分，使瀝青中的瀝青質及膠質含量相對增加，瀝青變“硬”，從而針入度下降。

圖2 軟化點均值變化趨勢圖

圖3 5 ℃延度均值變化趨勢圖

圖4 135 ℃黏度均值變化趨勢圖

(2)從軟化點來看，隨SBS及硫磺摻量增加，復合瀝青的軟化點明顯上升，這是因為SBS在瀝青中溶脹形成了網絡結構，且硫磺有利于提高SBS與瀝青的相容性，因此隨摻量增加，網絡結構數量越多，瀝青高溫穩定性越好，軟化點越高。而隨著SBR摻量增加，復合改性瀝青軟化點上升緩慢，說明SBR改性劑對提高瀝青高溫穩定性的能力有限。

(3)從5 ℃延度來看，隨SBS與SBR摻量增加，復合改性瀝青的延度增加，而延度變化與硫磺摻量無明顯特征關系，說明SBS與SBR改性劑均有利于改善復合瀝青的低溫性能。

(4)從135 ℃黏度看，隨SBS與硫磺摻量增加，復合改性瀝青的黏度增加明顯，而隨SBR摻量增加，復合改性瀝青的黏度出現先增大后減小趨勢。依據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)，規定改性瀝青的135 ℃運動黏度≤3 Pa·s，因此以上各摻量的改性瀝青均能滿足規范要求。

2.3 影響因素顯著性分析

為探究三種改性劑摻量對瀝青性能影響的顯著性，采用SPSS軟件對表5數據進行方差分析，結果如表7所示。

由表7可知，SBS摻量對瀝青各項指標的影響P值均<0.05，為顯著影響；SBR摻量對瀝青5 ℃延度的影響P值<0.05，為顯著影響；硫磺摻量對瀝青針入度與135 ℃黏度的影響P值<0.05，為顯著影響。

表7 正交試驗方差分析結果表(P值)

據前文各改性劑摻量對瀝青指標的影響規律與顯著性綜合分析，確定SBR與SBS復合改性瀝青的SBS摻量為6%、SBR摻量為3.5%、硫磺摻量為0.2%。

3 復合改性瀝青混合料路用性能研究

為探究復合改性瀝青作為結合料時混合料的路用性能，本文前文推薦SBS、SBR及硫磺摻量制備復合改性瀝青作為試驗組，以70#基質瀝青、SBS改性瀝青、SBR改性瀝青作為對照組展開混合料路用性能研究。混合料采用AC-13型級配，高溫性能采用車轍試驗以動穩定度指標評價，低溫性能采用小梁彎曲試驗以彎曲勁度模量指標評價，水穩定性能采用凍融劈裂試驗以凍融劈裂強度比評價。試驗結果見表8。

表8 瀝青混合料路用性能試驗結果表

由表8可知：

(1)原樣的瀝青混合料的動穩定度排序為SBS改性瀝青>復合改性瀝青>SBR改性瀝青>70#基質瀝青；彎曲勁度模量排序為SBR改性瀝青<復合改性瀝青復合改性瀝青>SBR改性瀝青>70#基質瀝青。這說明高溫穩定性最好的為復合改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料，低溫抗裂性最好的為SBR改性瀝青混合料與復合改性瀝青混合料，水穩定性最好的為SBS改性混合料與復合改性瀝青混合料。由此說明，復合改性瀝青表現出較優良的綜合路用性能。

(2)經過長期熱氧老化后，瀝青混合料的高低溫性能及水穩定性能均有所劣化，但SBS改性瀝青與復合改性瀝青的抗老化性能較好。由表8可知，改性瀝青混合料各指標老化前后差值排序為：SBS改性瀝青<復合改性瀝青

4 結語

本文針對SBR與SBS復合改性瀝青制備及其混合料性能研究，得出以下結論：

(1)針入度隨SBR、SBS及硫磺摻量增加而提高，而軟化點、5 ℃延度及135 ℃黏度隨三者摻量增加而降低，SBS與SBR均有利于改善瀝青的低溫性能，但是提高SBR摻量對改善瀝青高溫性能的作用有限。

(2)SBS改性劑摻量對瀝青各項指標均為顯著影響，SBR摻量對瀝青5 ℃延度為顯著影響，硫磺摻量對瀝青針入度與135 ℃黏度為顯著影響，綜合瀝青各指標受改性劑摻量變化影響規律分析，得出復合改性瀝青改性劑推薦摻量：SBS為6%、SBR為3.5%、硫磺為0.2%。

(3)通過四種瀝青混合料的路用性能研究可知，復合改性瀝青混合料的綜合路用性能最佳，且SBS改性瀝青混合料與復合改性瀝青混合料的抗老化性能較好。