廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青研究進(jìn)展

張 濤

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在國(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的指引下，依靠科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，我國(guó)的道路基礎(chǔ)建設(shè)正在向綠色、耐久的方向快速發(fā)展[1]。隨著國(guó)家大力推進(jìn)固體廢棄物綜合利用，膠粉改性瀝青進(jìn)一步廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)。膠粉改性瀝青在工程應(yīng)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(dá)到預(yù)期效果等。而將膠粉與SBS 進(jìn)行復(fù)配，可以得到高性能的廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青。廢膠粉-SBS 復(fù)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(jìn)生態(tài)友好、集約高效的高質(zhì)量交通建設(shè)。

目前，廢膠粉-SBS 復(fù)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(jī)理探索及性能研究等。張紅兵[2]針對(duì)SBS-橡膠粉復(fù)合改性過程中使用的原材料進(jìn)行優(yōu)選，包括基質(zhì)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(fù)合改性瀝青，通過對(duì)高溫性能、低溫性能和相容性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定制備工藝。劉勇[4]通過微觀手段對(duì)復(fù)合改性瀝青改性機(jī)理進(jìn)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(xué)鍵打開，瀝青與膠粉發(fā)生了接枝反應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青研究成果尚缺乏系統(tǒng)梳理，因此，本文對(duì)廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與總結(jié)，對(duì)復(fù)合改性瀝青改性材料、制備工藝、作用機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為復(fù)合改性瀝青性能深入研究與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青改性材料

廢膠粉-SBS 復(fù)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(huì)對(duì)復(fù)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(xì)度及處理工藝等均會(huì)影響與瀝青的反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)復(fù)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(fù)合改性瀝青的膠粉可分為廢輪胎胎面膠粉（A 級(jí)）、大貨車斜交胎整胎膠粉（B 級(jí)）、轎車子午胎整胎膠粉（C 級(jí)）。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(jié)構(gòu)，A 級(jí)膠粉和B 級(jí)膠粉性能明顯優(yōu)于C級(jí)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(jí)膠粉與SBS 制備的復(fù)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(jí)及以上級(jí)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(jí)）制備的復(fù)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(shì)。

1.1.2 膠粉細(xì)度

膠粉對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響體現(xiàn)在溶脹反應(yīng)，目數(shù)大的膠粉更易吸收輕質(zhì)組分溶脹。復(fù)合改性瀝青采用的膠粉細(xì)度一般在20～80 目，就提升復(fù)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(chǔ)存穩(wěn)定性越好，但高溫性能和抗疲勞性能會(huì)降低[6]。膠粉過細(xì)會(huì)增加成本，且易團(tuán)聚，在瀝青中分散性不好，影響溶脹反應(yīng)。

1.1.3 膠粉處理工藝

膠粉摻量較大時(shí)，與瀝青相容性差，復(fù)合改性瀝青黏度大、施工和易性差、易離析，因此，對(duì)膠粉進(jìn)行處理，改善其相容性非常必要。

對(duì)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(jié)構(gòu)，提高天然橡膠含量，可以采用物理、化學(xué)和生物的方法進(jìn)行脫硫。物理脫硫主要是采用微波、超聲波、遠(yuǎn)紅外等手段破壞橡膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。生物脫硫是通過微生物對(duì)橡膠進(jìn)行分解降解，破壞網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[7]，生物法尚處于研究階段，并未推廣應(yīng)用。近年來，國(guó)外對(duì)螺桿擠出機(jī)制備脫硫膠粉的工藝方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)工藝化，具有研究和推廣價(jià)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(jié)構(gòu)，改善復(fù)合改性瀝青性能。目前主要是按照分子間結(jié)合方式及分子量進(jìn)行分類，即星型、線型兩大類。線型SBS 相對(duì)分子量低、易吸油溶脹、與瀝青相容性好，復(fù)合改性瀝青黏度小、低溫性能及儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好[9]；星型SBS 分子量高、模量大，復(fù)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(fù)合改性瀝青時(shí)加入改性劑可提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性。例如，加入相容劑能促進(jìn)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(zhì)油等；加入穩(wěn)定劑可使瀝青發(fā)生硫化反應(yīng)、接枝物化，聚合物與基質(zhì)瀝青間形成相界面吸附層，并形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)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(huì)增加成本。

2 廢膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青制備工藝

目前，制備復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)。

2.1 廢膠粉與SBS摻量

當(dāng)SBS 定量時(shí)，隨著膠粉摻量增加，復(fù)合改性瀝青黏度、軟化點(diǎn)會(huì)提高，而針入度降低；當(dāng)膠粉定量時(shí)，隨著SBS 摻量增加，復(fù)合改性瀝青黏度、軟化點(diǎn)、延度會(huì)提高，針入度降低[12]。目前的研究與應(yīng)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(dòng)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(fù)合改性瀝青呈現(xiàn)出軟化點(diǎn)、延度、彈性恢復(fù)性能先增加后減小的趨勢(shì)。復(fù)合改性瀝青的制備溫度一般采用175～180 ℃，此時(shí)，膠粉吸收瀝青輕質(zhì)組分，與SBS 在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)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(jié)構(gòu)，復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)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(jié)構(gòu)反而被破壞，復(fù)合改性瀝青雖具備較好的低溫性能，但軟化點(diǎn)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(duì)提升復(fù)合改性瀝青的高溫性能、低溫性能和儲(chǔ)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(fù)合改性瀝青改性機(jī)理

分析瀝青機(jī)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(duì)比了基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青與復(fù)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(fù)合改性瀝青在965 cm-1和698 cm-1處有明顯的吸收峰，基質(zhì)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(fù)合改性瀝青存在此特征峰。由此可見，復(fù)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(zhì)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(fù)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(jié)構(gòu)，且二者在溶脹過程中相互促進(jìn)，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(fù)合改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青，其吸熱峰面積也是最小，說明復(fù)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(fù)合改性以溶脹+脫硫+交聯(lián)為機(jī)理，提升使用性能。膠粉與SBS 吸收瀝青輕質(zhì)組分溶脹、脫硫后，與瀝青發(fā)生接枝反應(yīng)，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(fù)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(shù)要求，對(duì)基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的針入度、25 ℃軟化點(diǎn)、5 ℃延度、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、離析軟化點(diǎn)差、彈性恢復(fù)等性能進(jìn)行對(duì)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(fù)合改性瀝青針入度相差不大。與基質(zhì)瀝青相比，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)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(zhì)瀝青5 ℃延度最低，膠粉改性瀝青略有增高，SBS 改性瀝青和復(fù)合改性瀝青延度則大幅度提升。在彈性恢復(fù)和離析軟化點(diǎn)差方面，SBS 改性瀝青表現(xiàn)出絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，復(fù)合改性瀝青略差于SBS 改性瀝青，膠粉改性瀝青彈性恢復(fù)性能最差，且存儲(chǔ)穩(wěn)定性不好。黏度方面，相對(duì)于基質(zhì)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(fù)合改性瀝青、SBS 改性瀝青。

SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青和復(fù)合改性瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青，性能均有不同幅度提高，膠粉和SBS 在基質(zhì)瀝青中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使復(fù)合改性瀝青集合了SBS 改性瀝青、膠粉改性瀝青的部分特點(diǎn)。

5 結(jié)語

a）復(fù)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(huì)對(duì)復(fù)合改性瀝青的性能產(chǎn)生顯著影響，采用40～60 目C 級(jí)以上膠粉，膠粉脫硫后與瀝青相容性會(huì)提高，推薦使用線型SBS，合理控制改性劑摻量。

b）制備復(fù)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(shí)制備溫度、剪切速度等工藝參數(shù)會(huì)對(duì)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(jìn)行溶脹、脫硫、交聯(lián)后，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性，此過程以物理作用為主。

d）復(fù)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(shì)，相對(duì)于基質(zhì)瀝青性能有大幅度提升。

e）我國(guó)在廢膠粉-SBS 復(fù)合改性瀝青的理論、技術(shù)和應(yīng)用方面均取得很大研究進(jìn)展，需進(jìn)一步探索生產(chǎn)與施工工藝，優(yōu)化存儲(chǔ)穩(wěn)定性和各方面性能，規(guī)范復(fù)合改性瀝青的生產(chǎn)。