制備技術(shù)參數(shù)對SBS 改性瀝青性能的影響

■陳 帆

（福清市交通建設(shè)投資集團有限公司，福州 350300）

SBS 聚合物是一種熱塑性彈性體，當(dāng)SBS 加入到瀝青中時，SBS 微粒受到瀝青中飽和分、 芳香分的作用發(fā)生溶脹，均勻分散在瀝青中，使瀝青的組分構(gòu)成比例發(fā)生變化，從而使改性瀝青體系的路用性能得到大幅度的提高[1]。 目前，SBS 改性瀝青的加工工藝以物理方法改性為主[2]，即在高溫狀態(tài)下使瀝青與SBS 混融，通過高速剪切將SBS 打碎后均勻分散在瀝青中[3]。 實踐證明加工工藝中的剪切時間、剪切溫度及發(fā)育時間都會影響改性瀝青的使用性能[4]。 福建省常用改性瀝青是通過在FREP70#瀝青中加入YH-791H 型SBS 改性劑改性而成。基于此，本試驗以FREP70# 瀝青為基質(zhì)瀝青，YH-791H 型SBS 為改性劑，以不同的剪切時間、剪切溫度和發(fā)育時間制備SBS 改性瀝青，并通過瀝青三大指標(biāo)試驗，分析不同制備技術(shù)參數(shù)對SBS 改性瀝青性能的影響，以期為相關(guān)研究項目提供一定的參考。

1 試驗材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用福建聯(lián)合石油化工有限公司（FREP）生產(chǎn)的70#瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果見表1。

表1 FREP70# 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 SBS 改性劑

SBS 改性劑為中國石化產(chǎn)YH-791H 型SBS 改性劑，主要物理性能指標(biāo)見表2。

表2 SBS 改性劑主要物理性能指標(biāo)

2 試驗方法

2.1 樣品制備

（1） 將350 g FREP 基質(zhì)瀝青加熱至所需溫度，啟動高速剪切機（圖1），加入YH-791H 型SBS 改性劑，在低速狀態(tài)下攪拌5 min 使SBS 均勻分散于瀝青中，在所研究的溫度和剪切攪拌轉(zhuǎn)速下剪切一定時間，再用直流電機攪拌機（圖2）在轉(zhuǎn)速約800 r/min下攪拌一定時間，使SBS 溶脹發(fā)育，得到SBS 改性瀝青樣品，具體制備條件如下：（1）選擇4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min 5個剪切速率在剪切溫度為180℃、 剪切時間為30 min和溶脹時間為2.5 h 條件下制備改性瀝青；（2）選擇30 min、40 min、50 min、60 min 4 組剪切時間，在剪切溫度為180℃、剪切速率為5 000 r/min 和溶脹時間為2.5 h 的條件下制備改性瀝青；（3）選定160℃、170℃、180℃、190℃4 個高速剪切攪拌溫度，在剪切時間為40 min、剪切速率為5 000 r/min 和溶脹時間2.5 h 的條件下制備SBS 改性瀝青；（4）選取1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h 6 個溶脹發(fā)育時間，在剪切溫度為180℃、剪切時間為40min 和剪切速率為5000r/min 的條件下制備SBS 改性瀝青。

圖1 高速剪切機

圖2 直流電機攪拌機

2.2 改性瀝青性能測試

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中對瀝青的技術(shù)要求進行瀝青技術(shù)指標(biāo)的測試，試驗儀器及測試方法見表3。

表3 基本性能實驗儀器及測試方法

3 結(jié)果與分析

3.1 高速剪切攪拌速率對SBS 改性瀝青性能的影響

不同剪切攪拌速率的改性瀝青軟化點、 針入度、延度的測試結(jié)果如圖3～5 所示。 由圖3 可知，改性瀝青的軟化點與剪切速率有關(guān)，當(dāng)剪切速率小于5 800 r/min 時改性瀝青的軟化點與剪切速率成正相關(guān)，當(dāng)剪切速率超過5 800 r/min 后軟化點隨著剪切速率的提升迅速下降。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，一方面隨著剪切速率的提升，SBS 改性劑被剪切得越細(xì)，在瀝青中分散程度也越高，可以在瀝青中構(gòu)成有效的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提升瀝青的高溫穩(wěn)定性，提高軟化點；另一方面剪切速率的提升導(dǎo)致剪切時摩擦產(chǎn)生的熱量急劇增加，從而加速SBS改性劑的分解，造成改性瀝青的高溫性能下降軟化點降低。

圖3 剪切速率對改性瀝青軟化點的影響

由圖4 可知，剪切速率對SBS 改性瀝青針入度的影響表現(xiàn)為先降低后增加。 在剪切速率為6 000 r/min左右時針入度最小，此時SBS 改性瀝青的抗剪切形變性能最好，這是由于SBS 改性劑均勻地分散于瀝青質(zhì)中，形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升了改性瀝青的抗剪切變形能力。

圖4 剪切速率對改性瀝青針入度的影響

由圖5 可知， 剪切速率對SBS 改性瀝青5℃延度的影響呈先提升后降低再小幅度變化的趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速在5 000 r/min 左右時延度達到最大。隨著剪切速率的提高，一方面使得SBS 改性劑粉碎得更徹底，在瀝青中更加均勻分散，另一方面導(dǎo)致溫度升高而造成SBS 改性劑發(fā)生降解，降低了改性效果。

圖5 剪切速率對改性瀝青延度的影響

綜上可以發(fā)現(xiàn)，瀝青的改性效果隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化， 當(dāng)剪切速率大于5 000 r/min 后SBS 改性劑發(fā)生降解，改性效果減弱。 因此，為保證改性效果，SBS 改性瀝青制備時剪切速率應(yīng)不大于5 000 r/min。

3.2 高速剪切攪拌時間對SBS 改性瀝青性能的影響

不同剪切攪拌時間的改性瀝青軟化點、針入度、延度的測試結(jié)果如圖6～8 所示。 由圖6 可知，軟化點隨著剪切時間的增長呈現(xiàn)先增大后減小的特點，在40 min 時軟化點最大。 導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因如下：一是剪切時間較短時SBS 改性劑顆粒剪切不夠充分，顆粒較大且分散不均勻，難以產(chǎn)生有效的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；二是由于SBS 改性劑顆粒過大造成比表面積過小， 無法有效吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，造成瀝青的軟化點偏低； 三是隨著剪切時間的增加，SBS 改性劑的長鏈結(jié)構(gòu)被破壞，分子量減少，改性劑的降解造成了軟化點的降低。

圖6 剪切時間對改性瀝青軟化點的影響

由圖7 可知，剪切時間對針入度的影響較小，剪切時間在30 min 左右時針入度最大，剪切時間為20 min 時針入度最小，當(dāng)剪切時間大于40 min 時針入度隨剪切時間增加而增加。

圖7 剪切時間對改性瀝青針入度的影響

由圖8 可知，SBS 改性瀝青5℃延度隨著剪切時間的增加呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。 剪切時間為40 min 左右時5℃延度達到最大。 這是因為剪切時間較短時SBS 改性劑顆粒較大且分布不均勻，無法形成有效的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且造成瀝青質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得SBS 改性瀝青5℃延度下降。隨著剪切時間的增加，SBS 改性劑顆粒被破碎成合適的大小且逐漸分散均勻，能有效地吸收輕質(zhì)組分，發(fā)生溶脹提高瀝青性能，并形成有效的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升了改性瀝青的低溫性能。當(dāng)剪切時間超過40 min后5℃延度逐漸降低，這是因為隨著剪切時間的增加改性劑顆粒進一步縮小， 溶脹效果降低， 隨著SBS 改性劑的降解， 丁二烯軟段的雙擊發(fā)生斷裂，降低了其抗拉伸性能。

圖8 剪切時間對改性瀝青延度的影響

從以上數(shù)據(jù)結(jié)果來看，SBS 改性瀝青的性能與剪切實際關(guān)系密切，具體體現(xiàn)為：剪切時間過短導(dǎo)致SBS 改性劑剪切不充分，SBS 改性劑顆粒過大且改性劑顆粒在瀝青中不能均勻分散，進而使瀝青內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時改性劑無法很好地溶脹于瀝青中，使得軟化點和5℃延度低。剪切時間過長時SBS 改性劑顆粒降解嚴(yán)重，長鏈結(jié)構(gòu)被破壞，過度剪切造成SBS 顆粒富集， 難以形成有效的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得SBS 改性瀝青的軟化點和5℃延度下降。

3.3 高速剪切攪拌溫度對SBS 改性瀝青性能的影響

不同剪切攪拌溫度的改性瀝青軟化點、 針入度、延度的測試結(jié)果如圖9～11 所示。 由圖9 可知，軟化點隨著剪切溫度的提升而提升， 在180℃左右時軟化點最高，溫度超過180℃后軟化點開始降低。這是因為隨著溫度的升高分子運動加劇，SBS 改性劑與瀝青之間的溶脹效果明顯。 然而溫度過高時SBS 改性劑發(fā)生降解，長鏈斷裂，溶脹效果減弱從而造成軟化點降低。

圖9 剪切溫度對改性瀝青軟化點的影響

由圖10 可知， 針入度隨著剪切溫度的升高先減小后增大，在175℃左右達到最小值，其原因與軟化點隨剪切溫度變化相同，具體表現(xiàn)為改性效果更好時抗剪切能力強，針入度低。

圖10 剪切溫度對改性瀝青針入度的影響

由圖11 可知， 剪切溫度低于170℃時5℃延度隨溫度升高而升高，這是因為隨著溫度的升高SBS改性劑分散更加均勻，改性劑顆粒也更小，使得應(yīng)力分布更加均勻，提高了改性瀝青的低溫延度。 剪切溫度大于170℃后5℃延度隨剪切溫度變化不明顯， 這是因為一方面改性劑隨溫度的升高發(fā)生降解，長鏈被破壞，分子度降低，改性效果減弱；另一方面隨著改性溫度的提升SBS 改性劑分子量更小，分布更加均勻，瀝青中應(yīng)力集中減弱，低溫延度增加。

圖11 剪切溫度對改性瀝青延度的影響

3.4 攪拌發(fā)育時間對SBS 改性瀝青性能的影響

不同發(fā)育時間的改性瀝青軟化點、 針入度、延度的測試結(jié)果如圖12～14 所示。 由圖12 可知，SBS改性瀝青的軟化點隨發(fā)育時間的增加呈先增長后減少的趨勢，在2.5 h 左右時軟化點達到最大值。其原因是：隨著發(fā)育時間的增加，改性劑逐漸溶脹，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性增強。當(dāng)發(fā)育時間過長SBS 改性劑發(fā)生降解，長鏈斷裂，分子量減少導(dǎo)致其性能降低。 同時瀝青在高溫靜置過程中不斷發(fā)生老化，使得高溫穩(wěn)定性能降低。

圖12 發(fā)育時間對改性瀝青軟化點的影響

由圖13 可知， 發(fā)育時間低于3 h 時針入度變化很小，當(dāng)發(fā)育時間高于3 h 針入度隨著發(fā)育時間的增加而逐漸減小。 其原因是：隨著發(fā)育時間的增長SBS 改性劑發(fā)生降解，分子量減少，使得改性瀝青的抗剪性能降低。

圖13 發(fā)育時間對改性瀝青針入度的影響

由圖14 可知，5℃延度隨著發(fā)育時間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其原因與發(fā)育時間對軟化的影響相同。

圖14 發(fā)育時間對改性瀝青延度的影響

4 結(jié)論

本研究采用FREP 基質(zhì)瀝青和YH-791H 型SBS 改性劑為試驗材料，通過改變制備條件，自制了一系列的SBS 改性瀝青，并對所制的SBS 改性瀝青的性能進行測試，確定了制備SBS 改性瀝青的適宜工藝，得出主要結(jié)論如下：（1）在不同高速剪切攪拌速率下制備的SBS 改性瀝青性能表明，過高的剪切速率會破壞SBS 分子的結(jié)構(gòu)，從長分子鏈變?yōu)槎替溄Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致SBS 改性瀝青的軟化點降低、延度減小，而剪切速率過小，造成SBS 改性劑分散不均勻、不充分，因此剪切速率宜控制在5 000 r/min；（2）在不同高速剪切攪拌時間下制備的SBS 改性瀝青性能表明，攪拌時間過短、攪拌不充分，SBS 分散不均勻；攪拌時間過長，在較高的制備溫度下，瀝青輕組分揮發(fā)、組分氧化遷移，SBS 分子降解，因此攪拌時間宜控制在40 min；（3）在不同高速剪切攪拌溫度下制備的SBS 改性瀝青性能表明，延長時間引起的SBS 改性瀝青性能的變化趨勢與延長攪拌時間引起的趨勢一致，即延長攪拌時間與提高攪拌溫度效果相近，結(jié)果顯示攪拌溫度宜控制在180℃；（4）在180℃下對初步制備的SBS 改性瀝青進行攪拌發(fā)育，根據(jù)攪拌發(fā)育時間對SBS 改性劑瀝青性能的影響，發(fā)育時間過長，容易老化降解，發(fā)育時間過短，SBS 改性劑溶脹不充分，SBS 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完善，因此SBS 改性劑瀝青攪拌發(fā)育時間宜控制在2.75 h左右。