SBR改性瀝青及其混合料的研究及應用綜述

摘 要：丁苯橡膠（SBR）可以在瀝青膠結料中形成密集的三維網絡結構，這種具有一定拉伸性及彈性的結構可以有效改善瀝青及其混合料的低溫抗裂性能。文章根據SBR改性效果以及SBR改性瀝青及其混合料的不同應用情況，主要從SBR改性機理、SBR改性瀝青及其混合料的使用性能、老化性能與再生研究等方面進行了綜述，重點分析了目前SBR改性瀝青及其混合料存在的不足以及相關應對策略，對未來研究工作提出了展望。

關鍵詞：SBR改性瀝青；SBR改性瀝青混合料；路用性能；老化性能；再生技術

中圖分類號：U414.1A250873

0"引言

瀝青路面在冬季容易發(fā)生溫縮裂縫，這是因為瀝青膠結料屬于溫度敏感類材料。丁苯橡膠（SBR）的摻入可以提高瀝青及其混合料的低溫抗裂能力，減少瀝青路面冬季開裂的可能性。在道路養(yǎng)護與維修工程中，SBR改性乳化瀝青常用于黏層、微表處、超薄磨耗層、稀漿封層以及熱再生與冷再生混合料。

目前研究發(fā)現，SBR改性瀝青存在高溫穩(wěn)定性不足及短期老化問題嚴重，這需要通過復合改性的方法來彌補SBR改性瀝青的不足。添加多聚磷酸（PPA）、無機納米材料、纖維素以及巖瀝青等是改善SBR改性瀝青高溫性能的主要方法。水性環(huán)氧樹脂可以明顯改善SBR改性乳化瀝青的水穩(wěn)定性及耐磨耗能力。此外，有機化膨脹蛭石（OEVMT）/納米氧化鋅（nano-ZnO）復合改性劑以及溫拌技術被應用于提升SBR改性瀝青的抗老化性能。對于SBR改性后的再生及冷再生混合料使用性能具有一定的提高，這將有利于提升RAP材料的循環(huán)利用，進一步推進低碳綠色環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略。

根據SBR改性效果以及SBR改性瀝青及其混合料的不同應用情況，本文主要從SBR改性機理、SBR改性瀝青及其混合料的使用性能、老化性能與再生研究等方面進行總結與思考。

1"SBR聚合物改性機理

SBR改性劑是一種典型的共聚物，由苯乙烯與丁二烯共聚而成。當SBR加入瀝青中后，SBR分子相互交聯，形成三維網狀結構，如圖1所示［1］。交聯結構在低溫環(huán)境下具有較好的拉伸能力，這可以起到類似于增強纖維的效果。動態(tài)力學熱分析實驗結果表明，SBR聚合物可以提升基質瀝青的儲存模量和損耗模量2～3倍。此外，SBR的摻入對基質瀝青的玻璃化溫度具有明顯的降低作用，玻璃化轉變溫度越低代表瀝青低溫變形能力及低溫應力松弛能力越好。在4%摻量SBR的作用下，瀝青的玻璃化溫度可以從-14 ℃降低到-28 ℃，這表明瀝青的低溫抗裂性能得到了明顯的提升［2］。

2"SBR改性瀝青及其混合料使用性能

由于SBR聚合物改善了瀝青膠結料的低溫性能，SBR改性瀝青混合料相比于普通瀝青混合料具有更低的斷裂溫度、更高的斷裂強度及斷裂應變［3］。研究表明，瀝青混合料在SBR的改性作用下，-10 ℃環(huán)境條件下的彎曲拉伸應力與應變明顯變低，這表明SBR改性瀝青混合料在低溫條件下具有更好的變形能力［4］。由此可見，SBR可以減少實際道路工程中瀝青路面低溫開裂的情況，從而有效防止雨水從裂縫滲入路面結構，破壞瀝青膠結料與集料之間的有效粘結，延長瀝青路面的服役壽命。但是，因為SBR對瀝青膠結料的高溫敏感性并無明顯影響，SBR改性瀝青與普通瀝青膠結料的軟化點差別很小。隨著全球氣溫變暖，冬季嚴寒和夏季酷熱并存的惡劣環(huán)境出現在我國許多地區(qū)，瀝青路面表面溫度在夏季將近70 ℃，這會使SBR改性瀝青路面頻發(fā)車轍病害。因此，Liang等［5］利用多聚磷酸（PPA）的中和反應和酯化反應，使其交聯于瀝青分子，使瀝青分子的主烴鏈長度、芳烴縮合度以及取代芳烴結構等也會產生變化，同時伴以新物質的生成，最終提升SBR改性瀝青的稠度與硬度，改善SBR改性瀝青混合料抗高溫車轍能力［6］。另外，其他無機化合物，如納米碳酸鈣（nano-CaCO3）及納米黏土，可以通過物理改性作用來改善SBR改性瀝青混合料抗的高溫穩(wěn)定性［7］。然而，這些改性劑均會對SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂能力造成不同程度的損害。對于瀝青路面道路的長期使用性能來說，路面的疲勞壽命至關重要。研究者通過納米黏土與PPA提升了SBR改性瀝青混合料的抗疲勞開裂性能［8-9］。

在瀝青混合料冷拌技術中，SBR也被用于乳化瀝青的改性，以此制備低溫性能優(yōu)異的乳化瀝青混合料。制備SBR改性乳化瀝青一般是采用先乳化后改性的方法，制備流程如圖2所示。高速剪切高溫流動狀態(tài)的基質瀝青與皂液，制備出普通瀝青，隨之投入SBR改性劑繼續(xù)剪切，最終形成穩(wěn)定的SBR改性乳化瀝青［10］。其中，為保證改性乳化瀝青的乳化效果及儲存穩(wěn)定性，SBR改性劑通常為膠乳狀態(tài)。孫志林等［11］制備了3種不同乳化劑的SBR改性乳化瀝青，發(fā)現隨著SBR摻量的增加，改性乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性隨之下降，摻量≤3.5%時，仍具有良好的穩(wěn)定性，如圖3所示。此外，SBR改性乳化瀝青漿體最好的快干效果出現在水泥摻量為4.0%時。

SBR改性乳化瀝青在瀝青路面養(yǎng)護與維修工程應用時，存在粘結性不足及高溫穩(wěn)定性較差等問題。因此，需要通過復合改性的方法提升SBR改性乳化瀝青及其混合料的使用性能。弓銳等［12］制備了應用于超薄磨耗層黏層SBR/SBS復合改性乳化瀝青，相比與SBR單一改性乳化瀝青，其在水泥板界面上的拉拔強度提升了72.0%，說明SBS改性乳化瀝青的粘結性能得到明顯提升。為提升SBR乳化瀝青混合料的高溫抗車轍能力，魏云格等［13］通過納米纖維素改善了SBR乳化瀝青的高溫PG等級，并通過紅外光譜試驗證明了納米纖維素只是物理改性作用。賈曉培［14］制備了膠粉/SBR復合改性乳化瀝青，微表處的使用性能及降噪特性在復合改性乳化瀝青的作用下具有一定的提升。張淑雅［15］則用巖瀝青對SBR改性乳化瀝青進行進一步改性，研發(fā)出適用于冬季冷潮濕且夏季炎熱地區(qū)的稀漿封層復合改性乳化瀝青混合料。此外，水性環(huán)氧樹脂對SBR改性乳化瀝青的使用性能也具有明顯提升效果。劉俠等［16］采用E-44型水性環(huán)氧樹脂與SBR乳劑對普通乳化瀝青進行復合改性，發(fā)現E-44固化產物均勻分散并穿插在瀝青相當中，在瀝青相內形成骨架結構，使膠結料整體分布均勻，乳化瀝青強度及韌性明顯更強。水性環(huán)氧樹脂還能增強瀝青與集料之間的粘附特性，進而改善微表處混合料的抗水損害性能。但是，水性環(huán)氧樹脂摻量過多會導致復合改性微表處混合料的脆斷破壞，降低其耐磨耗能力，如圖4所示［17］。另外，朱曉斌［18］發(fā)現，水性環(huán)氧與SBR復合改性乳化瀝青微表處混合料的高溫穩(wěn)定性會隨著SBR摻量的增加而降低，4%摻量時水穩(wěn)定性及耐磨性能最好。

3"SBR改性瀝青老化性能

由于SBR聚合物的增黏作用，SBR改性瀝青混合料在拌和、攤鋪和碾壓過程中的施工溫度較普通瀝青混合料高，這不僅會導致瀝青膠結料的老化硬化，還會讓容易熱氧老化的SBR聚合物發(fā)生嚴重的降解，使聚合物交聯結構遭到明顯破壞，最終導致SBR改性瀝青的低溫抗裂性大幅度降低。Zhang等［19］發(fā)現，SBR改性瀝青短期老化之后，在5 ℃時的延度下降到30 cm，下降幅度高達80%，這會損害SBR改性瀝青混合料優(yōu)異的低溫抗開裂性能。熱重測試可以驗證瀝青輕組分揮發(fā)及聚合物熱降解過程［20］。另外，在傅里葉變換紅外光譜（FTIR）實驗中可以看到，SBR改性瀝青的紅外光譜中的966 cm-1附近的丁二烯特征峰強度顯著變弱，這說明了SBR聚合物的降解嚴重［21］。由此可見，改善SBR改性瀝青的抗老化性能是延長SBR改性瀝青路面使用壽命的關鍵。Zhang等［22］和Zhu等［23］通過有機化膨脹蛭石（OEVMT）的熱阻隔及納米氧化鋅（nano-ZnO）紫外光吸收作用，制備出的OEVMT/nano-ZnO復合改性劑可以在保持SBR改性瀝青低溫PG等級不變的情況下，顯著提升其光熱氧老化抗性，最終將1% OEVMT + 3% nano-ZnO確定為最佳復合改性劑配比。Li等［24］采用Sasobit溫拌劑的顯著降黏效果降低SBR改性瀝青的短期老化溫度，有效降低了SBR的降解程度，如圖5所示。同時，通過環(huán)氧大豆油（ESO）彌補Sasobit對低溫抗裂性能的不利影響，最終在Sasobit/ESO復合溫拌劑的作用下，SBR改性瀝青抗短期老化性得到有效的改善。

4"SBR改性瀝青混合料再生利用

近年來，許多研究者開展了相關SBR改性瀝青混合料再生研究，目的在于提升普通再生瀝青混合料的綜合使用性能，增大RAP材料的利用率。高庭瑞［25］在進行SBR改性就地熱再生瀝青混合料時發(fā)現，熱再生瀝青混合料的抗裂性能在SBR改性瀝青的作用下具有顯著改善，但RAP摻量過高會明顯弱化SBR改性瀝青的提升效果。廠拌熱再生混合料在SBR膠乳的作用下，即使RAP摻量達到50%，其低溫和水穩(wěn)定性與新拌瀝青混合料相比具有相當水平［26］。伊慶剛等［27］則采用青川巖瀝青，提升熱再生SBR改性瀝青混合料的抗高溫車轍及抗水損害性能，并將巖瀝青最佳摻量推薦為8%～10%。潘懷兵［28］和何東坡等［29］均將SBR應用于冷再生混合料的制備，以此提升混合料的低溫抗裂性。此外，朱雅婧等［30］運用分子動力學模擬，研究了SBR/SBS復合改性劑在再生混合料中的擴散特性，結果如圖6所示。由圖6可以明顯看到，SBR與SBS的配合比為4%與8%時，復合改性劑具有最好的擴散效果。

5"結語

為應對大氣溫度的變化及車輛載重的增加情況，推進節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，提升具有優(yōu)異低溫性能的SBR改性瀝青綜合使用性能是道路工程研究必要的工作。綜上，本文介紹了SBR改性瀝青及其混合料的相關研究及應用進展，主要結論與展望如下：

（1）SBR分子相互交聯所形成三維網狀結構可以起到類似于增強纖維的作用，這是瀝青膠結料低溫抗裂性能得到改善的原因。SBR改性瀝青高溫穩(wěn)定性存在不足，這可以通過多聚磷酸（PPA）的有機改性及一些無機化合物的物理改性作用來彌補。

（2）可以通過先乳化再改性的方式制備SBR改性乳化瀝青。SBS聚合物、納米纖維素、膠粉、巖瀝青以及水性環(huán)氧樹脂等材料與SBR膠乳復合改性的乳化瀝青具有良好的綜合使用性能，可應用于道路的養(yǎng)護與維修工程。

（3）溫拌技術及OEVMT/nano-ZnO復合改性劑可以有效減少SBR嚴重的短期熱降解程度，提升SBR改性瀝青及其混合料的老化性能。

（4）SBR改性瀝青及SBR乳膠可以應用于瀝青混合料的熱再生與冷再生中，提升再生瀝青混合料的路用性能。

（5）目前雖然對SBR改性瀝青及其混合料進行了大量研究，但大部分研究缺少系統化，而且研究成果仍處于實驗室階段。如果開展較為全面系統的研究，形成相應的規(guī)范標準，這將有利于路面建設的長遠發(fā)展。

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