无机黏土对SBS改性沥青性能的影响

庞瑾瑜，杜素军，畅润田

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

众所周知，石油沥青具有优良的黏结性和可塑性，因而该材料被用于道路铺装而广泛使用。然而随着交通运输的迅速发展，载重量显著提高，沥青路面因载荷能力较小而易损坏。聚合物改性后的沥青能明显延长沥青路面的使用寿命，其高温抗流淌、低温抗开裂的能力均明显提高，耐候性和耐老化能力也增强，且与石料的黏附能力较强[1]。常用的聚合物改性剂可分为弹性体和塑性体，前者主要包括苯乙烯类嵌段共聚物，如 SBS、SBR、SIS、SE/BS 等，这一类物质抵抗永久变形的能力较强，可以恢复到原来的形状；塑性体主要有 PE、EVA、APP、EPDM 等，其抗永久性变形能力不如弹性体，但是具有早期强度[2]。其中，SBS改性后，沥青具有高温不软化，低温不发脆的特点，而且使用温度范围宽、力学性能好，从而成为目前国内外使用最广泛的一种聚合物改性剂[3]。然而，SBS和沥青的相对分子质量、化学结构和组成均存在很大的差别，容易出现离析分层现象[4-5]。

针对SBS改性沥青储存稳定性差的问题，科研工作者已开展了大量研究，从中可以发现，通过相容剂和稳定剂的加入可以明显改善SBS改性沥青的储存稳定性[6-8]。近几年，一些科研工作者基于无机黏土的独特结构和性质，将其作为沥青改性剂进行了研究，意外地发现这类无机物可以明显提升沥青路面的高温性能、抗老化性以及耐磨性；随后的研究中还发现，无机黏土可以降低基质沥青与SBS之间的密度差，可以用作改性沥青的稳定剂。随着相关研究工作的进一步推进，已有一些研究者将无机黏土加入SBS改性沥青中，但相关研究还不够充分，有待进一步扩展。Ouyang等选择混入高岭土，发现该体系的高温稳定性得到极大的提升，尤其是当高岭土和SBS的添加比例在1∶3左右时，效果最明显[9]。Galooyak等将蒙脱土作为交联剂加入SBS改性沥青中，目的在于将SBS分子之间相互剥离，从而使SBS更好地分散在沥青中，这样便可以提升改性沥青的储存稳定性；研究还发现，蒙脱土的掺量选择合适时，其加入不会降低SBS改性沥青的其他性能[10]。基于以上研究现状，本文中考察了3种无机黏土，硅藻土、膨润土和蒙脱土，考察了它们在不同掺量下对SBS改性沥青的性能影响，为这类新型的沥青添加剂的推广使用奠定一定的理论基础。

1 实验部分

1.1 原料

沥青采用壳牌90号，其性能指标见表1。

改性剂为巴陵石化产的SBS YH-791，苯乙烯含量为30%。硅藻土、膨润土和蒙脱土为佛山市南海官窑官中化工厂所赠小样。

表1 壳牌90号基质沥青的性能指标

1.2 改性沥青的制备

将基质沥青加热至140℃，加入5%的SBS，在170～180℃、转速3 000 r/min下剪切搅拌20 min，随后加入无机黏土，在160～170℃、转速3 000 r/min下剪切搅拌20 min，制得改性沥青。其中，无机黏土的掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.5%。

1.3 性能测试

改性沥青的软化点、针入度、延度分别按照GB/T 0606—2011、GB/T 0604—2011、GB/T 0605—2011的规定进行测定。改性沥青的储存稳定性通过离析实验进行考察，按照GB/T0661—2011的规定进行测定。

2 结果与讨论

为了更好地比较不同含量、不同类型的无机黏土对SBS改性沥青性能的影响，将软化点、针入度、延度以及离析软化点差对无机黏土掺量作图，详细结果见图1～图4所示，未加无机黏土的结果也在图中分别示出。

由图1可以看出，加入无机黏土之后，软化点均显著升高，大都超过70℃。硅藻土和蒙脱土均在掺量为1.0%时，软化点最高，膨润土则在1.0%掺量下的软化点最高。随着无机黏土掺量的增加，软化点在达到最大之后降低，尤其是蒙脱土作为无机黏土时，降低幅度较大，但仍然高于60℃。软化点大幅提升的原因可能是无机黏土和基质沥青的某些组分及SBS发生交联反应，同时降低相界面的界面张力，增加两相之间的亲和力，使改性沥青中的聚合物相与基质沥青相之间形成一层比较厚的相界面吸附层，增大沥青的黏度，从而升高软化点。

图1 改性沥青软化点随无机黏土掺量的变化情况

图2示出了改性沥青针入度随无机黏土掺量的变化情况，3种无机黏土加入后，针入度随掺量的增加其变化趋势相同，针入度均先减小后略微增大，在掺量为1.5%时，针入度最小。此外，从图中可以发现加入无机黏土后，针入度均比未加无机黏土的低，其中膨润土降低针入度的能力最高，其次是硅藻土。结合软化点结果，这3种无机黏土加入后，软化点明显增大，针入度则明显减小，这便可以认为在无机黏土加入后，改性沥青的高温稳定性得到了明显改善。

改性沥青的延度随无机黏土掺量的变化情况如图3所示，延度大都先增加后减小，含有硅藻土和蒙脱土的改性沥青在掺量为1.0%时达到最大值，含有膨润土改性沥青的延度最大值则在1.5%处；含有硅藻土改性沥青的延度整体大于其他两种无机黏土的样品；加入无机黏土后，延度均较未加无机黏土时的小，只有硅藻土的掺量为1.0%时与该值相近。值得说明的是，虽然加入无机黏土之后，延度大都比未加无机黏土的低，但是这些数据仍满足JTG F40—2004中改性沥青技术指标的要求，且所制备样品的延度均大于38 cm。

图3 改性沥青延度随无机黏土掺量的变化情况

由图4可以看到离析实验中软化点差随无机黏土掺量的变化结果，软化点差随掺量的增加大都无序变化，且离析现象较明显；只有硅藻土加入后，离析不很明显，且在1.0%和2.5%掺量下的离析软化点差小于1℃；随着蒙脱土掺量的增大，离析现象不明显，在掺量为2.5%时，满足JTG F40—2004中的要求。硅藻土有望分布于SBS和沥青的交联网络中，从而产生如下效果：a）硅藻土颗粒可以产生一定的空间位阻作用，阻碍SBS分子链聚集，从而改善离析现象；b）硅藻土能通过分子间作用力，与SBS和沥青形成许多交联点，由于这些交联点的存在，一方面改善SBS和沥青之间的相容性，另一方面对SBS和沥青分子链产生一定的约束力，从而提高SBS改性沥青的高温稳定性、温度敏感性及综合力学性能。因此，在SBS和沥青的混合体系中加入适量的硅藻土，对于改善SBS与沥青的相容性和改性沥青的贮存稳定性等性能是有利的。

图4 离析软化点差随稳定剂掺量的变化情况

3 结论

通过考察硅藻土、膨润土和蒙脱土加入后，对SBS改性沥青性能的影响，发现添加所选3种无机黏土后，a）在很小的掺量下便可显著升高软化点，并降低针入度，很大程度上提升了沥青的高温稳定性；b）延度略微降低，均大于 38 cm，满足JTG F40—2004中的要求；c）出现离析现象，只有硅藻土和蒙脱土在一定掺量下具有良好的高温储存稳定性。鉴于目前施工中沥青大都直接搅拌改性后使用，不存在高温储存的问题，而这3种无机黏土的加入可以明显提升沥青的性能，且制备简便，对设备要求低，因此有望得到推广应用。