基于制备工艺参数的SBS/CR复合改性沥青性能研究

2018-08-28尹业豪

西部交通科技 2018年6期

尹业豪

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；2.广西交通科学研究院有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

近年来随着现代公路交通量的迅猛增长以及车辆大型化、交通重载化问题的出现，使得普通沥青路面病害频发，严重危及行车安全和路面耐久性。因此，如何提高沥青路面性能，使之满足当前交通量及适应极端气候频现的环境，是当前亟待解决的问题。

研究表明，将废旧轮胎磨细制成的胶粉加入沥青中能够有效改善沥青的性能[1-2]，将废旧轮胎应用于道路工程中已成为解决“黑色污染”的有效途径之一。橡胶粉(CR)价格低廉，能增加路面弹性、抗老化性能，SBS对沥青高、低温性能改善显著，但价格相对较高。将两种改性剂结合使用，既能保证沥青改性效果，又能降低施工成本，是理想的沥青改性方式[3]。目前限制橡胶沥青应用和推广的关键是由于胶粉脱硫程度不足进而导致沥青改性效果欠佳，制备工艺对改性沥青性能影响显著，因此本文主要研究制备工艺参数对SBS/CR复合改性沥青性能的影响，以期促进SBS/CR复合改性沥青的应用和推广。

1 原材料与实验方案

1.1 原材料

试验采用SK-90基质沥青，CR为40目载重轮胎胶粉，灰分9.81%，丙酮抽出物14.28%，掺量为沥青质量20%(外掺)。SBS为白色长条状，掺量为2.0%，性质见表1。按照《公路工程及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对基质沥青性能检测，结果见表2。

1.2 SBS/CR复合改性沥青制备

将一定比例的相容剂与CR放入160 ℃烘箱溶胀1 h，取出后与SBS共同拌入热沥青中，在设定的加工温度(170 ℃、180 ℃、190 ℃)、剪切转速(3 000 rpm、4 000 rpm、5 000 rpm)及时间(60 min、70 min、80 min)下制得改性沥青。

采用针入度、软化点、低温延度、软化点差评价不同制备工艺参数改性沥青的感温性、高温稳定性、低温抗裂性及储存稳定性，采用光学显微镜观察改性橡胶沥青的微观形貌。

2 试验结果

2.1 加工温度对改性沥青性能的影响

加工温度是影响改性沥青性能至关重要的因素，将溶胀1 h的胶粉与SBS拌入热沥青中，设定加工温度为170 ℃、180 ℃、190 ℃，剪切转速为3 000 rpm，加工时间为60 min，制得的改性沥青编号为T1、T2、T3，性能如图1所示。

(a)

(b)

(d)

由图1可知，随着加工温度升高，改性沥青出现针入度、软化点、延度上升，软化点差下降的趋势。加工温度越高，胶粉、SBS与沥青反应越充分，温度为170 ℃时，胶粉仍处于溶胀状态，内部化学键并未断裂，此时胶粉在沥青中仅为体积膨胀，与SBS还未形成有效网络结构，此时改性沥青内部由于橡胶颗粒过大导致延度极低、储存稳定性差的缺陷。升温至180 ℃，橡胶分子开始脱硫，内部三维网络结构逐渐疏松，此时沥青中的轻质组分进入胶粉内部，SBS与沥青由于密度差相互牵引[4]，储存稳定性表现良好。沥青由于橡胶分子和SBS逐渐融入而出现软化点升高趋势，低温抗拉性能也逐渐稳定，此时改性沥青综合性能最优。继续升温会使得胶粉脱硫过度，引发解聚现象，橡胶分子内部网络结构被过度破坏，成为仅具延性的大分子链，改性沥青低温延性优异，但软化点下降，高温抗变形能力降低。

加工温度对改性沥青性能影响最为显著，采用光学显微镜观察不同加工温度的复合改性沥青微观形貌，如图2所示。从图2可以看出，T1中橡胶颗粒正处于溶胀状态，体积与SBS颗粒差距显著；加热至180 ℃，胶粉颗粒尺寸明显降低，说明此时胶粉从溶胀转为脱硫状态，与SBS共同均匀分布于沥青中；进一步升温至190 ℃，发现改性沥青混合相中出现炭黑析出及SBS分解现象，此时SBS均已处于过度降解状态。

(a)T1

(b)T2

(c)T3

因此，当加工温度过低时，胶粉与SBS与沥青反应微弱，改性作用不明显，但加工温度过高又会过度破坏胶粉尤其是SBS内部弹性网络结构[5]，致使改性沥青高温性能丧失，综合来看，180 ℃为较优的加工温度。

2.2 加工时间对改性沥青性能的影响

加工时间与加工温度是相互制约的两个变量，由上述研究可确定最优加工温度为180 ℃，在此基础上进行不同加工时间(60 min、80 min、100 min)的改性沥青制备，制得的改性沥青编号分别为M1、M2、M3。图3为三种改性沥青的性能测试结果。

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)M1

(b)M2

(c)M3

图3的试验结果表明，随着加工时间的增加，复合改性沥青性能呈现增长趋势。加工时间由60 min增至80 min，胶粉由溶胀过程逐步转为脱硫状态，部分C-S及S-S键断裂，胶粉、SBS与沥青开始搭接，胶粉内部有益物质释放进入沥青中，改善沥青的各项性能。可以看出，沥青软化点差明显降低，说明此时共混体内部已逐步形成均已稳定结构，SBS上浮及橡胶颗粒下沉状态有所改善。延长剪切时间至100 min，改性沥青针入度、软化点及软化点差均降低，延度显著升高，这些现象表明此时胶粉和SBS可能出现老化现象，在沥青中起到增强和改善作用主体的有效胶粉含量降低，SBS链段被氧化分解，造成改性沥青性能降低。

图4为不同加工时间下改性沥青的光学显微图像。从图中可以看出，随着加工时间增加，改性沥青中橡胶分子和SBS分子粒径逐渐降低，M2和M3中胶粉及SBS分布更密集、相容性更优。M3中可见明显的炭黑析出痕迹，此时SBS颗粒尺寸大幅降低，说明存在胶粉及SBS老化的现象。综合不同加工时间的改性沥青性能测试和微观图像，建议剪切时间选择80 min为宜。

2.3 剪切转速对改性沥青性能影响

改性沥青制备过程中的剪切工艺作用在于将聚合物颗粒剪切磨碎，对于橡胶颗粒来说，剪切作用除了能将未反应的颗粒剪碎、尺寸降低，还能将溶胀的胶粉磨碎、释放其中吸收的轻质组分。因此，剪切作用对制备SBS/CR复合改性沥青至关重要。在确定加工温度为180 ℃、加工时间为80 min的基础上，研究不同剪切转速(3 000 rpm、4 000 rpm、5 000 rpm)对改性橡胶沥青性能的影响，制得的改性沥青编号分别为S1、S2、S3，性能如下图5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

分析图5可得，剪切转速对改性沥青各项指标均有显著影响，随着剪切转速提升，改性沥青针入度及延度呈现升高趋势，软化点和软化点差呈现降低趋势。造成这一现象的原因可能是由于转速越高，橡胶与SBS颗粒粒径越小，与沥青相容性越好，但当粒径降低至一定程度后，增加转速很难继续进一步降低颗粒尺寸，此时沥青内部颗粒已形成稳定状态。橡胶分子粒径在转速的升高下不断降低，起到支承和增弹作用的有效橡胶颗粒数量也随之降低，改性沥青高温稳定性下降，表现为软化点降低，同样地，粒径尺寸减小对提升低温延性和储存稳定性极为有利，因此改性沥青总体表现出高温稳定性降低、低温抗裂性和相容性提升的趋势。

图6 不同剪切转速改性沥青黏～温影响曲线图

剪切转速对改性沥青黏度有显著影响，图6为不同剪切转速制备的改性沥青黏～温曲线图，分析可得，转速越高，改性沥青黏度越低，橡胶粉及SBS在沥青中降解程度越高。黏度过低会降低改性沥青与集料的黏附性能，从而造成路面车辙破坏，黏度过高又会增加施工难度，因此综合改性沥青性能指标、施工因素和黏附性能，选取4 000 rpm为合适的剪切转速。