胶粉对SBS改性沥青流变特性及微观结构的影响

2019-04-16包建业

中外公路 2019年3期

包建业

(内蒙古建筑职业技术学院，内蒙古呼和浩特 010070)

在中国的道路建设中，废旧胶粉改性沥青和SBS改性沥青因其性能优良，是目前使用最普遍的改性沥青。近年来，国内外路面研究工作者们倾向于将SBS改性剂、废旧胶粉和沥青进行适当的混合，以期得到性能更佳的复合改性沥青。

韦大川和王云鹏等通过分析发现CR/SBS复合改性沥青的降噪效果良好，在系统研究与分析的基础上，建立了CR/SBS复合改性沥青中聚合物掺量与吸声系数之间的线性关系；赵桂娥采用4%SBS+4%CR掺量形成CR/SBS复合改性沥青于室内进行路用性能试验，分析认为该掺量下CR/SBS复合改性沥青的路用性能良好；杨光和申爱琴针对季冻区沥青路面特殊病害问题，通过扫描电镜、红外光谱等试验系统地分析了CR与SBS共混的机理，并以魏茅茨(Wegmouth)粒子干涉理论为核心，研究出一整套适用于CR/SBS复合改性沥青混合料级配改进设计的方法。并重新定义CR/SBS复合改性沥青混合料路用性能指标体系。

将废旧胶粉与SBS改性沥青按照不同比例混合，制备CR/SBS复合改性沥青。工程中使用复合改性沥青不但可以缩减成本，而且可以减少环境污染。该文通过对CR/SBS复合改性沥青的流变特性以及微观结构进行研究，以明确CR/SBS复合改性沥青的改性效果和性能。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

采用的原材料分别为SBS改性沥青、20目(0.45 mm)废旧轮胎橡胶粉；另外选用橡胶油作为相容剂，稳定剂采用硫系稳定剂，经过室内试验测试，原材料的性能指标分别如表1～4所示。

表1 SBS改性沥青性能指标

1.2 CR/SBS改性沥青制备

为研究橡胶粉掺量对CR/SBS复合改性沥青性能的影响规律，选取的制备参数为：胶粉掺量为0%、10%、15%、18%、20%(橡胶沥青占总沥青质量比)、相容剂掺量为1.0%(质量分数)、稳定剂掺量为0.4%(质量分数)、胶粉剪切温度为195 ℃，剪切时间为2 h。

表2 橡胶粉的性能指标

表3 相容剂性能指标

1.3 胶粉掺量确定

表4 稳定剂的性能指标

表5 不同胶粉掺量的复合改性沥青性能

由表5可以看出：胶粉的加入可以提高CR/SBS复合改性沥青的软化点，且CR/SBS复合改性沥青的软化点随着胶粉掺量的增加而逐渐升高，当胶粉掺量由18%增至20%时，软化点升高幅度变缓。胶粉掺量对复合改性沥青的针入度影响也较大，随着胶粉掺量的增加，CR/SBS复合改性沥青的针入度逐渐降低。此外，随着胶粉掺量的增加，CR/SBS复合改性沥青的低温延度逐渐减小，在掺量由18%升至20%时，其橡胶/SBS复合改性沥青的延度降低幅度较为显著。CR /SBS复合改性沥青的177 ℃黏度随着胶粉掺量的增多而变大，当胶粉掺量超过18%时，CR/SBS复合改性沥青的177 ℃黏度为3.8 Pa·s，大于规范要求值。当胶粉的掺量由15%逐渐增加至20%时，其弹性恢复变化很微弱；而离析程度却较为明显，即其热储存稳定性变差。尤其是当胶粉掺量升至20%时，其离析度为5.7 ℃，远远超过了相关指标的要求。综合复合改性沥青的性能，选择胶粉的掺量为18%。

2 CR/SBS复合改性沥青流变性能

2.1 高温性能

美国SHRP计划中提出采用G*/sinδ车辙因子指标来表征沥青的高温性能。Superpave沥青规范采用G*/sinδ作为评价沥青的高温性能指标，可以体现沥青的动黏弹性质。研究通过DSR温度扫描试验获得SBS改性沥青、橡胶沥青和CR/SBS复合改性沥青在50～80 ℃范围内不同温度(T)对应的车辙因子(G*/sinδ)，试验结果如图1所示。将不同沥青试样的车辙因子进行线性拟合得到相应的破坏温度，如图2所示。

图1 不同沥青车辙因子

由图1可以看出：3种不同改性沥青的G*/sinδ随着温度的升高而逐渐降低，在同一温度下，3种沥青的车辙因子大小排序为：CR/SBS复合改性沥青>橡胶沥青>SBS改性沥青。从图2可以看出：橡胶沥青破坏温度与SBS改性沥青基本相当且略低于CR/SBS复合改性沥青，说明CR/SBS复合改性沥青的高温性略优于橡胶沥青和SBS改性沥青。

图2 不同沥青破坏温度

2.2 低温性能

SHRP沥青结合料规范提出弯曲梁流变试验评价结合料的低温性能，评价指标为蠕变劲度S和蠕变速率m。S表示结合料抵抗荷载的能力，m表示加载时结合料劲度随时间的变化率。其中，S值越小，m值越大，说明沥青的低温抗裂性越好。研究选用弯曲蠕变试验在-12、-18、-24 ℃时60 s的蠕变劲度S和蠕变速率m评价SBS改性沥青、橡胶沥青和CR/SBS复合改性沥青的低温性能。试验结果见图3、4。

图3 不同沥青蠕变劲度

图4 不同沥青蠕变速率

由图3、4可知：随着温度的降低，CR/SBS复合改性沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青的S值均明显增大，m值明显减小。在相同温度下，CR/SBS复合改性沥青的S值小于SBS改性沥青，m值大于SBS改性沥青，由此可以看出：CR/SBS复合改性沥青的低温性能良好，优于SBS改性沥青。

2.3 抗老化性能

通过对短期老化和长期老化后的SBS改性沥青、橡胶沥青和CR/SBS复合改性沥青进行温度扫描试验(35～ 50 ℃，步长为5 ℃)，确定不同温度时的G*sinδ，试验结果如图5所示。

图5 不同沥青的疲劳因子

由图5可以看出：随着温度的升高，3种改性沥青的疲劳因子均呈现逐渐降低的趋势。在同一温度下，CR/SBS复合改性沥青的疲劳因子略低于SBS改性沥青和橡胶沥青，但相差不大。由此可知：CR/SBS复合改性沥青的抗疲劳性能与SBS改性沥青基本相当，具有较好的抗疲劳性能。

3 微观结构

3.1 扫描电镜试验

扫描电镜(Scanning Electron Microscope，简称SEM)采用的是逐点成像的图像分解法。电子束在样品上做光栅扫描的同时，显像管中的电子束与此做同步扫描。这样，在荧光屏上显示出样品的表面微观形貌。因此，扫描电子显微镜可以对不同材料拌和后的微观结构进行观察评价。

分别对SBS改性沥青(SBS掺量3%)和CR/SBS复合改性沥青进行扫描电镜试验，试验结果如图6、7所示。

图6 SBS改性沥青

图7 复合改性沥青

对比图6、7可以发现：18%的橡胶粉掺进SBS改性沥青的共混体系中后，CR/SBS复合改性沥青的显微镜图像较普通SBS改性沥青的图像更为明亮、颗粒更多，同时发现由于胶粉的掺量远远高于SBS，大部分橡胶粉表面已被沥青中的轻组分溶解、溶胀，有些轻组分渗入了胶粉里面。分析原因：在高温条件下胶粉和改性沥青混合后，胶粉颗粒吸收了改性沥青中的组分而出现溶胀现象。胶粉颗粒表面形成的凝胶膜使胶粉颗粒之间较好地连接在一起。橡胶颗粒填充在沥青中形成骨架，从而说明其具有填充作用，而SBS则作为分散质分散于其中，二者结合在一起构成了紧密的网络结构，从而起到了改性效果。

整体上可以看出，CR/SBS复合改性沥青中没有出现明显的相界面，说明体系发生了化学反应，其中发生化学反应的为SBS，橡胶粉在体系中起到了填充作用；同时整个体系形成了改性剂相和沥青相双连续相，并形成了致密的空间网络结构，这也是CR/SBS复合改性沥青性能优异的本质。

3.2 红外光谱试验

在道路工程领域，红外光谱仪常被用来研究改性沥青的结构，可以通过红外光谱图分析改性沥青的分子结构和判断沥青中是否有新的官能团产生。

研究分别对SBS改性沥青和CR/SBS复合改性沥青的试样进行了红外光谱分析，得到各试样的红外光谱图如图8、9所示。

图8 SBS改性沥青红外光谱图

图9 复合改性沥青红外光谱图

从图8、9可以看出：CR/SBS复合改性沥青出现的峰型与SBS改性沥青基本相同，而不同点是，在SBS改性沥青较为明显的699、966 cm-1处的特征峰在CR/SBS复合改性沥青的谱图中强度相对要弱一点。为了进一步分析，通过699、966 cm-1处特征吸收峰面积比来进行定量研究，具体结果见表6。

表6 不同沥青特征吸收峰面积

A699表示699 cm-1处SBS的苯环上C-H面外摇摆振动形成的特征吸收峰面积，表征该官能团特征峰的吸收强度，A966表示966 cm-1处SBS中反式丁二烯两段C-H的面外摇摆振动形成的特征吸收峰面积，表征该官能团特征峰的吸收强度。A699/A966这个值在忽略SBS与沥青或胶粉发生少量的化学作用的前提下应该是一个定值，通过计算SBS改性沥青和CR/SBS复合改性沥青的 A699/A966值分别为1.054、1.061，可以发现CR/SBS复合改性沥青A699/A966值较SBS改性沥青有所升高，但不明显，说明胶粉与SBS改性剂发生了部分化学反应。