SBS/橡胶粉复合改性生物沥青高温性能研究

2022-01-21许巍,杨斌

湖南交通科技 2021年4期

许巍, 杨斌

(湘潭九华经济建设投资有限公司, 湖南湘潭 411100)

0 引言

截至2018年底，中国高速公路里程达14.26万km，其中90%以上为沥青路面。随着沥青路面的不断建设，沥青这种不可再生资源急剧减少，沥青成本不断上升，找到一种石油沥青资源替代品具有重要的战略意义。

生物沥青作为一种新型的沥青材料替代品已被道路科研人员广泛关注，并取得了一系列研究成果，但目前生物沥青的高温性能很难满足路用性能要求。为了改善生物沥青的高温性能，曾梦澜等[1-2]将岩沥青加入到生物沥青中，通过复合改性沥青3大指标和短期老化试验，考察了岩沥青对生物沥青高温性能的影响。丁湛等[3]采用在生物沥青中加入合成树脂的方式提高了沥青的高温性能。姜鑫[4]证明了多聚磷酸(PPA)和非晶态α烯烃共聚物(APAO)2种聚合物能够改善生物沥青的高温性能。汪海年等[5]研究了Sasobit温拌剂对生物沥青高温抗车辙性能的影响。高俊锋等[6]通过掺加SBS至生物沥青中提高其高温流变特性。董泽蛟等[7]对生物沥青进行SBS / 橡胶粉复合改性，表明两者的掺入对混合生物沥青的高温稳定性有较好的提升作用。

不难看出，大多数研究学者都通过添加外掺剂来改善生物沥青的高温性能，其中SBS因技术成熟、易加工、改性效果优良等特点被广泛应用于道路工程;其相容性、配伍性、贮存稳定性、改性机理等方面已有较多研究[8-9]。由研究成果可知，SBS与沥青可以很好地融合，对沥青结合料的高温性能有明显地提升效果，但其成本相对昂贵。

橡胶粉改性沥青与SBS改性沥青性能相近[10-11]，能改善沥青混合料的高温性能，而且成本低廉，同时为废旧轮胎的处理提供了有效途径，因此具有显著的社会经济效益，已被广泛应用于路面材料，但其与沥青混合的均匀性难以得到保证[12]。

为了提升生物沥青的高温性能，通过添加SBS与橡胶粉进行复合改性，并采用高速剪切制备复合改性生物沥青，利用温度扫描试验、多重应力蠕变恢复试验对改性生物沥青进行高温性能评价。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1基质沥青

基质沥青为环烷基原油生产的镇海AH-70。生物油为植物油脂蒸馏下来的残渣，是精馏脂肪酸生产过程中得到的副产品，约占植物油质量分数的3%～5%，主要成分为60%～80%的脂肪酸和植物醇，常用于路面沥青。SBS采用巴陵石化热塑性丁苯橡胶SBSYH-791H(1301-1)，为线型、mS∶mB=30∶70、未充油、分子量≤ 10万的SBS。橡胶粉为40目废旧斜交轮胎橡胶粉。

1.1.2改性沥青制备

将70#基质沥青在烘箱中加热至150 ℃，待基质沥青具有一定流动性后，掺入一定质量的生物油，搅拌均匀，放入加热炉中控温，温度保持在150 ℃～160 ℃，启动高速剪切仪，使转速缓慢增至3 000 r/min，匀速转动30 min制得生物沥青。在制得的生物沥青中同时加入一定比例的SBS或废旧橡胶粉或两者的混合物，温度控制在180 ℃左右，将剪切仪转速增至5 000 r/min，匀速剪切90 min后，置于烘箱中发育30 min制得复合改性沥青。

1.2 试验方法

参考现有研究学者对生物油、SBS、橡胶粉改性沥青的研究，选定生物油掺量为5%，SBS掺量1%、2%、3%，橡胶粉掺量5%、10%、15%(内掺)进行旋转黏度、温度扫描和多重应力蠕变恢复试验。

参考现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的试验方法对改性沥青进行T 0625-2011旋转黏度(RV)试验、温度扫描试验,参考2019年版《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(征求意见稿)》进行多重应力蠕变恢复(MSCR)试验。

旋转黏度测试温度为135 ℃，温度扫描采用原样沥青，温度设置40 ℃～90 ℃，采用应变控制模式，应变目标值12%，多重应力重复蠕变试验采用短期老化(RTFOT)的沥青试样，短期老化试验方法参考T 0610-2011沥青旋转薄膜加热试验，同样采用应变控制，应变目标值10%。

2 试验结果及讨论

2.1 黏度试验结果与分析

为了初步判断SBS/橡胶粉复合改性与单独掺入SBS或橡胶粉改性生物沥青高温性能效果，选用135 ℃旋转黏度大致表征改性沥青的施工拌和或压实性能，试验结果见表1，绘制柱状图如图1所示。

表1 单独掺入SBS或橡胶粉与SBS/橡胶粉复合改性生物沥青黏度对比沥青种类沥青组成旋转黏度/(Pa·s)170#53625%Bio38035%Bio+1%SBS45645%Bio+5%CR48855%Bio+1%SBS+5%CR689

图1 单独掺入SBS或橡胶粉与SBS/橡胶粉复合改性生物沥青黏度对比

从表1和图1可以看出，生物油的加入明显降低了基质沥青的黏度，这与预期效果一致，因为生物油的加入使沥青轻组分增加，达到降黏的效果[13]；在生物沥青中加入1%的SBS，黏度有一定提升，因为SBS均匀分布在生物沥青中，发生溶胀与沥青形成三维网络结构，增大了流动阻力；橡胶粉的加入与SBS的原理类似，两者都是聚合物，本身有较相似的性质，区别在于橡胶粉的掺量一般较SBS大。

当SBS / 橡胶粉复合改性之后，生物沥青的旋转黏度大幅度增加，甚至超过了基质沥青，这是因为SBS的密度比基质沥青小，产生离析悬浮于生物沥青之上，而橡胶粉的密度比生物沥青大，一般容易沉入混合物底部，当两者混合形成新型结构，其密度基本接近生物沥青，更易形成均相结构，故对生物沥青的高温黏度能产生有利影响[14]。

2.2 温度扫描试验结果及分析

先对70#基质沥青、单掺5%生物油(Bio)、单掺1%SBS、单掺5%橡胶粉(CR)的改性沥青分别进行温度扫描试验，得出各改性材料对基质沥青的影响效果，试验结果见表2，绘制曲线图如图2所示。

表2 不同改性材料对基质沥青车辙因子的影响温度/℃以下材料对应的车辙因子/kPa70#5%Bio1%SBS5%CR469.4265.37812.41511.456523.9722.3795.4594.765581.8131.1342.5882.497640.8230.5221.3251.138700.4190.2980.7830.763760.2220.1680.4670.372820.1250.0940.2370.146

图2 不同改性材料对基质沥青车辙因子影响效果对比

从图2可以看出，掺入5%生物油之后，生物沥青相比基质沥青车辙因子大幅度下降，验证了生物沥青高温抗车辙能力不足；SBS改性剂的加入使得基质沥青的车辙因子增大，且1%的掺量就已经具有较佳的效果；橡胶粉的掺入同样使得基质沥青高温稳定性有所提升，但5%橡胶粉较1%SBS的改性效果有所欠缺，这是因为橡胶粉与基质沥青的反应主要是物理作用，以共混为主，化学反应较少，而SBS颗粒相对橡胶粉与基质沥青分子间作用更加明显，形成物理交联作用，使沥青间组分发生比例性变化，形成稳定的凝胶型结构，从而较好地提升基质沥青高温性能[12]。

已有研究表明，SBS/橡胶粉复合改性对基质沥青产生较好的效果，可以综合两者各自的优势[14]，为了更好地提升生物沥青的高温性能，采用不同掺量的SBS/橡胶粉复合材料对生物沥青进行改性，考虑可比性，固定生物油比例为5%，预先探究单一不同掺量SBS、橡胶粉对生物沥青高温性能提升效果，试验结果见表3和表4，其规律如图3和图4所示。

表3 SBS对生物沥青车辙因子影响温度/℃以下材料对应的车辙因子/kPa70#5%Bio5%Bio+1%SBS5%Bio+2%SBS5%Bio+3%SBS469.4265.3786.2397.4548.432523.9722.3792.6662.8793.256581.8131.1341.3191.4341.676640.8230.5220.6280.6220.713700.4190.2980.3650.3980.548760.2220.1680.2040.2160.22820.1250.0940.1130.1180.12

表4 橡胶粉对生物沥青车辙因子影响温度/℃以下材料对应的车辙因子/kPa70#5%Bio5%Bio+5%CR5%Bio+10%CR5%Bio+15%CR469.4265.3786.458.36410.293523.9722.3792.7633.5374.233581.8131.1341.5621.6821.945640.8230.5220.6330.7430.855700.4190.2980.3540.4130.576760.2220.1680.1940.2210.25820.1250.0940.1080.1210.14

图3 SBS对生物沥青高温性能提升效果

图4 橡胶粉对生物沥青高温性能提升效果

从图3可以看出，加入SBS对生物沥青的车辙因子有明显提高，且随着SBS掺量增加，效果愈加明显。这是因为SBS一方面可以吸收沥青里面的轻组分，增加黏性；另一方面，SBS的线型链状结构可以与沥青缠绕在一起，形成网络空间结构。但加入3%SBS，其改善后的高温性能仍不如基质沥青，这是因为生物油的加入使得沥青轻组分增加、黏度降低、变得更软，导致高温性能变差，3%SBS掺量改善效果不足以抵消5%生物油产生的高温性能下降[9,13]。

橡胶粉与SBS同是聚合物，具有类似性质，从图4可以看出，掺入橡胶粉后，生物沥青车辙因子明显增大，且随着掺量增加，改性效果更加突出。当掺量达到15%时，高温性能已经超过基质沥青，究其原因是橡胶粉的掺入使其与沥青质产生接触，在高温剪切作用下发生溶胀，胶粉与沥青嵌挤在一起形成三维结构，增大了生物沥青的黏度和模量，从而改善生物沥青高温性能[10]。

与SBS不同，橡胶粉的掺量相对SBS较多，而SBS由于颗粒大小较橡胶粉占优势，更容易均匀分散在沥青中，橡胶粉改性沥青的特点就在于经济性好[7]。与图3相比，15%橡胶粉改性效果较3%SBS改性效果更好，但众所周知，橡胶粉在实际生产过程中很难形成均相结构，故在生物沥青中掺入一定量的SBS，再掺入一定量的橡胶粉，可以综合两者优势，达到经济环保、高温性能优良的效果。

2.3 多重应力重复蠕变恢复试验结果及分析

为了论证SBS/橡胶粉相比单独掺入更能提升生物沥青高温性能，根据不同沥青种类温度扫描试验结果，综合确定PG高温等级，选用58 ℃进行多重应力重复蠕变恢复试验(MSCR)，以恢复率、不可恢复蠕变柔量作为评价指标，对复合改性沥青进行弹性恢复和应力效应分析，结果见表5和表6，不同SBS / 橡胶粉掺量复合改性生物沥青和基质沥青高温性能对比如图5和图6所示。其中：1为70#基质沥青，2为5%Bio生物沥青,3为5%Bio+1%SBS+5%CR改性生物沥青，4为5%Bio+2%SBS+5%CR改性生物沥青，5为5%Bio+3%SBS+5%CR改性生物沥青,6为5%Bio+1%SBS+10%CR改性生物沥青，7为5%Bio+2%SBS+10%CR改性生物沥青，8为5%Bio+3%SBS+10%CR改性生物沥青,9为5%Bio+1%SBS+15%CR改性生物沥青，10为5%Bio+2%SBS+15%CR改性生物沥青，11为5%Bio+3%SBS+15%CR改性生物沥青。

表5 SBS/橡胶粉复合改性生物沥青与基质沥青恢复率对比种类以下应力水平(kPa)对应的恢复率/%0.13.216.532.67224.160.54636.192.54747.752.837510.76.376614.28.128719.39.248823.5511.539930.4715.211035.718.331142.526.78

表6 SBS/橡胶粉复合改性生物沥青与基质沥青不可恢复蠕变柔量对比种类以下应力水平(kPa)对应的不可恢复蠕变柔量/(kPa-1)0.13.211.22 1.3122.64 2.9331.39 1.6741.13 1.2050.96 1.1260.86 0.9970.65 0.7680.44 0.5390.32 0.37100.25 0.33110.19 0.27

图5和图6的MSCR试验结果表明：两种应力水平下，SBS/橡胶粉聚合物改性沥青随着掺量增加，其恢复率具有明显增长趋势，不可恢复蠕变柔量具有明显减小规律。

与生物沥青相比，掺入SBS/橡胶粉复合改性沥青后，复合改性后的生物沥青恢复率大幅提升，SBS掺量3%+橡胶粉掺量15%的情况，0.1 kPa应力水平下提升程度为改性生物沥青之前的10倍以上，3.2 kPa应力水平下提升50倍以上；从不可恢复蠕变柔量来看，相比5%生物油掺量的生物沥青，3%SBS+15%橡胶粉掺量时，0.1 kPa应力水平下，不可恢复蠕变柔量降低至原来的15.36%，3.2 kPa应力水平下降低至原来的9.32%。

图5 SBS/橡胶粉复合改性生物沥青与基质沥青恢复率对比

图6 SBS/橡胶粉复合改性生物沥青与基质沥青不可恢复蠕变柔量对比

与基质沥青相比，恢复率和不可恢复蠕变柔量2个指标表明，当SBS掺量2%+橡胶粉掺量5%时，复合改性生物沥青高温抗变形能力已经超过基质沥青，这与温度扫描得出的结果一致，且随着掺量增加，改性效果更加明显，且一直呈现增长趋势。

SBS/橡胶粉聚合物改性生物沥青之间相比，控制SBS掺量不变，增加橡胶粉掺量，复合改性生物沥青的高温性能呈提高趋势；控制橡胶粉掺量不变，增加SBS掺量可以得到同样的结果。相比SBS，提高橡胶粉掺量，复合改性生物沥青高温性能提高更明显，但同时不可恢复蠕变柔量有减缓趋势，说明3%SBS和15%橡胶粉的复合已接近最佳掺量。

与单一掺入SBS或橡胶粉相比，SBS/橡胶粉复合改性沥青可以综合两者的优势，MSCR试验结果验证了这一点。两者的复合可以将改性效果进行叠加，原因在于一方面两者同属于聚合物，具有类似的性质，另一方面，两者颗粒大小不一致，可以更好地与沥青混合形成骨架结构，且两者的密度结合起来更接近于基质沥青，易在混合物中均匀分布[4,6]。经济性方面，SBS成本高，加工复杂，故掺量较少；橡胶粉制作工艺相对简单，且能对废弃物进行有效处理，故掺量较高。用一定掺量橡胶粉替代部分SBS，不仅可以节约SBS的成本，还可以处理掉废旧轮胎。更为重要的是，两者复合之后对生物沥青的高温性能提升效果极佳，同时为生物沥青广泛用于道路工程提供了有效途径。