胶粉对高掺量SBS 改性沥青性能的影响研究

2022-05-31毛三鹏何炎衡郝亚苹曾尚恒韩晓斌余剑英

新型建筑材料 2022年5期

毛三鹏，何炎衡，郝亚苹，曾尚恒，韩晓斌，余剑英

（1.中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100195；2.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430070）

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）兼具热塑性树脂的易加工性和橡胶的高弹性，以其为原料制备的改性沥青具有优良的高低温性能，已经在道路和防水领域得到广泛应用[1-2]。然而，在光、热、氧等作用下，SBS 改性沥青易发生老化，导致其性能劣化，严重影响SBS 改性沥青的使用寿命[3-4]。以废弃轮胎等橡胶制品为原料加工的胶粉包含硫化橡胶、填充剂、补强剂、防老剂和未消耗的硫化剂等，已被用作沥青的改性剂[5-7]。Cong 等[8]研究了胶粉种类和掺量对沥青路用性能的影响，加入胶粉后，沥青的针入度、延度虽有所降低，但软化点、粘度、复合模量和车辙因子均明显提高。Ye 等[9]研究了脱硫胶粉对沥青性能的影响，发现脱硫胶粉对沥青的高低温性能有很好的改善效果。王强等[10]研究发现，由于胶粉中含有大量炭黑，掺加胶粉后减缓了沥青的老化速度，提高了沥青的抗老化能力。

SBS 与胶粉复合使用可使两者优势互补，对沥青的性能有更好的改善效果[11]。陈文生[12]研究了SBS 与胶粉复合改性沥青及其混合料的性能，结果表明3%SBS 和16%～20%胶粉复合改性沥青的性能优于5%SBS 改性沥青，所制备的混合料具有优良的高低温性、水稳定性和抗疲劳性能。但目前胶粉/SBS 复合改性研究主要是针对SBS 掺量较低（小于5%）的路用沥青，而关于胶粉与防水用高掺量SBS（大于10%）复合改性沥青的研究较少，尤其是胶粉对高掺量SBS 改性沥青抗老化性能的影响研究尚未见报道。

本文制备了不同掺量胶粉与高掺量SBS 复合改性沥青（以下简称SBS 改性沥青），通过热老化和紫外老化，研究了胶粉对高掺量SBS 改性沥青物理和老化性能的影响，并采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其老化前后的化学结构进行了表征与分析。

1 实验

1.1 原材料

沥青：90#，中石油燃料油有限责任公司，主要性能如表1所示。胶粉：废旧橡胶粉，30～40 目，湖南合得利科技有限公司产。SBS：T6302，中国石油天然气股份有限公司独山子石油化工股份有限公司产。

表1 沥青的主要技术性能

1.2 胶粉/SBS 改性沥青的制备

沥青量为100 份、SBS 掺量为沥青量的12%，胶粉掺量分别为沥青量的0、6%、12%、18%、24%，制备不同掺量胶粉/SBS复合改性沥青。制备流程为：将沥青加热至180 ℃，加入SBS，以4000 r/min 高速剪切0.5 h，升温至190 ℃，加入胶粉，再搅拌1.5 h，即制得不同掺量胶粉/SBS 复合改性沥青。

1.3 老化试验

热老化试验：在尺寸为Φ150 mm×9.5 mm 的老化盘中加入70 g 胶粉/SBS 复合改性沥青，然后将老化盘放入热老化试验箱（401AB 型），温度控制为（80±2）℃，老化10 d。

紫外老化试验：将70 g 胶粉/SBS 复合改性沥青倒入老化盘，置于紫外老化箱中，紫外灯的功率为500 W，紫外线辐射强度为2000 μW/cm2，箱内温度为60 ℃，老化10 d。

1.4 性能测试方法

按照GB/T 4507—2014《沥青软化点测定法-环球法》测试老化前后胶粉/SBS 复合改性沥青的软化点。

按照JTG/T 0625—2011《沥青旋转粘度试验（布洛克菲尔德粘度计法）》测试老化前后胶粉/SBS 复合改性沥青的180 ℃黏度。

按照GB/T 328.14—2007《建筑防水卷材试验方法第14部分：沥青防水卷材低温柔性》测试老化前后胶粉/SBS 复合改性沥青的低温柔度。

抗老化性能评价：采用软化点增量（ΔS），低温柔度变化量（ΔF）和黏度老化指数（VAI）来评价胶粉/SBS 复合改性沥青的抗老化性能，各评价指标按式（1）～式（3）计算：

1.5 FTIR 分析

采用傅里叶变换红外光谱仪表征胶粉/SBS 复合改性沥青老化前后的化学结构。将胶粉/SBS 复合改性沥青溶于浓度为5%二硫化碳（CS2）溶液中，然后将溶液滴在溴化钾片上，待CS2完全挥发后进行测试。测试范围为400～4000 cm-1，分辨率为4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 胶粉掺量对SBS 改性沥青物理性能的影响

2.1.1 胶粉掺量对SBS 改性沥青软化点的影响（见图1）

由图1 可见，SBS 改性沥青的软化点随胶粉掺量的增加呈直线上升，胶粉掺量为24%时，胶粉/SBS 复合沥青的软化点达到112.9 ℃，相比未掺加胶粉的提高了16.7 ℃。这是因为沥青中的轻组分会使胶粉发生溶胀，溶胀的胶粉颗粒填充在SBS 改性沥青形成的交联网状结构中，同时胶粉中未消耗的硫化剂会使SBS 发生化学交联，从而导致改性沥青抗流动性增强，软化点升高，从而改善了高掺量SBS 改性沥青的高温性能。

2.1.2 胶粉掺量对SBS 改性沥青低温柔度的影响（见图2）

由图2 可见，未掺胶粉时，SBS 改性沥青的低温柔度为-18 ℃，随着胶粉掺量的增加，SBS 改性沥青的低温柔度值逐渐降低，尤其是胶粉掺量由12%增加至18%，低温柔度由-22℃降至-27 ℃，降幅显著。当胶粉掺量达到24%时，SBS 改性沥青的低温柔度降低至-30 ℃。这同样是因为沥青轻组分溶胀的胶粉颗粒填充在高掺量SBS 改性沥青的交联网络中，且胶粉中未消耗的硫化剂使SBS 发生了一定程度的化学交联，极大地改善了SBS 改性沥青的低温柔性。

2.1.3 胶粉掺量对SBS 改性沥青黏度的影响（见图3）

由图3 可见，随着胶粉掺量的增加，SBS 改性沥青的黏度呈增大的趋势，但胶粉掺量小于12%时，黏度的增幅较小；胶粉掺量超过12%时，黏度快速增大。一方面，是因为胶粉颗粒吸收了沥青中的轻组分使沥青的黏度增大；另一方面，溶胀的胶粉颗粒填充在SBS 交联网络结构中，以及未消耗的硫化剂使SBS 发生了化学交联，使网络结构更紧密，对沥青的流动性阻碍作用更大。随着胶粉掺量增多，这种阻碍作用越明显，导致胶粉/SBS 复合改性沥青的黏度迅速增大。

2.2 胶粉对高掺量SBS 改性沥青老化性能的影响

2.2.1 胶粉掺量对SBS 改性沥青热氧老化和紫外老化后软化点增量的影响（见图4）

由图4 可见，随着胶粉掺量的增加，SBS 改性沥青的软化点增量逐渐减小，未掺胶粉的SBS 改性沥青热老化和紫外老化后的ΔS 分别为3.8、5.8 ℃，当胶粉掺量为24%时，胶粉/SBS复合改性沥青热老化和紫外老化后的ΔS 分别为2.1、3.1 ℃，表明胶粉的掺入有效提高了SBS 改性沥青的抗热老化和紫外老化性能。

2.2.2 胶粉掺量对SBS 改性沥青老化后低温柔度变化量的影响（见图5）

由图5 可见，随胶粉掺量的增加，胶粉/SBS 复合改性沥青老化后的ΔF 呈下降趋势。未掺胶粉时，SBS 改性沥青热老化和紫外老化后的ΔF 分别为5、8 ℃，当胶粉掺量为24%时，热氧老化和紫外老化后的ΔF 分别为3、5 ℃，表明胶粉/SBS复合改性沥青抗老化性能得到提高，这是因为沥青中的轻油分被胶粉颗粒所吸收，减少了老化过程中轻组分的挥发，胶粉中未消耗的硫化剂使SBS 发生了化学交联，提高了SBS 的热稳定性。此外，胶粉中的防老剂也提高了SBS 改性沥青的抗老化性。

2.2.3 胶粉掺量对SBS 改性沥青黏度老化指数变化量的影响（见图6）

由图6 可见，随胶粉掺量的增加，胶粉/SBS 复合改性沥青的VAI 逐渐减小，胶粉掺量从0 增加至24%时，胶粉/SBS复合改性沥青热氧老化后的VAI 由18.49%减小至14.69%，紫外老化后的VAI 由27.85%减小至20.57%。由此表明，掺加胶粉后，高掺量SBS 改性沥青抗热老化和紫外老化性能得到明显的提高。

2.3 胶粉/SBS 复合改性沥青老化前后的FTIR 分析

图7 为胶粉掺量分别为6%和18%、SBS 掺量为12%的复合改性沥青热老化和紫外老化前后的红外谱图。

由于SBS 改性沥青在老化过程中会发生沥青的氧化缩聚和SBS 的分子链降解，导致位于1700 cm-1的羰基吸收峰增大和位于966 cm-1的C=C 双键吸收峰减小，故可通过反映羰基变化的指数IC=O和反映C=C 双键变化的指数IC=C来定量比较老化对胶粉/SBS 改性沥青化学结构的影响。IC=O和IC=C分别按式（4）、式（5）计算：

胶粉/SBS 复合改性沥青热老化和紫外老化前后的IC=O和IC=C变化情况如表2 所示。

表2 胶粉/SBS 改性沥青老化前后的官能团指数及其增量

由表2 可见，6%胶粉/SBS 复合改性沥青热老化和紫外老化后的IC=O分别增加了0.0976、0.1277，IC=C分别减少了0.0101、0.0197；而18%胶粉/SBS 复合改性沥青经热氧和紫外老化后的IC=O分别增大了0.0895、0.1145，IC=C分别减小了0.0091、0.0173，这表明随着胶粉掺量的增加，SBS 改性沥青在老化过程中C=O 的生成量和C=C 的减少量均降低，表明胶粉可有效抑制沥青的氧化缩聚和SBS 的降解，改善SBS 改性沥青的抗老化性能。