SBS橡胶复合改性沥青制备与性能研究

戚谢军，黄雅婷，李 金

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

据2021年国家统计局数据，截至2020年底，我国高速公路总里程已达到16.10万km，其中沥青路面占比已超过90%，沥青路面结构已经成为我国高等级道路的主要路面结构形式。沥青路面具备行车舒适性高、抗滑性能优良、扬尘扬雾低等优势，但沥青路面在复杂自然环境及日益增长的重交通荷载作用下，易发生车辙、推移、低温开裂或者松散剥落等高低温病害及水稳破坏。通过对沥青进行改性，改善沥青高低温性能是提高沥青混合料路用性能、提升路面使用性能及耐久性的主要手段。

沥青改性是指在沥青中掺入改性剂，然后通过相关工艺处理，使沥青与外掺改性剂发生物理或化学反应，提升沥青性能的过程。SBS改性与橡胶改性是目前应用较广泛的改性技术，但是两者都存在一定的应用问题。SBS改性剂属于高聚物改性剂，价格高昂，导致SBS改性沥青制备成本过高，不利于控制工程造价。另外，SBS可用于生产附加价值更高的产品，从资源配置角度上看，将其用于道路建设并不合理[1]。橡胶改性沥青具备价格低廉、可实现汽车轮胎的废物利用、抗老化性能好等技术经济优势，但是橡胶粉与沥青相容性不理想，橡胶改性沥青的存贮稳定性不高，且黏度高，施工和易性差[2]。由此可见，对沥青进行SBS或者橡胶单一改性制得的改性沥青存在应用局限。为了结合SBS改性沥青与橡胶改性沥青优势，突破单一改性存在的局限，本文借鉴国内外现有研究与工程经验，进行SBS橡胶复合改性技术研究，开展原材料及制备工艺对复合改性沥青的影响分析，并对复合改性沥青效果进行验证。

1 原材料

1.1 沥青

基质沥青选用东海牌70#A级沥青，其常见性能指标如表1所示。

表1 基质沥青常见性能指标表

1.2 橡胶粉改性剂

本文橡胶粉采用曲阜某化工企业生产的40目、60目、80目橡胶粉，基本性能指标如表2所示。

表2 橡胶粉主要性能指标表

1.3 SBS改性剂

SBS按照分子结构不同可以分为线型SBS和星型SBS两种，现有研究发现线型SBS更易与沥青产生融合反应。故本文选用产自岳阳石化的YH-791线型SBS改性剂，其主要性能指标如表3所示。

表3 YH-791型SBS改性剂主要性能指标表

2 SBS橡胶复合改性沥青制备及影响因素

改性沥青制备一般需要经历原材料检验、投料混合、研磨分散及发育贮存四个阶段，改性效果受到研磨分散工艺、改性剂投料方式及顺序、改性剂材料参数的影响。本文从改性剂材料参数及投料顺序两个方面研究复合改性沥青制备工艺。其制备过程为：先将沥青加热至170 ℃达到熔融状态，然后根据掺量水平投入橡胶粉及SBS，采用高速剪切机以5 000 rpm转速在稳定170 ℃±5 ℃条件下剪切1 h，最后将剪切完成的复合改性沥青置于180 ℃烘箱中，保温30 min发育溶胀、排除气泡制得成品SBS橡胶复合改性沥青。

2.1 改性剂目数与掺量对改性沥青的影响

考虑到全因素试验量较大，为提高试验效率，采用正交试验法进行复合改性沥青制备研究，参考国内外相关研究文献及类似工程经验，拟定橡胶粉及SBS改性剂掺量，汇总于正交试验因素水平表，如表4所示。

表4 L9(33)正交试验因素及水平表

基于正交试验设计，对复合改性沥青进行软化点、针入度及5 ℃延度试验，评价不同掺量水平改性沥青的改性效果。试验结果如表5所示。

表5 SBS橡胶复合改性沥青试验结果表

采用不同因素相同水平条件下试验结果的均值评价该水平对改性沥青性能的影响，根据表5试验结果，绘制“影响水平-指标均值”关系图如图1～3所示。

图1 影响水平-软化点均值关系曲线图

2.1.1 软化点

由图1可知，随橡胶粉及SBS掺量增加，复合改性沥青软化点不断升高，而橡胶粉目数增加，其软化点先增高后降低。这是因为在沥青改性过程中，橡胶粉及SBS吸收了沥青中的大量轻质组分，且掺量越高，吸收的轻质组分越多，沥青质及胶质含量的相对提高使得软化点增高。同时，SBS在沥青中形成空间网络结构，也提高了沥青的软化点。

随橡胶粉目数的增加，复合改性沥青的软化点先增高后降低，这可能是因为橡胶粉目数越大，橡胶粉颗粒细，比表面积越大，其在沥青中发生的溶胀反应更充分，从而形成更稳定的网络结构，使软化点提高；而随橡胶粉目数持续增大，颗粒过细反而不能在沥青中形成骨架结构，导致软化点下降[3]。

2.1.2 针入度

由图2可知，随橡胶粉掺量、SBS掺量增加及橡胶粉目数提高，SBS橡胶复合改性沥青的针入度都呈现下降趋势，这是因为随改性剂掺量增加，或者橡胶粉目数提高，改性剂与沥青接触面积都在增加，使得沥青中大量轻质组分被吸收，沥青“变硬”，且SBS溶胀形成了三维空间网络结构，限制了沥青的流动，在这双重影响下使得沥青针入度降低。

图2 影响水平-针入度均值关系曲线图

2.1.3 5 ℃延度

由图3可知，随橡胶粉掺量及SBS掺量水平的提高，复合改性沥青的5 ℃延度呈现先上升后下降的趋势。随着橡胶粉及SBS掺量增加，改性剂在沥青中发育溶胀形成的网络交联结构数量增加，这种结构能很好地消散应力，从而提高沥青延度；而掺入过多的改性剂会导致一部分橡胶粉或SBS不能完全溶胀，造成改性剂与沥青产生“弱接触面”，从而在延度试验拉伸过程中发生应力集中现象，使试件过早断裂，延度降低。

图3 影响水平-5 ℃延度均值关系曲线图

随橡胶粉目数增大，复合改性沥青延度增大，这是因为随橡胶粉目数增大，橡胶粉颗粒粒径减小，越易在沥青中溶胀发育，并与沥青具有更好的相溶效果；而目数越小，橡胶粉颗粒粒径越大，橡胶粉未完全溶胀发育，以颗粒形式在沥青中存在，导致拉伸过程产生应力集中现象，沥青试件提前发生断裂。因此，橡胶粉目数越大，复合改性沥青延度越大。

2.1.4 影响程度分析

为探究橡胶粉目数、橡胶粉掺量及SBS掺量对复合改性沥青性能影响程度，本文采用SPSS软件对试验结果进行方差分析，利用P值对影响程度进行评价，如表6所示。

表6 方差分析结果表(P值)

由表6可知，研究因素对SBS橡胶复合改性沥青的针入度的影响排序为：SBS掺量>橡胶粉掺量>橡胶粉目数；对软化点及5 ℃延度影响排序一致为：橡胶粉掺量>SBS掺量>橡胶粉目数。其中，橡胶粉掺量及SBS掺量对软化点为显著影响，3个研究因素对5 ℃延度均为显著影响。

结合各研究因素不同水平对复合沥青性能影响趋势，本文选定橡胶粉目数为80目，橡胶粉和SBS掺量分别为18%、4%作为SBS橡胶复合改性沥青制备推荐参数。

2.2 改性剂掺入顺序对改性沥青影响

为探究橡胶粉及SBS掺入顺序对复合沥青改性效果的影响，本文拟定三组复合改性沥青制备方案，如图4所示。采用软化点、针入度及弹性恢复率指标评价3种方案制备沥青的性能。试验结果如表7所示。

图4 改性剂掺入顺序试验方案示意图

表7 橡胶粉与SBS掺入顺序对复合改性沥青性能的影响试验结果表

由表7可知，方案2(先掺SBS后掺橡胶粉)制备的复合改性沥青各项性能指标均优于方案1和方案3，说明该方案下橡胶粉与SBS使沥青溶胀发育最充分，故方案2是最佳的改性剂投料顺序。分析原因可能是当橡胶粉先投入或者与SBS同时投入时，橡胶粉掺量较大且具备更强的轻质组分吸附能力，从而导致了SBS不能完全溶胀发育，降低了复合改性效果。

3 改性沥青高低温性能研究

SBS橡胶复合改性沥青同时具有单一橡胶改性及SBS改性沥青的高低温性能优势，且拥有更佳成本优势及施工和易性。本节利用DSR设备开展温度扫描试验和利用BBR设备开展低温弯曲蠕变试验，对SBS橡胶复合改性沥青、橡胶改性沥青(橡胶掺量为18%)、SBS改性沥青(SBS掺量为4%)及70#基质沥青的高低温性能进行评价，试验结果见图5、图6。

图5 DSR试验抗车辙因子测试结果对比曲线图

图6 BBR试验劲度模量测试结果对比曲线图(-12 ℃)

3.1 高温性能

SBS橡胶改性沥青的高温性能较单一改性沥青优良。由图5可知，SBS橡胶复合改性沥青的抗车辙因子曲线最高，其次是单一改性的SBS改性沥青与橡胶改性沥青，最低的为70#基质沥青。说明SBS与橡胶粉均提高沥青的高温性能，且用两者对基质沥青进行复合改性，改善效果更明显。

3.2 低温性能

SBS改性沥青与橡胶改性沥青的低温性能均优于基质沥青，且当用两者复合改性时，低温性能得到继续提升。由图6可知，SBS橡胶复合改性沥青的劲度模量曲线最低，单一改性沥青的劲度模量曲线略高，基质沥青的低温劲度模量曲线最高。劲度模量越低，代表沥青在低温条件下，荷载作用时具备更强的抗变形能力，其低温性能越优良[4]。因此，SBS橡胶复合改性沥青的低温性能较单一改性沥青的低温性能更好，复合改性对沥青低温改性效果更明显。

4 结语

针对SBS橡胶复合改性沥青制备与性能研究，得出以下结论：

(1)随橡胶粉掺量及SBS掺量水平提高，复合改性沥青软化点提高，针入度降低，5 ℃延度先增高后降低；随橡胶粉目数增大，橡胶粉颗粒越细软化点及延度先增高后降低，而延度持续降低。

(2)根据不同因素水平试验结果及掺入顺序试验，SBS橡胶复合改性沥青制备推荐橡胶粉目数为80目，橡胶粉及SBS掺量分别为18%、4%，掺入顺序为先掺SBS后掺橡胶粉。

(3)SBS与橡胶粉均有利于改善沥青高低温性能，且用两者进行复合改性制得的SBS橡胶复合改性沥青高低温性能更优良。