萜烃对SBS改性沥青技术性能的影响规律研究

沈守涛

安徽省公路桥梁工程有限公司 安徽 合肥 230000

引言

SBS改性剂是我国使用最为广泛的沥青改性剂，通过SBS的改性作用，沥青的黏滞性、低温性能、耐久性和感温性等路用性能均可以得到较大程度的提高[1]。但是SBS与沥青的密度差距较大，离析问题在所难免。国内外的科研工作者通过多种途径来提高SBS改性沥青的存储稳定性，李海英等研究贮存运输条件对SBS改性沥青贮存稳定性的影响规律，提出了最佳贮存工艺[2-3]；陈聪则对不同SBS改性剂掺量的改性沥青贮存稳定性进行了分析，得出了基于技术性能及贮存稳定性的最佳SBS掺量[4]；闫正和等发现生物油再生剂对SBS改性沥青的贮存稳定性具有一定的提升作用[5]；杨喜英则利用红外光谱技术实现了对SBS改性沥青热存贮稳定性量化评价的方法[6]；但据交通质监部门的抽检，目前我国大约只有78%的SBS改性沥青满足贮存稳定性的要求[7]。所以提高SBS改性沥青抗离析性能仍然是摆在科研工作者面前的一道难题。

本文向SBS改性沥青中掺入萜烃，借助萜烃对SBS分散性能的提升作用，提高SBS在剪切过程中的分散特性，减小SBS的混溶粒径，从而提高SBS改性沥青的贮存稳定性。

萜类是概括所有异戊二烯的聚合物以及它们衍生物的总称，萜烃是普遍存在于植物界的一种化合物。其中除了以萜烃的存在形式以外，大多数是形成各类形式含氧的衍生物，尤其以羧酸、醇、酯、醛、酮形式。

另外还有氮式衍生物，并伴有硫式衍生物。分子中含异戊二烯单位的可以将萜可分为：单萜、倍半萜、二萜等。针对某些在生源上由异戊二烯合成而来的但分子中碳原子数不是5整倍数的化合物，称其为类萜，萜类化合物在植物体内具备非常重要的作用。

单萜、倍半萜是挥发油的主要成分，二萜是形成树脂的主要物质，自然界中萜类化合物分布广泛，并伴随生理活性等功能。

单萜化合物是指分子中含两个分子异戊二烯单位的萜烯及其衍生物。单萜类化合物广泛存在于高等植物中的分泌组织里，多数是挥发油中沸点较低部分的主要组成部分。

倍半萜类是指由3分子异戊二烯聚合而成，分子中含有15个C原子的天然萜类化合物。 倍半萜和单萜都是挥发油的主要组成成分，倍半萜的沸点较高，其含氧衍生物大多有较强的香气和生物活性。

二萜类化合物可视为由4分子异戊二烯聚合而成分子中含有20个C原子的天然萜类化合物，因二萜类分子量较大，因此大部分不能随水蒸气挥发，少数挥发油中发现的二萜成分，大部分分布在高沸点馏分中，二萜化合物多以内酯、树脂等形式存在。

1 原材料与试验设计

本文选择萜烃作为SBS的添加剂，常温下为液体。SBS选择星型，沥青采用中海90#沥青，稳定剂选择硫磺类稳定剂。本文制备SBS改性沥青的工艺如下所示：将中海90#沥青加热至180℃，利用剪切机（高速）以5300r/min的速度剪切30min，剪切过程中缓缓地加入稳定剂以及萜烃，并不断搅拌，剪切结束后取样SBS改性沥青备用，剩余沥青持续搅拌并保持180℃约2h，即可制备SBS改性沥青。在SBS改性沥青的制备过程中，萜烃的掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%及0.8%（以中海90#沥青质量为基准）。

对未经发育的SBS改性沥青进行荧光显微的测试，并对发育完毕的沥青进行48h离析软化点差以及常规技术指标的测试。

2 试验结果与分析

2.1 萜烃对SBS分散粒度的影响

对不同萜烃掺量的SBS改性沥青（未发育）进行微观拍摄，利用荧光显微镜获取微观图像，本文选取萜烃掺量为0和0.8%的SBS改性沥青微观图像进行展示，如下图1所示。

图1 不同萜烃掺量的SBS颗粒大小图

从上图1可以看出，萜烃的掺入对于剪切完毕后改性沥青中SBS粒径的大小影响非常大，借助于图像分析软件，测得萜烃掺量为0.8%时的SBS平均粒径约为萜烃掺量为0时的1/3。而SBS改性剂颗粒在沥青中的粒径越小，SBS的溶胀状态就越彻底，SBS改性沥青的抗离析能力就越强。

2.2 萜烃对SBS改性沥青常规技术性能的影响

对不同萜烃掺量SBS改性沥青进行延度、135℃旋转黏度、针入度、软化点以及老化后指标测试，试验结果如下表1及图2所示。

表1 不同萜烃掺量的SBS改性沥青技术性能

上表1显示，萜烃的掺入在一定程度上影响着SBS改性沥青的技术性能，具体表现为随着萜烃掺量的逐渐增大，SBS改性沥青的延度逐渐增大、RTFOT老化后的针入度比逐渐提高、残留延度明显提高，这说明萜烃对SBS改性沥青低温延性以及抗老化性能有一定程度的提升。其根本原因还是在于SBS颗粒在沥青中的颗粒变小，这种更加均匀的组成使得SBS改性沥青的力学传导更加流畅，SBS的溶胀愈加彻底，交联程度越高。当然由于萜烃属于相对易挥发的物质，所以在老化过程中SBS改性沥青的质量损失明显，特别是当萜烃掺量达到0.6%以后，质量损失超过了规范规定的1%的上限，这是值得注意的地方。除此以外，SBS改性沥青的其他技术指标并未随着萜烃掺量的增大而增大。

2.3 萜烃对SBS改性沥青贮存稳定性能的影响

对不同萜烃掺量SBS改性沥青进行离析软化点试验，试验结果见下图2所示。

图2 不同萜烃掺量的SBS改性沥青48h离析软化点差

上图2清晰的给出了不同萜烃掺量的SBS改性沥青48h离析软化点差的变化规律。随着萜烃掺量的逐渐增大，SBS改性沥青的48h离析软化点差迅速降低，从萜烃掺量为0的8.9℃直接降到萜烃掺量为0.8%时的1.3℃，也实现SBS改性沥青由不达标到达标的转变。上述现象可以解释为萜烃能够有效地提升SBS改性沥青的高温贮存稳定型。

相关研究表明，当SBS粒径足够小时，SBS颗粒在沥青中的上浮作用受到沥青中大分子物质的阻碍而变得不明显，同时越小的SBS颗粒与硫黄发生硫化反应时更加彻底。于是上述现象可以按照如下的语言进行解释：当萜烃掺入后，在SBS剪切过程中实现了帮助SBS颗粒被剪切的粒径更小的作用，而更粒径更加细小的SBS颗粒在吸附沥青轻质组分的过程中溶胀程度更加彻底，而后形成的交联网状结构也愈发显得致密。所以这里可以得到一个结论，萜烃本身可能无法提高SBS改性沥青的高温贮存稳定性，但却可以通过减小SBS颗粒的粒径来实现。

3 结束语

①萜烃的掺入有助于SBS在剪切过程中被剪切为更小的粒径。②随着萜烃掺量的逐渐增大，SBS改性沥青的延度逐渐增大、RTFOT老化后的针入度比逐渐提高、残留延度明显提高，对其他指标影响不大，也说明萜烃对SBS改性沥青低温延性以及抗老化性能有一定程度的提升。③掺有萜烃的SBS改性沥青在老化过程中质量损失较大。④萜烃可通过减小SBS颗粒的粒径而有效地提升SBS改性沥青的高温贮存稳定性。

萜类化合物就是指存在自然界中、分子式为异戊二烯单位的倍数的烃类，除了以萜烃的存在形式以外，大多数是形成各类形式含氧的衍生物，尤其以羧酸、醇、酯、醛、酮形式。萜类化合物是构成某些植物的主要成分。

分子量较小的萜类化合物如单萜和倍半萜多为有特殊气味的挥发性油状液体，其沸点随分子量和双键数量的增加而提高；分子量较大的萜类如二萜、三萜多为固体结晶。

萜类化合物中大多含大量不对称碳原子，故具有旋光性，另外低分子萜类化合物大部分具备很强的折射率，萜类化合物亲脂性良好且不溶于水，易溶于有机溶剂，含内酯结构的萜类化合物易溶于碱水。