SBR与SBS复合改性沥青制备及其混合料路用性能研究
2022-11-19黄凯
黄 凯
(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西 南宁 530022)
0 引言
近几年随着“一带一路”倡议推进，我国公路建设重心开始西移。西部地区昼夜温差大、日照时间长、紫外线强烈，恶劣的气候条件对沥青路面提出了比东部、南部及中部地区更高的要求，因此西部地区沥青路面应具备较高的高低温性能、抗疲劳性能及抗老化性能[1]。通过对沥青改性，可以改善沥青混合料高低温性能及抗老化性能，是提高沥青路面使用性能和耐久性的解决方案[2]。
SBR改性与SBS改性是目前常用的两种沥青改性方式，但是由于SBR与SBS的分子结构不同，两种改性沥青具备不同的性能特点。大量研究表明：SBR改性沥青具备优良的低温抗裂性能，但是高温性能不佳；而SBS改性沥青具备优良的高温性能，低温性能相对较弱，且SBS具备更加优良的抗紫外线老化能力[3]。因此可以综合SBR与SBS改性剂特点，制备适用于西部地区沥青路面的复合改性沥青。本文将从复合改性沥青制备工艺及改性剂掺量出发，开展复合改性沥青制备及复合改性沥青路用性能研究。
1 原材料
1.1 沥青
基质沥青采用中石化70#基质沥青，其主要性能指标测试结果见表1。
表1 70#基质沥青主要性能指标表
1.2 SBR改性剂
SBR又称聚苯乙烯丁二烯共聚物，是一种合成橡胶，目前广泛应用于轮胎、电缆及医疗器械等行业。作为沥青改性剂时，SBS有胶粉、胶块及乳液三种形态。本文采用胶粉形态的SBR作为改性剂，其主要性能指标见表2。
表2 SBR主要性能指标表
1.3 SBS改性剂
SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，是一种与橡胶性能较为相似的热塑性弹性体，其具有优良的低温性能与抗拉强度。本文SBS采用巴陵石化生产的线型YH796#SBS，其主要性能指标见表3。
表3 YH796#SBS主要性能指标表
1.4 稳定剂
SBR及SBS均与沥青存在相容性不足的缺陷，为提高复合沥青制备过程中SBR与SBS在沥青中的分散程度，本文采用硫磺作为稳定剂，改善复合改性沥青稳定性，硫磺主要性能指标见表4。
表4 硫磺主要性能指标表
2 复合改性沥青制备
2.1 复合改性沥青制备工艺
由于SBR与沥青的相容性优于SBS，因此制备复合改性沥青时，需先投放SBS改性剂，具体制备流程为：将基质沥青加热至160 ℃，投入定量的SBS，采用高速剪切机剪切1 h，然后加入定量的SBR剪切1 h，最后投入定量稳定剂剪切20 min(全过程沥青温度控制在160 ℃，剪切机转速为5 000 rpm)。
2.2 改性剂掺量对沥青性能的影响
本文复合改性沥青制备的改性剂有SBR、SBS及硫磺，为制备路用性能满足要求的复合改性沥青，展开改性剂掺量研究。SBR、SBS及硫磺均设置4个掺量水平，为提高试验效率，采用正交试验进行试验方案设计。正交试验因素水平见表5。
表5 正交试验因素水平表
基于正交试验方案设计参数制备复合改性沥青，并对改性沥青进行室内试验，测试沥青的针入度、软化点、5 ℃延度及135 ℃黏度，结果见表6。
采用均值分析法，分析改性剂掺量对复合改性沥青性能影响。均值分析法是指对不同因素相同水平试验条件下的试验结果进行算数平均，并以该均值评价该水平对沥青的影响[4]。根据表6试验结果，绘制各指标均值如图1～4所示。
表6 复合改性沥青正交试验结果表
由图1～4可知：
图1 针入度均值变化趋势图
(1)从针入度来看，随SBR、SBS及硫磺三种改性剂掺量增加，复合沥青的针入度呈现持续下降趋势，这是因为硫磺有利于提高SBS与SBR与沥青的相容性，促使两者发生溶胀，吸收大量轻质组分，使沥青中的沥青质及胶质含量相对增加，沥青变“硬”，从而针入度下降。
图2 软化点均值变化趋势图
图3 5 ℃延度均值变化趋势图
图4 135 ℃黏度均值变化趋势图
(2)从软化点来看，随SBS及硫磺掺量增加，复合沥青的软化点明显上升，这是因为SBS在沥青中溶胀形成了网络结构，且硫磺有利于提高SBS与沥青的相容性，因此随掺量增加，网络结构数量越多，沥青高温稳定性越好，软化点越高。而随着SBR掺量增加，复合改性沥青软化点上升缓慢，说明SBR改性剂对提高沥青高温稳定性的能力有限。
(3)从5 ℃延度来看，随SBS与SBR掺量增加，复合改性沥青的延度增加，而延度变化与硫磺掺量无明显特征关系，说明SBS与SBR改性剂均有利于改善复合沥青的低温性能。
(4)从135 ℃黏度看，随SBS与硫磺掺量增加，复合改性沥青的黏度增加明显，而随SBR掺量增加，复合改性沥青的黏度出现先增大后减小趋势。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，规定改性沥青的135 ℃运动黏度≤3 Pa·s，因此以上各掺量的改性沥青均能满足规范要求。
2.3 影响因素显著性分析
为探究三种改性剂掺量对沥青性能影响的显著性，采用SPSS软件对表5数据进行方差分析，结果如表7所示。
由表7可知，SBS掺量对沥青各项指标的影响P值均<0.05，为显著影响；SBR掺量对沥青5 ℃延度的影响P值<0.05，为显著影响；硫磺掺量对沥青针入度与135 ℃黏度的影响P值<0.05，为显著影响。
表7 正交试验方差分析结果表(P值)
据前文各改性剂掺量对沥青指标的影响规律与显著性综合分析，确定SBR与SBS复合改性沥青的SBS掺量为6%、SBR掺量为3.5%、硫磺掺量为0.2%。
3 复合改性沥青混合料路用性能研究
为探究复合改性沥青作为结合料时混合料的路用性能，本文前文推荐SBS、SBR及硫磺掺量制备复合改性沥青作为试验组，以70#基质沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青作为对照组展开混合料路用性能研究。混合料采用AC-13型级配，高温性能采用车辙试验以动稳定度指标评价，低温性能采用小梁弯曲试验以弯曲劲度模量指标评价，水稳定性能采用冻融劈裂试验以冻融劈裂强度比评价。试验结果见表8。
表8 沥青混合料路用性能试验结果表
由表8可知：
(1)原样的沥青混合料的动稳定度排序为SBS改性沥青>复合改性沥青>SBR改性沥青>70#基质沥青；弯曲劲度模量排序为SBR改性沥青<复合改性沥青
(2)经过长期热氧老化后，沥青混合料的高低温性能及水稳定性能均有所劣化，但SBS改性沥青与复合改性沥青的抗老化性能较好。由表8可知，改性沥青混合料各指标老化前后差值排序为：SBS改性沥青<复合改性沥青 本文针对SBR与SBS复合改性沥青制备及其混合料性能研究，得出以下结论： (1)针入度随SBR、SBS及硫磺掺量增加而提高，而软化点、5 ℃延度及135 ℃黏度随三者掺量增加而降低，SBS与SBR均有利于改善沥青的低温性能，但是提高SBR掺量对改善沥青高温性能的作用有限。 (2)SBS改性剂掺量对沥青各项指标均为显著影响，SBR掺量对沥青5 ℃延度为显著影响，硫磺掺量对沥青针入度与135 ℃黏度为显著影响，综合沥青各指标受改性剂掺量变化影响规律分析，得出复合改性沥青改性剂推荐掺量：SBS为6%、SBR为3.5%、硫磺为0.2%。 (3)通过四种沥青混合料的路用性能研究可知，复合改性沥青混合料的综合路用性能最佳，且SBS改性沥青混合料与复合改性沥青混合料的抗老化性能较好。4 结语
