SBR/PP复合颗粒在改性沥青中的应用研究

刘 滢，金运东，周 超，侯德华，弥 平

(1. 南京工业大学 浦江学院，江苏 南京 211134；2.四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000；3. 河南省高远公路养护技术有限公司，河南 新乡 453003)

0 引言

沥青作为一种有机黏结材料，广泛应用于道路工程行业。然而，沥青在低温条件下易变脆，高温条件下其可塑性会显著提高，导致沥青路面在冬季产生低温开裂，夏季产生高温车辙，严重影响沥青路面的路用性能和耐久性，对其在我国夏热冬冷地区的应用带来很大的局限性。因此，针对基质沥青高低温流变性能的不足，国内外研究人员逐渐重视利用聚合物对基质沥青的性能进行改善[1～3]。

如今，使用废塑料中回收的聚合物是沥青改性领域的热门话题之一。其中，聚丙烯(PP)是一种可回收利用的热塑性聚合物，由于其强度高，耐热性和耐腐蚀性好，在不同的领域中得到广泛使用。DUGGAL[4]等将硬质废旧塑料PP应于湿法改性沥青混合料，不仅可以改善沥青混合料的温度敏感性，还可以降低工程造价，形成环保绿色路面。JERIN[5]等研究指出，在沥青中通过添加热塑性聚丙烯可以显著提高沥青的高温抗变形能力，但会使沥青的延展性降低；针对该问题，魏巧[6]等通过使用生物柴油提高塑料裂解蜡改性沥青的低温延展性能。另一方面，丁苯橡胶(SBR)作为沥青路面最有效的改性剂之一，可以显著提高沥青的黏度，改善沥青的低温延展性和弹性恢复，增强沥青的黏聚性能，但SBR改性沥青的高温力学性能较弱[7-8]，限制了SBR改性沥青在夏热地区的应用。

综上所述，针对聚合物改性沥青的研究较多，且不同类型的聚合物对其性能改善的侧重点也有所差别，仅通过单用一种聚合物很难同时改善沥青的综合力学性能。因此，可以采用不同类型聚合物混杂复配使用，以便更好地发挥不同类型聚合物对沥青流变性能的改善[9-10],使其具有复配聚合物的双重性和宽广特性。基于此，本工作首先采用开炼机将丁苯橡胶粉末与回收聚丙烯混炼成SBR/PP热塑性弹体，并通过复配设计，研究不同配比和掺量的SBR/PP热塑性弹体对沥青流变性能的影响与其混合料的高温抗变形能力和低温抗开裂能力，推荐最佳复合配比，以使其更好地满足相关工程标准的技术要求，为SBR/PP热塑性弹体改性沥青的工程应用提供参考。

1 试验部分

1.1 原材料

丁苯橡胶粉末为SBR 1502，广东省东莞市樟木头塑胶化工生产；聚丙烯为再生PP颗粒，湖南映宏新材料股份有限公司生产。相容剂为自制醋酸乙烯酯接枝；抗氧剂为2,6-二叔丁基对甲基苯酚；助剂为十八(烷)酸锌盐。

试验选用SK 70号沥青，主要性能指标见表1，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

表1 SK 70号沥青技术指标Table 1 Technical indexes of SK 70 asphalt技术指标针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(15 ℃)/cm测量值6949>100规范要求60 ～ 80≥45≥100试验方法T0604T0606T0605

1.2 SBR/PP复合改性沥青的制备

a.将SBR粉末和PP颗粒分别按配比设计称取，在混合机中混合1 min后添加适量的相容剂、抗氧剂和助剂；最后将共混物加入到螺杆挤出机中挤出，挤出机加料口温度设定为180 ℃、机头温度设定为190 ℃，螺杆的转速为150 r/min，制得SBR/PP热塑性弹体。为改善SBR/PP热塑性弹体在沥青中的分散和溶胀，通过橡胶粉碎机对其进行磨碎处理，效果如图1所示，通过荧光显微镜可以观测到SBR/PP热塑性弹体颗粒表面粗糙，形状不规则，且SBR与PP混合均匀。

图1 SBR/PP热塑性弹体的宏观与细观图像

b.将SK 70号基质沥青加热至135 ℃，使其成为热熔状态，然后将不同掺量的SBR/PP热塑性弹体缓慢加入到沥青中，之后将改性沥青升温至170 ℃～180 ℃，机械搅拌30 min，以便SBR/PP热塑性弹体在沥青中充分溶胀；随后采用高速剪切机以5 000 r/min的转速对改性沥青进行剪切，剪切时间为40 min，最后得到SBR/PP复合改性沥青。

热拌沥青混合料级配选用JTG F41-2004规范中AC-13范围中值，并选用石灰岩作为骨料，石灰石粉作为矿物填料，其主要技术指标符合JTG F40-2004要求。根据马歇尔混合料设计方法对改性沥青混合料进行设计，以确定混合料的最佳沥青含量OAC。值得注意的是，为保证不同掺量和配比条件下沥青混合料之间能够有效合理的比对，需要建立共同的比较基准，所以在保证马歇尔试件空隙率不小于4%且性能指标满足规范要求的前提下，本次试验的改性沥青混合料均选择OAC为5.25%(按混合料的质量计)制备所需改性沥青混合料试件。

1.3 分析与测试

试验选用主要评价指标针入度、软化点、延度和软化点差对不同改性沥青进行评价分析，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行。

根据美国在SHRP(Strategic Highway Research Program)计划中基于沥青流变性能的评价方法，试验采用奥地利安东帕公司生产的Smart Pave102动态剪切流变仪，并根据AASHTO M 320(AASHTO 2017)对制备的改性沥青进行PG分级。

高温稳定性是表征沥青混合料抵抗永久变形的能力，试验采用车辙试验机，并参照JTG E20-2011试验规程进行测试，试验温度60 ℃。

为评价改性沥青混合料的低温抗开裂能力，按照JTG F20-2011规范对不同改性沥青混合料试件分别进行-10 ℃低温弯曲试验，试验仪器采用UTM-25试验机。

2 结果与讨论

2.1 SBR/PP复合改性沥青的技术指标

不同改性沥青针入度、软化点、延度和软化点差的试验结果见表2。

表2 SBR/PP复合改性沥青的技术指标Table 2 Technical indexes of SBR / PP composite modi-fied asphalt掺量/%橡塑比针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 ℃)/cm软化点差值/℃3:74362411.435:55161551.87:35959712.010:065431342.23:74167341.745:54964882.17:35460822.410:061481582.63:73970212.155:54265712.37:35067902.710:057501622.8注: 改性剂掺量以沥青质量为添加基数。

由表2可知，当MSBR∶MPP为3∶7时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的针入度和延度逐渐降低，软化点和软化点差值逐渐升高，改性沥青的总体性能偏“硬”，表现出较好的高温稳定性，储存稳定性均满足JTG F40-2004中Ⅰ类改性沥青小于2.5 ℃的要求；当掺量达到5%时，延度降低48%，改性沥青的低温性能较差，容易产生脆断。当MSBR∶MPP为5∶5时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的针入度逐渐降低，软化点和软化点差值逐渐升高，延度则先增加后降低，最大延度为88 cm，体现出较强的黏塑特性。当MSBR∶MPP为7∶3时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青的针入度逐渐降低，软化点、延度和软化点差值逐渐提高，使得改性沥青具有良好的延展特性，更能体现出丁苯橡胶的力学性能；当掺量达到5%时后，软化点差值为2.7 ℃，已不满足规范中Ⅰ类改性沥青小于2.5 ℃的要求。

SBR/PP热塑性弹体在相同掺量下，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性沥青的总体性能表现为针入度、延度和软化点差值逐渐升高，软化点逐渐降低。说明当SBR/PP热塑性弹体中以高柔韧性的SBR软相为主时，改性沥青体现出较好的低温性能，但此时由于丁苯橡胶的黏聚性较大，在高温储存过程中易产生离析，致使高温储存稳定性较差。因此，当橡塑比MSBR∶MPP大于7∶3时，SBR/PP热塑性弹体的掺量不宜超过4%。

2.2 SBR/PP复合改性沥青的流变性能PG分级

不同改性沥青的PG分级见表3。

表3 SBR/PP复合改性沥青流变性能PG分级参数Table 3 Rheological parameters of PG grading of SBR / PP composite modified asphalt掺量/%橡塑比动态剪切速率10 rad/s(1.59 Hz)弯曲蠕变(BBR试验,60 s)未老化RTFOT老化PAV老化温度/℃G*/sinδ(规范要求最小值1 kPa)/kPaG*/sinδ(规范要求最小值2.2 kPa)/kPa温度/℃G*·sinδ(规范要求最大值5 MPa)/MPa温度/℃劲度模量(规范要求最大值300 MPa)/MPa曲线斜率m(规范要求最小值0.3)PG分级3:7761.62.9311.7-12118.120.3PG 76-2235:5701.83.3282.2-1295.960.32PG 70-227:3701.22.5281.9-1279.230.34PG 70-2210:0642.14.5252.4-1244.910.39PG 64-223:7821.82.7372.1-6214.590.38PG 82-1645:5821.32.5342.0-12190.280.34PG 82-227:3761.73.4311.9-12174.530.38PG 76-2210:0701.13.0281.6-12128.370.42PG 70-223:7822.33.9402.00286.370.36PG 82-1055:5821.83.4342.1-6208.610.40PG 82-227:3762.44.6312.4-12207.820.39PG 76-2210:0762.04.3311.9-12189.350.46PG 76-22

表3总结了12种改性沥青的PG分级，为保证黏结材料具有良好的高温抗变形能力，要求未老化沥青的车辙因子G*/sinδ不应小于1 kPa，RTFOT老化后沥青的车辙因子G*/sinδ不应小于2.2 kPa，通过对试验数据的分析，提取并确保每种改性沥青的高温PG均满足Superpave规定要求。从试验结果可以看出，在橡塑比MSBR∶MPP相同的情况下，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青整体发展趋势是具有更高的PG分级，最高可以提高三级，抗车辙性得到改善；而随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性沥青的高温抗变形能力降低，高温PG分级降低，说明聚丙烯塑料的高温力学性能要优于丁苯橡胶。

为保证黏结材料不产生疲劳开裂，在路面最高和最低设计温度平均值4 ℃以上的G*·sinδ应不超过5 MPa，否则认为黏结材料易发生疲劳开裂破坏，而较低的G*·sinδ值是优选的，此时改性沥青具有更好的抵抗疲劳开裂的能力。对于表3中列出的PG分级可知，在中温条件下，所有改性沥青的疲劳因子都满足规定要求。但是随着聚丙烯的增加，改性沥青的疲劳开裂风险提高。

根据BBR试验，低温劲度模量越大，沥青表现得越硬脆，易产生低温开裂；而劲度模量变化曲线斜率m表征了低温下沥青的蠕变变化率，m值越大，沥青感温性越好，随着环境温度骤降不易产生开裂。因此，Superpave 规定低温劲度模量不能超过300 MPa，m值不能小于0.3。从试验结果可知，当MSBR∶MPP为3∶7时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青在低温条件下的PG分级逐渐提高，说明高掺量的SBR/PP热塑性弹体不益于改性沥青在低温区域应用；当MSBR∶MPP为5∶5和7∶3时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青低温PG分级保持不变，说明当SBR/PP热塑性弹体中丁苯橡胶掺比占主导地位时，有利于改善SBR/PP复合改性沥青的低温抗开裂能力。

综上所述，可以通过SBR/PP热塑性弹体来改善沥青的PG分级，以增强沥青在高低温环境下的适应性。当橡塑比MSBR∶MPP为5∶5时，SBR/PP热塑性弹体明显改善沥青对车辙的抵抗力，且不同掺量的改性沥青低温性能没有产生显著负面影响，能够改善累积的低温应力，综合性能相对最佳。

2.3 SBR/PP复合改性沥青混合料的路用性能

不同改性沥青混合料高低温性能见图2～图4。

图2 SBR/PP复合改性沥青混合料的动稳定度变化规律

图4 SBR/PP复合改性沥青混合料的弯拉应变变化规律

由图2可知，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，改性沥青混合料的动稳定度逐渐增大，且都满足JTG F40-2004中改性沥青混合料动稳定度不小于2 400次/mm的要求。当SBR/PP热塑性弹体掺加量相同时，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，改性沥青混合料的动稳定度逐渐减小，高温稳定性相对变差。此外，相对于丁苯橡胶，由于聚丙烯交联结构的力学性能强，对改性沥青混合料的高温抗变形能力的影响较为显著，对于夏季炎热区可以优选橡塑比MSBR∶MPP为3∶7的SBR/PP热塑性弹体对沥青进行改性。

由图3低温弯曲试验结果可知，在橡塑比MSBR∶MPP相同时，随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，混合料的低温劲度模量逐渐增大。当复配设计为5-(3∶7)时，劲度模量到达最大值3 525 MPa，相对于3-(3∶7)，其低温劲度模量增幅16%。当SBR/PP热塑性弹体掺量相同时，随着橡塑比的减小，不同改性沥青混合料的劲度模量逐渐增加，表明通过SBR/PP复配技术可以显著改善混合料的低温劲度模量，提升其低温抗弯拉能力。但是劲度模量过大容易造成混合料的低温脆断，因此，规范要求冬严寒地区的破环应变不应小于3 000 με。从图4可以看出，除5-(3∶7)改性沥青混合料低于3 000 με，其余改性沥青混合料均满足规范要求。同时，当SBR/PP热塑性弹体掺量相同时，随着橡塑比MSBR∶MPP的增加，最大弯拉应变先略有增加，后又逐渐减小。说明适中的橡塑比，可以使改性沥青混合料在抗拉伸的过程中充分发挥热塑性弹体的黏韧性，从而改善混合料的低温弯拉应变，这也体现了丁苯橡胶与聚丙烯的复配效应。

综上所述，对于SBR/PP热塑性弹体改性沥青，PP的加入增强了沥青胶结料的交联凝结作用，使混合料具有优良的抗变形能力。但是，这也造成体系的刚度较大，在荷载作用下的位移量相对较小，从而导致低温抗变形能力降低。因此，考虑到混合料的抗裂性能，需限制聚丙烯的高掺量应用。

3 结论

a.通过SBR/PP热塑性弹体的配比设计试验表明，丁苯橡胶对改性沥青的低温延展性与黏聚性有着显著影响，聚丙烯对改性沥青的高温抗变形能力、高温储存稳定性和抗老化性能影响较大。因此，可以使用SBR/PP复合材料对沥青的PG进行工程设计，以承受不同温度环境下的交通荷载。且在橡塑比为MSBR∶MPP为5∶5时，热塑性弹体可以显著改善沥青的高温抗变形能力，低温性能没有产生显著负面影响，PG分级综合流变性能相对最佳。

b.随着SBR/PP热塑性弹体掺量的增加，或橡塑比的提高，复合改性沥青的高温储存稳定性逐渐变差。因此，当橡塑比MSBR∶MPP大于7∶3时，SBR/PP热塑性弹体的掺量不宜超过4%。

c.SBR/PP复合改性沥青混合料的综合路用性能相对较好，当橡塑比为3∶7时，其改性沥青混合料具有最佳的高温性能，适用于国内炎热地区。此外，当需要考虑混合料在低温环境下的抗裂性能时，聚丙烯的含量不易超过SBR/PP热塑性弹体总质量的50%。