高掺量胶粉复合改性沥青制备及存储稳定性研究

林大军

（烟台市公路事业发展中心，山东 烟台）

引言

近年来，随着橡胶改性沥青在路面工程中的广泛应用，如何提高橡胶粉利用率，同时保证沥青路面的性能稳定性和使用寿命成为研究的热点问题。高掺量橡胶改性沥青技术应运而生，高掺量橡胶改性沥青指的是将大量橡胶粉或废旧轮胎颗粒加入沥青中，通常掺量可达到20%～30%甚至更高，以达到增加路面弹性模量、改善路面抗裂性和降低路面噪声等目的。高掺量橡胶改性沥青路面技术可以提高橡胶粉的利用率，使沥青路面具有较高的抗老化性、抗疲劳性、高温稳定性[1-3]。但高掺量橡胶改性沥青性能较差，存储不稳定，在高温存储条件下易发生离析[4-6]，影响场地上的存储、运输及施工等。

目前国内外研究和应用中，胶粉改性沥青的掺量一般集中于20%左右[7]。有研究者选择SBS 改性沥青和掺量为18%的胶粉改性沥青[8-9]，并从宏观角度对比分析了老化对改性沥青微观结构和疲劳性能的影响。本文旨在制备高掺量胶粉复合改性沥青，使其胶粉掺量达到28%且性能优于传统的橡胶改性沥青。

1 试验

1.1 试验原材料

试验采用金陵70#道路石油基质沥青、40 目脱硫胶粉，其技术指标见表1～表2。橡胶油为糠醛抽出油，改性剂包括SBS 为线性791-H，塑料阻隔润滑剂HPT（主要成分为乙撑硬脂酸酰胺），稳定剂采用常用的硫磺类稳定剂。

表1 金陵70#基质沥青技术指标

表2 脱硫胶粉化学技术指标

1.2 改性沥青的制备

首先，将金陵70#基质沥青加热至160 ℃保温1 h 使基质沥青完全融化，然后称取500 g 基质沥青放入陶瓷缸中，将占基质沥青质量分数28%的脱硫橡胶粉慢慢加入到熔融状态的沥青中，利用高速剪切仪在180～190 ℃的温度下进行剪切，剪切速率为5 000 rpm，待剪切至无明显大颗粒时，加入占基质沥青质量分数为3%的SBS 改性剂，保证橡胶粉和SBS 改性剂混合均匀，接着依次加入橡胶油及其他添加剂，总剪切时间为2 h。剪切完成后缓慢加入占基质沥青质量分数0.5%的硫磺稳定剂，放入温度恒定为180 ℃的搅拌箱中搅拌发育1 h，制备了高掺量胶粉复合改性沥青（CR-SBS/HPT）、高掺量胶粉/HPT 复合改性沥青（CR-HPT）、高掺量胶粉/SBS 复合改性沥青（CRSBS）、高掺量胶粉改性沥青（CR）4 种橡胶改性沥青。

2 结果与讨论

2.1 常规指标测试

表3 为样品的指标测试结果，可以看出，相同的胶粉掺量下4 种改性沥青CR 沥青样品针入度最高，沥青体系相对较软，而加入了SBS 和HPT 的橡胶改性沥青针入度明显下降，其中HPT 的下降趋势更加明显，其中CR-SBS/HPT、CR-HPT、CR-SBS 较CR 样品分别降低了22.5%、13.8%、10.0%。从软化点结果可以看出，CR 软化点最低，加入HPT 和SBS 后的CR-HPT及CR-SBS 的软化点均得到了提高，其中CR-SBS/HPT、CR-HPT、CR-SBS 的软化点比CR 软化点分别提高了58.9%、20.8%、48.7%，从延度测试结果可以看出，CR-HPT 延度最低，相比CR 降低了21%，说明HPT 的加入对橡胶沥青的低温延度有一定损伤，而CR-SBS/HPT 和CR-SBS 相比CR 延度分别提升了35%、50%。

表3 四种橡胶复合改性沥青测试结果

2.2 存储稳定性测试

图1 为样品的离析软化点测试结果，可以看出CR-SBS/HPT 和CR-SBS 样品在热存储48 h 内的软化点差值均小于3 ℃，且随着存储时间的增加没有太大变化。而CR- HPT 和CR 样品在存储期间发生了严重的离析现象，说明HPT 的加入对橡胶改性沥青的热存储稳定性具有一定的改善效果，但CRSBS 的存储稳定性最佳，这是因为在橡胶改性沥青中，SBS 会与沥青中的多环芳烃分子发生相互作用，从而降低了沥青中多环芳烃分子的浓度，进而减少了离析现象的发生。此外，SBS 在橡胶改性沥青中还可以形成物理交联，增加沥青分子之间的相互作用力，使得沥青变得更加粘稠，整体体系更加稳定。同时SBS 与HPT 复合可以形成密实的聚合物相网络结构，降低沥青分子的自由度，使其更难流动，形成稳定的网格结构，从而改善了改性沥青整体的稳定性。

图1 4 种橡胶改性沥青延度测试结果

2.3 FM 测试

图2 展示了4 种不同配方的橡胶改性沥青的荧光显微镜测试图像，其中发光部分物质主要代表SBS颗粒。从图中可以看出，CR-SBS/HPT 和CR-SBS 中发光物质较多，其中CR-SBS/HPT 荧光颗粒大小及其分布较为均匀，而CR-SBS 中有较大颗粒且略有团聚现象。说明CR-SBS/HPT 和CR-SBS 沥青体系已经形成稳定的交联网络，而CR-HPT 和CR 沥青几乎没有荧光物质，其中亮斑可能是由橡胶油或PET 颗粒反光特性引起，这就导致在高温存储及重力场作用下CRHPT 和CR 发生严重的离析现象，这与热存储稳定试验的数据结果一致。

图2 4 种橡胶改性沥青荧光测试结果

2.4 FT-IR 测试

图3 为红外光谱测试结果，红外光谱中波数在725.4 cm-1和802.2 cm-1的特征峰都代表C-H 键的弯曲振动，其中725.4 cm-1处特征峰通常代表芳香族C-H 键的弯曲振动。从图中可以看出2#沥青的峰值最小，主要原因是HPT 一般作为一种添加剂加入到沥青中，其分子结构中包含着较多的烷基和羧酸基团。这些基团与橡胶或沥青中的其他基团相互作用，可能会导致一些振动模式发生变化，或者影响吸收峰的强度。波数在1 373.2 cm-1和1 450.5 cm-1的峰通常代表着芳香族碳氢键的拉伸振动，一般对应于沥青中的甲基对称变形振动，表示沥青中存在甲基基团。而2 854 cm-1和2 915 cm-1处的特征峰对应的烷基和甲基的伸缩振动，说明这四个样品中含有类似的烷基和甲基官能团，这可能是因为4 个样品都是沥青改性材料，都含有沥青的基本结构单元，所以它们的红外光谱中都存在甲基基团，因此在1 373.2 cm-1、1 450.5 cm-1、2 854 cm-1和2 915 cm-1处都出现了相接近的特征峰。波数在1 558.1 cm-1的特征峰为芳香族结构中的C=C 键振动，而波数为1 634.4 cm-1的特征峰为芳香族结构中的C=C 键伸缩振动或共轭双键伸缩振动。从图中可以看出CR-HPT 和CR 样品特征峰远大于CR-SBS/HPT 和CR-SBS 样品，说明CR-SBS/HPT和CR-SBS 样品中的SBS 可以减弱芳香族吸收峰的强度，可能是由于SBS 中的丁苯基团与沥青中的芳香族分子形成复合物，从而影响其振动模式。而双键可以参与自氧化反应，导致沥青的降解和老化。因此，双键含量越高，橡胶改性沥青越容易发生老化，所以双键含量高的橡胶改性沥青相对来说是不稳定的，这说明CR-SBS/HPT 和CR-SBS 要比CR-HPT 和CR 稳定性更好。

图3 4 种橡胶改性沥青红外光谱测试结果

3 结论

（1） CR-SBS 有较高的延度但整体性能CRSBS/HPT 最佳且CR-SBS/HPT 存储稳定性最好；从三大指标可以看出CR-HPT 可以降低CR 的针入度、提高其软化点，并在一定程度上改善CR 存储不稳定现象，但在低温延度有一定负面影响，而CR-SBS 相比CR 有较高的延度并可以极大程度改善CR 存储不稳定现象。

（2） CR-HPT 和CR 在重力场及热存储环境作用下发生较严重的离析现象，从荧光显微试验可以看出CR-SBS/HPT 中SBS 分散效果更均匀，说明SBS与HPT 复合可以更加形成密实的聚合物相网络结构，使橡胶改性沥青的整体体系更稳定。

（3） 红外光谱发现CR-HPT 的整体吸光度较小，但在1 558.1 cm-1和1 634.4 cm-1处的特征峰较大，说明橡胶复合改性沥青不仅仅是简单的物理改性，也存在着一定的化学反应过程。