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复合改性橡胶沥青应用技术研究
[2018/1/17]

引 言


         随着公路建设的迅速发展,聚合物改性沥青在路面铺设方面发挥着越来越重要的作用。目前,中国高速公路及省会城市公路建设中有超过90%的铺装路面使用SBS改性沥青,并取得了较好的路用效果,不过,其较高的成本也限制了它使用推广。
         近年来国内外普遍采用废旧轮胎制成的橡胶粉作为沥青的改性材料,不仅价格低廉,而且能取得良好的改性效果,“变废为宝”,同时消除“黑色污染”。利用橡胶粉对沥青进行改性,可显著增大沥青的粘度,降低沥青的针入度,提高延度和软化点,改善高温性能;而热塑性弹性体苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物SBS,由于自身具有塑性段和橡胶段,不同于常规的硫化橡胶,它可以提高沥青的软化点,并使沥青在低于脆点温度时仍具有柔性,保持了沥青的韧性,改善低温性能的效果明显。综上分析,SBS改性沥青在低温与高温性能方面均有明显的优势,而橡胶沥青在耐久性和环保方面也有无可比拟的优点,因此近几年复合改性沥青技术得到了人们的关注,利用不同改性剂对沥青高低温性能的不同改性效果进行复合,充分发挥各改性剂之间的优势,相互促进和补充,以改善普通沥青的高低温性能。基于此,本文开展了对复合改性橡胶沥青应用技术的研究。


改性机理分析


         关于聚合物改性沥青的改性机理目前没有统一认识,但主要存在以下三种观点。
         相容性
         聚合物改性沥青是由聚合物和沥青组成的两相共混物,按照相的连续性可以分成3种基本类型:沥青相为连续相、聚合物相为分散相的单项连续结构;聚合物相为连续相、沥青相为分散相的单项连续结构;两相连续结构或两相互锁结构,即沥青相和聚合物相都是连续的。
         SamMaccarrone认为聚合物在沥青—聚合物体系中的理想状态是细分布而不是相溶。解释这一现象有两种理论。第一种,当聚合物加入沥青中,根据能量最低原理,体系有自动降低表面能的趋势,这种趋势是通过缩小表面积或者吸附某些结构相近的物质来降低表面能。因为分散相的聚合物粒子粒度小,表面能量大,可吸附沥青中结构相近的物质,所以能降低表面能的组分会吸附在聚合物表面上形成一种界面吸附层,以降低表面能。第二种,以材料溶解度参数作为评价相容性好坏的定量指标。根据相似相容法则,两种物质的极性越接近,它们的溶解度参数差就越小,则越容易互相混溶。
         溶胀
         对聚合物在沥青中的溶胀行为的研究表明,聚合物在加入沥青后,一般不发生化学反应,但在沥青轻质组分作用下,聚合物体积会膨胀,即发生溶胀。为保证各自的稳定性,聚合物吸收沥青中的油分,体积膨胀到原体积的5~10倍;沥青中轻质组分在化学位驱动下向高分子聚合物中渗透,聚合物有限地吸收部分芳香酚、饱和酚和蜡,发生溶胀而不是溶解。沥青本身是处于平衡状态的胶体结构,聚合物吸收了沥青中的芳香酚或饱和酚(或二者兼有)必然会破坏这一平衡状态,从而形成沥青胶团和聚合物争夺轻质组分的局面,最终达到一种新的平衡体系即新沥青胶体结构的平衡和聚合物的溶胀平衡。
         临界掺量
         聚合物在沥青中的掺量存在一个临界值,美国科学家Collins称之为临界质量分数。当达到临界掺量时,聚合物形成一种稳定的网络结构;当超过此值时,改性体系发生相变,聚合物由非连续相转化为连续相,沥青由连续相转化为非连续相。
         复合改性机理
         本研究将橡胶粉改性和SBS改性进行复合,利用两种改性剂各自的优势,互相协同和补充,获取高低温性能都得到改善的改性沥青。
根据橡胶粉改性机理与聚合物改性机理分析,在复合改性体系中,这两种机理会相互协同作用。胶粉和聚合物在加入沥青后,同时发生溶胀作用和相溶作用;胶粉和聚合物吸收沥青中的油分,体积膨胀,形成稳定的网络结构,增大了沥青的粘度,也改善了其低温性能。


试验方案与结果讨论


原材料
(1)基质沥青
         基质沥青是由多种复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物组成的混合物。沥青按4组分法包括沥青质、胶质、饱和酚和芳香酚。
         基质沥青的性能直接影响复合改性橡胶沥青的性能,本研究采用SK90#基质沥青作为复合改性对象。
(2)橡胶粉
         橡胶粉的主要化学成分是天然橡胶和合成橡胶(如丁苯橡胶、顺丁橡胶),还有硫、碳黑、氧化硅、氧化铁、氧化钙等添加剂,这些成分都是良好的沥青改性剂。
(3)SBS
         SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物,分为线型和星型两种结构。SBS分子链上S段→聚苯乙烯→硬相→分散相→岛相,起约束软段的硫化点作用;SBS分子链上B段→聚丁二烯→软相→连续相→海相。在聚集状态下,聚丁二烯链段形成连续橡胶相,而聚苯乙烯链段分散在连续橡胶相中形成塑料微相区。因为两种链段间以未硫化的化学键相连,故在一定温度范围内聚苯乙烯微相区对聚丁二烯链段起交联作用。当温度高于聚苯乙烯Tg时,S段解开,交联键打开,SBS表现为塑性;当温度低于聚苯乙烯Tg时,物理交联键又重新生成,表现出硫化胶综合性能,不再起硫化点的约束作用。因此,可知SBS具有化学或物理交联性质的可逆性。
制备工艺
         采用20%外掺胶粉,复合外掺SBS,制备复合改性橡胶沥青。工艺为:先将基质沥青缓慢加热至150℃左右,然后将称好的SBS和橡胶粉混合物缓慢加入沥青液中,使用转速3000r·min-1的高速剪切机,充分混合2h后停止剪切。复合改性橡胶沥青必须采用剪切工艺,是因为SBS难以通过搅拌熔融到基质沥青中。
试验结果分析
         采用20%外掺橡胶粉。分别添加0.5%、1%、1.5%、2%的SBS进行复合改性。由于采用剪切工艺,因此20%外掺胶粉橡胶沥青的指标与前述热熔法有差异。
         (1)针入度。随SBS掺量增大,针入度呈现逐步降低且趋于稳定的态势,这表明,SBS对橡胶沥青的感温性改善是有利的,并且随着掺量的增加,其感温性改善明显。
         (2)软化点。SBS对橡胶沥青的高温性能改善非常显著,随着掺量的增加,复合改性橡胶沥青的软化点显著增大。因此,为了改善橡胶沥青的高温性能,最常用的做法就是掺加SBS。
         (3)延度。随着SBS掺量的增加,复合改性橡胶沥青的低温性能明显改善。普通橡胶沥青的低温延度较低,常不能满足规范要求,而在SBS掺加量达到1%后,复合改性橡胶沥青的低温延度就可达到8cm以上,掺加量达到2%时,延度可达到10cm以上。
         (4)弹性恢复。与不掺加SBS相比,掺加SBS初期对弹性恢复并无明显改善,但随着SBS掺量的增加,复合改性橡胶沥青的弹性恢复逐渐增大。
         (5)180℃旋转粘度。虽然随着SBS掺量的增大,复合改性橡胶沥青的180℃旋转粘度逐渐增大。从0%的掺量一直增加到2%,其粘度从0.9Pa·s增长到1.35Pa·s,但粘度值增长幅度有限,整体值仍偏低。可见,添加SBS对橡胶沥青的粘度改善并不显著。


结 语 


         (1)加入SBS可以显著改善橡胶沥青的感温性,提高延度指标,改善低温性能。

         (2)复合改性橡胶沥青在软化点指标上高于普通橡胶沥青,能达到比普通橡胶沥青更好的高温性能。

         (3)从粘度指标看,影响粘度最关键的因素是胶粉掺量,复合改性橡胶沥青粘度值偏低,可通过增加胶粉掺量提高粘度。

         (4)通过室内试验,建议复合改性橡胶沥青中的橡胶粉掺量为20%,SBS改性剂掺量为2%。

 

(文章转自:中国沥青路面网)

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