SBS-橡胶粉复合改性沥青原材料优选研究

张红兵, 马吉倩, 王威娜

(1.天津市交通科学研究院，天津 300074； 2.湖南省高速公路集团有限公司，湖南 长沙 410022； 3.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400064)

近年来，随着我国公路建设的飞速发展，改性沥青的需求量进入了前所未有的高峰期。目前国内常用的改性沥青以SBS改性沥青为主，部分省市对橡胶粉改性沥青也有较大规模使用。SBS改性沥青与橡胶粉改性沥青各有自身的优缺点，SBS改性沥青性能优良，但是价格高，橡胶沥青环保低碳，有利于废物循环再利用，而且成本低，但是贮存稳定性较差、施工难度较大[1]，所以为了使两种改性剂之间的优势互补，生产出性能优良、价格低廉的改性沥青，部分道路工作者提出了SBS、废胶粉双重改性沥青的概念。黄卫东[2]等对SBS、废胶粉复合改性沥青进行低温效果评价；费豪斌[3]对胶粉与SBS复合改性沥青混合料的试验及应用研究；刘勇[4]等对胶粉/SBS复合改性沥青性能评价及改性机理进行研究；董泽蛟[5]等对SBS/橡胶粉复合改性SH型混合生物沥青工艺及机理进行研究；赵旭[6]研究了基于胶粉与SBS复合改性的灌缝胶；张永辉[7]研究了SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青作用机理，评价了其各自的优缺点。综上，SBS和橡胶粉复合改性属于一种新型改进技术，虽然诸多学者进行了相关研究，但是还存在着许多学术空白需要进一步系统研究，因此作者在之前学者的研究基础上，对SBS与废橡胶粉复合改性的原材料进行优选，确定适合SBS-橡胶粉复合改性的原材料，为后续学者试验、生产研究提供数据参考，具有十分重要的现实意义。

本文主要以SBS和橡胶粉复合改性过程中固定加工工艺对应用的原材料进行优选。原材料优选主要包括基质沥青、SBS、橡胶粉、稳定剂、相容剂等5个部分组成。

1 基质沥青对复合改性指标影响

本文根据周边地区沥青品种的应用，特选取了壳牌70#、SK70#、京博70#基质沥青进行复合改性性能试验比较，3种基质沥青技术指标如表1所示。

表1 基质沥青技术性质Table1 Technicalspecificationsofdifferentasphalt检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃延度(5cm/min,15℃)/cm含蜡量(蒸馏法)/%闪点/℃基质沥青技术要求60^80不小于46不小于100不大于2.2不小于260 京博-706746.5>1001.1310试验结果 SK-707147.2>1000.3299 壳牌-707246.8>1000.5292试验方法T0604T0606T0605T0615T0611溶解度(三氯乙烯)/%密度(15℃)/(g·cm-3)TFOT后残留物质量变化/%针入度比/%延度(10℃)/cm不小于99实测记录不大于±0.8不小于61不小于699.721.032-0.164 999.871.018-0.2651299.831.011-0.26611T0607T0603T0609T0604T0605

结合费豪斌、刘勇、向丽等人研究成果[1-8]，采用2.5SBS+18%橡胶粉比例进行性能试验(文中后续所有实验结果均以此配方为基础)，以验证不同基质沥青复合改性后的性能指标。具体检测结果见表2。

表2 不同基质沥青复合改性试验结果Table2 Theresultofdifferentasphaltaftercompositemodified检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm闪点/℃改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不小于230 京博4878.23.9433306试验结果 SK5076.93.4635298 壳牌5175.83.7135291试验方法T0604T0606T0625T0605T0611溶解度(三氯乙烯)/%弹性恢复(25℃)/%离析(48h软化点差)/℃TFOT后残留物质量变化/%针入度比/%延度(5℃)/cm不小于99不小于75不大于2.5不大于±1.0不小于65不小于1599.629218.2-0.2732299.81926.7-0.2742699.77939.8-0.37125T0607T0662T0661T0609T0604T0605

为分析不同基质沥青中沥青组分含量对改性沥青效果的影响，特对3种基质沥青进行4组份试验分析。试验采用沥青化学四组分试验方法(T0618-1993)进行数据分析。

由表2、表3数据可得出如下结论：

a.京博、SK、壳牌3种基质沥青进行复合改性后，沥青的高低温性质有了明显改善，软化点、延度指标有了明显改善，且指标明显高于常规SBS、废胶粉单种改性性能。

b.复合改性后3种改性沥青运动黏度均大于规范要求，这是由于SBS和废胶粉相互作用形成网络交叉结构，从而使粘度大大增加，而常规生产过程中会加入糠醛抽出油作为外加剂来控制改性沥青运动黏度等指标，因此出现超出规范中SBS改性沥青要求的现象。同时，就3种改性沥青而言，京博沥青复合改性后运动黏度最大，SK沥青最小，与其4组份中胶质、沥青质含量有直接关系，胶质、沥青质数量的多少决定了基质沥青整体粘度情况，为此，为有效控制复合改性后的粘度大小，应控制基质沥青中胶质、沥青质的含量。

c.3种沥青复合改性后离析指标均超出规范要求，而单纯SBS改性沥青离析指标SK-70、壳牌-70均满足规范要求，因此，说明橡胶粉的加入使得复合改性的贮存稳定性难度进一步加大，必须引入稳定剂以控制复合改性沥青的离析指标；另一方面，就贮存稳定性而言，SK沥青﹥壳牌沥青﹥京博，结合3种沥青组分可知，芳香分、饱和分含量越大，越能有效分散SBS和橡胶粉颗粒，复合改性沥青的贮存稳定性越好。

d.由此可见，对于基质沥青而言，胶质、沥青质含量小，芳香分、饱和分含量大的基质沥青适合开展SBS、橡胶粉复合改性。

2 SBS对复合改性指标影响

SBS即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，分为星型和线型两大类。星型SBS改性沥青的高温性能较好，而线型SBS改性沥青的低温性能及贮存稳定性较好[8-9]。也有研究表明，将两种类型SBS按一定比例混合后对沥青进行改性，其效果要好于单独添加一种类型的SBS[6]。为此本文选择了星型、线型、星线1∶1混合3种方式进行比较试验。基质沥青采用京博、SK两种沥青。见表4～表6。

表4 SBS原材料检测结果Table4 TestresultsofSBSrawmaterials牌号结构嵌段比(S/B)挥发份/%灰份/%300%定伸应力/MPa拉伸强度/MPa扯断伸长率/%邵氏硬度邵氏(A)熔体流动速率/(0.1g·min-1)YH791线型30/700.60.2 2.815740701.5YH4301星型30/700.50.312.321750760.2

表5 不同SBS改性沥青检测结果(京博)Table5 TestresultsofmodifiedasphaltfordifferentSBS(JingBo)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 YH7914878.23.943318.222试验结果 YH43014778.84.163119.720 星线1:1混合4878.13.983318.922试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

表6 不同SBS改性沥青检测结果(SK)Table6 TestresultsofmodifiedasphaltfordifferentSBS(SK)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 YH7915076.93.46356.726试验结果 YH43014879.13.63328.821 星线1:1混合4877.23.50347.224试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

由表5、表6数据可知:

a.不同类型SBS对复合改性沥青的性能有一定的影响，但影响不大，星线1∶1混合后复合改性沥青指标也没有表现出较强的卓越性。分析原因主要在于SBS在复合改性中掺量较小，单种SBS改性剂不足以形成完整的空间网格结构，橡胶粉与SBS空间网络之间相互作用不明显。从而也印证了两种类型SBS按一定比例混合后提高改性沥青性能指标的前提条件为SBS大掺量。

b.不同基质沥青对不同类型SBS复合改性后性能反应不完全一致。线型SBS在两种基质沥青复合改性中具有较好的低温延度和贮存稳定性，而星型SBS的高温性能却不是很突出，这一方面和掺量有关，另一方面和SBS与基质沥青的配伍性有关。

c.两个超规范指标运动黏度、离析以及老化后延度在复合改性沥青数据上表现出高度一致性，具体形式可见图1所示，复合改性指标数据差别几乎很小，星型SBS在复合改性中没有表现出卓越的高温性能，但与线型SBS相比其改性后粘度大、贮存稳定性差。因此，为保证后续混合料拌合、施工时对粘度、贮存稳定性的要求，在复合改性中建议使用线型SBS。

图1 不同SBS改性沥青部分试验数据图

3 橡胶粉对复合改性指标影响

SBS-橡胶粉复合改性沥青的提出一方面出于经济性，另一方面重要意义在于废旧橡胶的废物再利用。因此复合改性的成败关键在于橡胶粉。国内外不少专家对胶粉改性沥青做了大量研究[8-10]，目前面临的主要问题在于高掺量下胶粉粘度大，施工和易性差，由于自身物理结构的影响，废橡胶粉与基质沥青相容性较差，改性沥青易产生离析分层。为此本文对橡胶粉不同细度(40目、60目、80目)，掺量(13%、18%、23%)，种类(A级—废轮胎胎面胶粉、B级-斜交胎整胎胶粉、C级—子午胎整胎胶粉)进行比较试验。

根据表7～表9试验结果可知：

a.橡胶粉细度对复合改性指标影响主要是高温性能和运动黏度，随着细度增加，高温性能、运动黏度均有所下降，而三者的低温及老化后性能均比较接近，因此，复合改性单就施工合易性而言，优选80目胶粉沥青；若综合考虑高温性能及性价比，在大规模生产过程中推荐使用40～60目胶粉沥青。

b.在复合改性中随着橡胶粉掺量的加大，高温性能大幅增大，运动黏度也显著增加，同时低温延度则出现较大幅降低。因此橡胶粉的掺量存在一个合理区间，过大的掺量虽然具有一定的经济性，但粘度过大，施工合易性差，结合有相关学者提出将运动黏度约定在1.5～4.0 Pa·s之间的观点[11]，建议橡胶粉掺量宜为12%～18%之间。

c.从试验结果而言，A级胎面轮胎做成的橡胶粉和B级大货车斜交胎整胎做成的橡胶粉性能明显优于C级小轿车子午胎整胎做成的橡胶粉。主要原因是轮胎胎面及货车轮胎中橡胶烃的含量较高，更能吸附沥青中的油分形成连续的空间网格结构，从而使得复合改性沥青性能增强，高低温性能得到改善。根据试验数据3个级别的橡胶粉均可正常使用，在生产过程中建议使用C级及其以上级别的橡胶粉。而轮胎侧胎做成的橡胶粉因其灰分高，橡胶烃含量低不建议使用。

表7 不同细度橡胶粉改性沥青检测结果(京博)Table7 Testresultsofrubberpowderfordifferentfineness(JingBo)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 40目4878.23.943318.222试验结果 60目4977.33.753417.723 80目5173.43.773517.822试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

表8 不同掺量橡胶粉改性沥青检测结果(京博)Table8 Testresultsofrubberpowderfordifferentdosage(JingBo)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 13%4976.83.053614.824试验结果 18%4878.23.943318.222 23%4681.76.632620.315试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

表9 不同级别橡胶粉改性沥青检测结果(京博)Table9 Testresultsofrubberpowderfordifferentgrade(JingBo)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 A级4386.73.973518.625试验结果 B级4581.63.863517.924 C级4878.23.943318.222试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

4 稳定剂对复合改性指标影响

从上述相关试验数据，在选定的3种基质沥青中复合改性沥青贮存稳定性均不满足规范要求，尤其以京博沥青稳定性最差，高温存放48 h改性剂和机制沥青几乎处于完全分离状态。从实际经验出发，对大部分基质沥青而言，复合改性贮存稳定性很难满足规范要求。通常生产过程中加入稳定剂来改善其改性沥青贮存稳定性，不同的稳定剂适用于不同的改性沥青体系，且稳定剂的使用工艺和用量基本相近，目前市场上稳定剂多以硫磺为主要成分。本文选取自主研发稳定剂WD，进口稳定剂SEAM(壳牌)，硫磺片3种不同型号稳定剂对复合改性沥青贮存稳定性的影响，用量0.3%，具体试验数据可见表10和表11。

表10 不同稳定剂改性沥青检测结果(京博)Table10 Testresultsofmodifiedasphaltfordifferentstabilizer(JingBo)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 WD4778.83.97324.719试验结果 SEAM4878.63.93333.920 硫磺片4680.14.02305.616试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

表11 不同稳定剂改性沥青检测结果(SK)Table11 Testresultsofmodifiedasphaltfordifferentstabilizer(SK)检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 WD4877.13.52330.620试验结果 SEAM4877.23.47330.821 硫磺片4976.93.53321.119试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

根据表10、表11试验结果可知：

a.3种稳定剂均具有较好的稳定效果，所有样品离析指标均控制在6 ℃以内，可以说大幅提高SBS-橡胶粉复合改性沥青的存储稳定性。但3种稳定剂的加入都在一定程度上提高了复合改性沥青的粘度，降低改性沥青的低温性能。

b.不同基质沥青复合改性后表现出不同的贮存稳定性，试验数据表明掺加稳定剂后其贮存稳定性也表现不同，添加稳定剂后SK基质沥青复合改性后离析指标满足规范中SBS改性沥青离析要求。京博沥青虽然稳定性大幅度提高，但仍然不满足2.5 ℃的基本要求，这一方面和基质沥青有一定关系，另一方面SBS和橡胶粉两种改性剂的存在，增加了贮存稳定性的控制难度。因此也有学者提出复合改性离析控制指标为5 ℃。

c.为了分析稳定剂作用机理，如图2所示，特采用美国夏普微电子公司生产的显微镜进行观察，通过显微镜可清晰地看出稳定剂的加入，使得2种改性剂在沥青中的分布状态发生明显变化，这是由于硫磺的加入，使得基质沥青、改性剂中自由基发生硫化反应、枝结物化，从而使得改性剂分布均匀，在基质沥青中充分缔结后而产生稳定的空间网络结构，以此提高贮存稳定性。

d.3种稳定剂均具有明显的稳定效果，但就实际应用而言，硫磺片投放过程中容易产生HS有毒气体、且易燃易爆，不易存放，因此不建议使用；SEAM(壳牌)稳定剂虽然性能较好，但价格较高，经济性差；而自主研发的稳定剂具有较高的性价比、安全操作性，推荐使用。

(a)夏普显微镜

5 外加剂对复合改性指标影响

改性沥青生产过程涉及到的外加剂主要有相容剂、软化剂、增粘剂、去味剂。为简化研究成果，本文仅就相容剂开展相关论述。相容剂主要为糠醛抽出油，是原油经高温减压(减三、减四)蒸馏分离轻质油分后，加以辅料调制而成的。相容剂的加入可以有效降低复合改性沥青的粘度。在之前研究基础上(WD用量0.3%)，本文选定武汉某公司生产的糠醛抽出油进行试验，记为WK，用量0.8%。

由表12数据可知：WK的加入有效降低复合改性沥青的运动黏度，同样付出的代价是整体复合改性沥青高温性能的下降。因为糠醛抽出油主要成分为轻质油分，加入后运动黏度大幅下降，提高了施工合易性。但因其加入降低高温性能，要严格控制其用量。

表12 添加WK后复合改性沥青性能指标Tab.12 PerformanceindexofmodifiedasphaltafteraddingtoWK检测项目针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm软化点(环球法)/℃运动黏度(135℃)/(Pa·s)延度(5cm/min,5℃)/cm离析(48h软化点差)/℃TFOT后延度(5℃)/cm改性沥青技术要求40^60不小于60不大于3不小于20不大于2.5不小于15 京博4975.22.67354.323试验结果 SK5173.92.48360.528 壳牌5272.62.61351.221试验方法T0604T0606T0625T0605T0661T0605

SBS-橡胶粉复合改性沥青一方面引入糠醛抽出油相容剂来控制改性沥青粘度；另一方面引入稳定剂，以稳定剂硫化反应来形成稳定空间网络结构来约束SBS、胶粉颗粒，减缓离析分层。两者相互作用既改善了胶粉改性沥青的粘度，又提高了其贮存稳定性，因此，使得SBS-橡胶粉复合改性沥青满足相关要求，进一步提升了SBS-橡胶粉复合改性的应用空间。

6 结语

综上，本文通过对SBS-橡胶粉复合改性过程中涉及的原材料进行优选，为其他学者提供较为系统的数据支撑。通过研究，本文的主要研究结论为：

a.基质沥青而言，优先选用胶质、沥青质含量小，芳香分、饱和分的含量大的基质沥青。

b.考虑到复合改性中SBS掺量较小，复合改性中建议使用线型SBS。

c.橡胶粉细度控制在40目～60目，掺量控制在12%～18%之间，生产过程中建议使用C级及其以上级别的橡胶粉。

d.就稳定效果而言，3种稳定剂均可使用，但自主研发的稳定剂因具有较高的性价比、安全性，推荐使用。

e.WD稳定剂加入能有效提高复合改性沥青的存储稳定性，WK相容剂的加入能够有效降低复合改性沥青的运动黏度。