SBS對(duì)瀝青性能的影響

張海生， 詹延輝， 蔡 瑩

(1.上海普利特復(fù)合材料股份有限公司，上海 201707；2.浙江眾立合成材料科技股份有限公司，浙江嘉興 314000)

0 前言

瀝青的聚合物改性是通過(guò)在瀝青基體中添加橡膠或塑料樹(shù)脂完成的。瀝青具有低軟化點(diǎn)、高針入度和低溫脆性等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其使用范圍。通過(guò)在瀝青基體中添加合適的聚合物改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性處理，可以顯著改善瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度等，使其耐候性、感溫性得到顯著提升。

將聚合物用于瀝青改性由來(lái)已久[1-4]，早在1873年，英國(guó)的Samuel Whiting就已申請(qǐng)了利用橡膠改性瀝青的相關(guān)專利[5]。1902年，法國(guó)通過(guò)技術(shù)革新鋪筑了大量摻有橡膠改性瀝青的瀝青路面[6]。時(shí)至今日，市面上的改性瀝青品牌種類繁多，諸如殼牌、加德士等。目前，我國(guó)瀝青生產(chǎn)所使用的原油大多屬于石蠟基，其耐老化性能較差。此外，由于我國(guó)國(guó)土面積南北跨度大，導(dǎo)致各地區(qū)氣溫差異懸殊，對(duì)鋪設(shè)路面所使用的瀝青材料提出了更嚴(yán)苛的性能要求。然而，未經(jīng)改性的瀝青高溫發(fā)黏、低溫變脆且耐老化性能極差[7]，因此通過(guò)在瀝青中添加聚合物材料提升改性瀝青材料的整體性能顯得尤為重要。

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)是一種特殊的熱塑性彈性體，可根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)分為線型SBS和星型SBS兩大類[8-10]。得益于特殊的兩相結(jié)構(gòu)以及與瀝青良好的相容性，SBS常被用作瀝青改性的改性添加劑。曹嘉琦等[11]揭示了在短期老化過(guò)程中，瀝青基質(zhì)與改性劑會(huì)同時(shí)發(fā)生老化，但SBS聚合物的老化對(duì)SBS改性瀝青的性能影響更大。陳鵬等[12]研究表明SBS改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差隨著高溫貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，兩者基本呈線性關(guān)系。鄒桂蓮等[13]研究發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青回料的摻加量是影響再生SBS改性瀝青材料疲勞壽命的顯著性因素。秦歡等[14]研究發(fā)現(xiàn)添加針入度等級(jí)不同的SBS改性瀝青新料均能有效改善老化SBS改性瀝青的常規(guī)性能與流變性能，且SBS改性瀝青新料的針入度等級(jí)越高、摻量越大，老化SBS改性瀝青相關(guān)性能的改善效果越明顯。

SBS在用于瀝青改性時(shí)，盡管其添加量通常較低，但即使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有3%時(shí)，也能大大提高改性瀝青的整體性能[15]。筆者利用兩種SBS改性劑制備SBS改性瀝青，通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)SBS改性劑對(duì)改性瀝青材料的針入度、軟化點(diǎn)及延度的影響，最終分別選擇出針對(duì)針入度、軟化點(diǎn)及延度不同要求的瀝青改性劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

雙龍70號(hào)瀝青，軟化點(diǎn)為70 ℃，針入度為6.10 mm，延度為0 mm；

硫黃穩(wěn)定劑，李長(zhǎng)榮3411(星型SBS)；

硫黃穩(wěn)定劑，岳華SBSYH-791(線型SBS)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高低溫水浴鍋，HWY-30，上海榮計(jì)達(dá)儀器科技有限公司；

間歇式高剪切機(jī)，F(xiàn)M300，上海弗魯克科技發(fā)展有限公司；

可調(diào)式封閉電爐，F(xiàn)L-2，上海科恒實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；

瀝青針入度測(cè)定儀，SYD-2801F，上海榮計(jì)達(dá)儀器科技有限公司；

電腦智能瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器，SYD-2806G，上海榮計(jì)達(dá)儀器科技有限公司；

電腦智能瀝青延度測(cè)定儀，LYY-8，上海榮計(jì)達(dá)儀器科技有限公司。

1.3 樣品制備

首先將96份基質(zhì)瀝青在170 ℃烘箱中加熱至熔融狀態(tài)，隨后倒入燒杯中，并在180 ℃油浴條件下使用間歇式高剪切機(jī)處理10 min。然后向燒杯中加入4份SBS改性劑，將間歇式高剪切機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢增大(不超過(guò)6 000 r/min)，再剪切處理10 min后加入基質(zhì)瀝青既定量硫黃穩(wěn)定劑，繼續(xù)攪拌1 h，最后得到SBS改性瀝青。

1.4 分析測(cè)試

將制備好的SBS改性瀝青倒入模具中，室溫下放置0.5 h使其完全冷卻凝固，并用加熱的刀片處理掉模具上面多余的瀝青。隨后將進(jìn)行軟化點(diǎn)和延度測(cè)試的瀝青樣品放入水槽中(5 ℃)冷卻處理1 h以上，將進(jìn)行針入度測(cè)試的樣品放入高低溫水浴鍋中(25 ℃)處理1 h以上。

1.4.1 針入度測(cè)試

將針入度測(cè)試樣品從水浴中取出，放在瀝青針入度測(cè)定儀上，將針尖調(diào)整至與瀝青表面剛好接觸，測(cè)量針入度。

1.4.2 軟化點(diǎn)測(cè)試

將徹底冷卻的軟化點(diǎn)測(cè)試樣品蓋好銅帽，放上小球后，放入電腦智能瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器中，開(kāi)啟攪拌，待溫度穩(wěn)定后開(kāi)始加熱，觀察瀝青狀態(tài)變化，當(dāng)小球完全掉在底部金屬板上時(shí)記錄溫度，2個(gè)小球掉落的平均溫度即為軟化點(diǎn)。

1.4.3 延度測(cè)試

將徹底冷卻的延度測(cè)試樣品放在電腦智能瀝青延度測(cè)定儀上，設(shè)置拉速度為5 cm/min，觀察瀝青實(shí)時(shí)拉伸狀態(tài)，瀝青拉斷時(shí)的數(shù)值即為其延度。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫黃穩(wěn)定劑添加量對(duì)SBS改性瀝青性能的影響

圖1、圖2為硫黃穩(wěn)定劑添加量對(duì)線型SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度的影響，其中SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。

從圖1和圖2可以看出：當(dāng)硫黃穩(wěn)定劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到0.25%時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸升高，針入度則呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；此外，其延度與軟化點(diǎn)的變化趨勢(shì)相同，也隨著硫黃穩(wěn)定劑含量的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。在瀝青中加入SBS之后，SBS的丁二烯橡膠段因與瀝青中的飽和組分和芳香組分具有相近的分子結(jié)構(gòu)，可以充分吸收其飽和組分和芳香組分，從而溶脹并使瀝青中的組分發(fā)生了變化，因此加入SBS瀝青改性劑之后，改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度變化明顯。此外，瀝青性能的改善也依賴于SBS在瀝青中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完善，隨硫黃穩(wěn)定劑含量的增加，SBS在瀝青中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加完善，改性瀝青的內(nèi)聚力、黏度和彈韌性逐漸增加。因此，硫黃穩(wěn)定劑含量增加使其軟化點(diǎn)和延度增加，針入度降低。當(dāng)SBS三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于完善時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度就幾乎不再發(fā)生改變。此外，使用星型SBS對(duì)瀝青進(jìn)行改性處理，硫黃穩(wěn)定劑添加量的變化對(duì)改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度的影響與使用線型SBS改性的趨勢(shì)一致。

圖1 改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度隨硫黃穩(wěn)定劑添加量的變化

圖2 改性瀝青延度隨硫黃穩(wěn)定劑添加量的變化

2.2 不同結(jié)構(gòu)SBS對(duì)改性瀝青性能的影響

不同結(jié)構(gòu)SBS對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度、延度的影響見(jiàn)表1。

表1 星型和線型SBS對(duì)改性瀝青性能的影響

從表1可以看出：在SBS添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%)相同的情況下，線型和星型SBS改性瀝青存在較大的性能差異。與線型SBS改性瀝青相比，星型SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)稍高，針入度和延度相對(duì)更小，這可能是由于在相同SBS添加量情況下，線型SBS的分子鏈具有更好的伸展性，其分子鏈的均方末端距更長(zhǎng)。

2.3 線型SBS含量對(duì)改性瀝青性能的影響

圖3和圖4分別為不同線型SBS添加量對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度及延度的影響。

圖3 改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度隨SBS添加量的變化

圖4 改性瀝青延度隨SBS添加量的變化

從圖3可以看出：隨著線型SBS含量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)和延度逐漸提高，針入度逐漸降低。當(dāng)線型SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度和針入度分別為94 ℃、4.25 mm和345 mm；而當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到5%時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度和針入度逐漸趨于穩(wěn)定，其值分別為95 ℃、350 mm和4.2 mm。上述現(xiàn)象可能是由于當(dāng)線性SBS含量較低的時(shí)候，其在瀝青中還沒(méi)有形成完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而對(duì)改性瀝青的軟化點(diǎn)和針入度的影響不大，但因其吸收瀝青中的組分之后產(chǎn)生溶脹并導(dǎo)致其分子鏈伸展，從而使改性瀝青的延度大幅度提高。當(dāng)SBS添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～5%時(shí)，隨著SBS含量的進(jìn)一步增加，SBS在瀝青中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為完善，兩者相互作用并有可能形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此進(jìn)一步提高SBS含量對(duì)改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度的影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)定劑的用量會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，從而影響改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度。針對(duì)雙龍70號(hào)瀝青體系，在硫黃穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，線型SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度和針入度分別為94 ℃、4.25 mm和345 mm。當(dāng)SBS添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～5%時(shí)，SBS與瀝青形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致SBS含量繼續(xù)增加時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度和針入度幾乎不再發(fā)生變化。