環(huán)烷油對干法SBS 改性劑改性效果的影響

劉健

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024）

1 引言

SBS 改性劑因其全面的改性效果被廣泛應(yīng)用[1]。目前，行業(yè)主要采用濕法工藝制備SBS 改性瀝青混合料，即先制備SBS 改性瀝青，再制備瀝青混合料。然而，改性瀝青在運輸、儲存過程中存在改性劑離析等問題，不利于改性瀝青及瀝青混合料充分發(fā)揮性能[2]。干法改性技術(shù)在高溫條件下將改性劑、集料、瀝青等拌和，直接制備改性瀝青混合料。在短暫的拌和過程中，改性劑擴(kuò)散進(jìn)入基質(zhì)瀝青中溶脹，實現(xiàn)改性效果。這種技術(shù)不僅節(jié)約能源，還可以規(guī)避濕法改性工藝存在的改性劑離析等問題[3]。為了實現(xiàn)SBS 改性劑的干法應(yīng)用，北京中路鋪面技術(shù)有限公司開發(fā)了速溶型干法SBS 改性劑（SBS-T），其主要將剪切細(xì)化的SBS 與增強熔融擴(kuò)散能力的組分（EVA、相溶劑等）按照相應(yīng)比例充分混合后，由雙螺桿擠出機擠出造粒[4]。朱榮芳等[5]研究表明，SBS-T 與集料拌和過程中可以快速溶于瀝青并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，提高瀝青及瀝青混合料的宏觀指標(biāo)。王靜[6]依托實體工程研究指出SBS-T 制備的瀝青混合料滿足規(guī)范要求，其具有廣闊的推廣前景。

SBS 改性劑在瀝青中充分溶脹后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于提高瀝青混合料性能[7]。由此可見，干法SBS 改性劑的快速溶脹能力是保證瀝青混合料充分發(fā)揮性能的關(guān)鍵。在干法SBS 改性劑制備過程中，添加輕質(zhì)組分對剪切細(xì)化的SBS 進(jìn)行預(yù)溶脹處理，可以縮短改性劑在瀝青的溶脹時間，有利于提高干法SBS 改性劑溶脹效果[8]。環(huán)烷油是原油提煉產(chǎn)品，含有大量的輕質(zhì)組分，其與石油瀝青在化學(xué)組成上具備良好的相容性和穩(wěn)定性，理論上可用于預(yù)溶脹處理SBS 改性劑[9]。

本文在干法SBS 改性劑制備過程中加入環(huán)烷油，制備不同類型的干法SBS 改性劑。在此基礎(chǔ)上，研究環(huán)烷油摻量對干法SBS 改性劑改性效果的影響。相關(guān)研究成果對干法SBS 改性劑的發(fā)展有積極促進(jìn)作用。

2 試驗

2.1 干法SBS 改性劑制備

干法SBS 改性劑的制備主要基于界面增強機理，其提高SBS 改性劑與瀝青溶解度參數(shù)相似EVA 的界面作用，從而改善剪切細(xì)化的SBS 改性劑與瀝青的相容性。本文采用先將剪切細(xì)化的SBS（70 份）與環(huán)烷油拌和均勻，隨后加入EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）20 份、EVA-g-MAH（馬來酸酐接枝相溶劑）7 份、抗氧化劑22 463 份攪拌均勻，最后投放至雙螺桿擠出機中熔融造粒制備不同類型干法SBS 改性劑。環(huán)烷油摻量為干法SBS 改性劑質(zhì)量的0%、3%、6%、9%、12%。試驗用環(huán)烷油由青島魯化化工有限公司生產(chǎn)。

2.2 改性瀝青制備

參考團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CHTS 20003—2018《公路干法SBS 改性瀝青路面技術(shù)指南》，總結(jié)試驗經(jīng)驗，將改性劑加入流動的基質(zhì)瀝青中，在175 ℃、5 000 r/min 參數(shù)下剪切30 min 后，立即成型試件。試驗用殼牌70#基質(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.3 改性瀝青混合料制備

參考T/CHTS 20003—2018《公路干法SBS 改性瀝青路面技術(shù)指南》，總結(jié)試驗經(jīng)驗，確定干法SBS 改性瀝青混合料制備參數(shù)：首先將集料預(yù)熱至175 ℃，在170～180 ℃下將干法SBS 改性劑與集料干拌90 s，隨后加入流動狀態(tài)的基質(zhì)瀝青濕拌60～90 s，最后加入礦粉，拌和60～90 s，在175 ℃下養(yǎng)護(hù)1 h 后，成型試件。

試驗均以SBS 實際摻量為基質(zhì)瀝青的4.5%摻加干法SBS 改性劑，在此基礎(chǔ)上，制備改性瀝青及瀝青混合料。

2.4 試驗方法

采用GB/T 3682.1—2018《塑料 熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率（MFR）和熔體體積流動速率（MVR）的測定 第1 部分：標(biāo)準(zhǔn)方法》 中熔融指數(shù)的測試方法表征干法SBS 改性劑熔融指數(shù)（MI）的變化；采用熒光顯微鏡技術(shù)觀測改性劑在瀝青中的微觀分布和溶脹效果；采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》 中規(guī)定方法測試干法SBS 改性瀝青基本指標(biāo)及瀝青混合料路用性能。

3 結(jié)果及討論

3.1 干法SBS 改性劑熔融指數(shù)

MI 越大反映干法SBS 改性劑熔融能力越好。熔融能力一定程度上可以反映改性劑擴(kuò)散進(jìn)入瀝青的能力，這也是干法工藝得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，干法SBS 改性劑應(yīng)具有較大的MI（通常情況下，MI≥2）。不同環(huán)烷油摻量的干法SBS 改性劑及常規(guī)線性SBS 改性劑（對照組）的MI 測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 干法SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

從圖可以看出，SBS 改性劑與干法SBS 改性劑的MI 形成明顯對比。線性SBS 改性劑MI 為0，這說明了常規(guī)SBS 改性劑在高溫條件下不融化，其不適用干法改性工藝。干法SBS 改性劑MI 均大于2，這說明對SBS 改性劑進(jìn)行改造后，其可應(yīng)用于干法改性工藝。此外，隨著環(huán)烷油摻量的增加，干法SBS 改性劑MI 逐漸增大。整體來說，環(huán)烷油摻量的增加會提高改性劑的熔融能力，改善改性劑擴(kuò)散進(jìn)入基質(zhì)瀝青的效果。

3.2 干法SBS 改性劑微觀分布

試驗采集了不同環(huán)烷油摻量的干法SBS 改性劑制備的改性瀝青熒光照片。為了量化分析環(huán)烷油摻量對改性劑微觀分布的影響，試驗利用IPP 圖像處理軟件分析改性劑與基質(zhì)瀝青在熒光照片中所占的面積比，以此定義干法SBS 改性劑的溶脹效果[10]。面積比越大，說明溶脹效果越好。處理前后熒光照片如圖2 所示（左側(cè)為處理前，右側(cè)為處理后的熒光照片），不同環(huán)烷油摻量下干法SBS 改性劑面積比擬合曲線如圖3 所示。

圖2 處理前后的熒光照片（左側(cè)為處理前，右側(cè)為處理后）

圖3 干法SBS 改性瀝青面積比

從圖2 可以看出，干法SBS 改性劑可以均勻分布在瀝青中。未摻加環(huán)烷油時，干法SBS 改性在瀝青中呈點狀分布。摻加環(huán)烷油量后，SBS 改性顆粒逐漸變大，并相互搭接。由圖3可以看出，隨著環(huán)烷油摻量增大，面積比先增大后減小。這說明環(huán)烷油摻量并非越大越好。環(huán)烷油摻量適當(dāng)，對改性劑的溶脹效果有促進(jìn)作用。但過量環(huán)烷油會部分溶解改性劑，致使改性劑的結(jié)構(gòu)細(xì)度變小，從而不利于溶脹。通過計算，當(dāng)環(huán)烷油摻量為6.9%時，面積比達(dá)到最大。

3.3 干法SBS 改性瀝青性能及混合料路用性能

3.3.1 瀝青性能

試驗測試了干法SBS 改性瀝青的基本指標(biāo)，測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 干法SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

由測試結(jié)果可知，隨著環(huán)烷油摻量的增加，干法SBS 改性瀝青的針入度先增大后趨于平穩(wěn)，135 ℃黏度緩慢提高。此外，環(huán)烷油摻量對干法SBS 改性瀝青的軟化點沒有明顯影響，但隨著摻量的增大，改性瀝青的延度先增大后逐漸減小。環(huán)烷油摻量為6.5%，干法SBS 改性瀝青延度最大。

3.3.2 混合料路用性能

試驗采用AC-13 級配中值，集料選用石灰?guī)r，礦粉選用石灰?guī)r礦粉，干燥、潔凈。通過馬歇爾試驗確定干法SBS 改性瀝青混合料的瀝青油石比為4.8%。按照要求制備瀝青混合料并成型試件測試，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 干法SBS 改性瀝青混合料路用性能

從圖5 可以看出，環(huán)烷油摻量由0%增加至12%時，瀝青混合料DS 持續(xù)小幅提升，說明摻加環(huán)烷油的干法SBS 改性劑對瀝青混合料的高溫性能一定的改善作用。對于水穩(wěn)定性而言，隨著環(huán)烷油摻量的增加，TSR 先小幅上升，隨后趨于平穩(wěn)。瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變隨環(huán)烷油摻量先增大后減小，這與干法SBS 改性瀝青的延度有相似的變化規(guī)律。當(dāng)環(huán)烷油摻量為6.8%時，瀝青混合料有最大彎拉應(yīng)變。

4 結(jié)論

1）環(huán)烷油可以提高干法SBS 改性劑的MI，促使改性劑擴(kuò)散進(jìn)入瀝青。此外，其對干法SBS 改性劑有預(yù)溶脹的效果，可以改善改性劑在瀝青中的溶脹效果。

2）隨著環(huán)烷油摻量的增加，干法SBS 改性瀝青的針入度先增加后趨于平穩(wěn)、軟化點無明顯變化，135 ℃黏度逐漸增加，延度先增大后減小。

3）隨著環(huán)烷油摻量的增加，干法SBS 改性瀝青混合料的DS 和TSR 均有不同程度的提高，但最大彎拉應(yīng)變先增大后減小。

4）綜合考慮環(huán)烷油對上述因素的影響，烷油摻量在6%～7%時，干法SBS 改性劑具有較好的改性效果。