高性能SBS改性瀝青的制備及配伍性能探索

王正敏

中建七局（上海）有限公司 上海 201812

1 問題的提出

巴基斯坦PKM公路項目所在位置屬于炎熱干旱區(qū)，夏季氣溫較高，6月平均氣溫為38 ℃，最高超過47 ℃，路面溫度超過70 ℃，是亞洲實測資料中的最高氣溫，排全球第四。由于該極端高溫氣候的存在，對于以瀝青混凝土作為主要路面結(jié)構(gòu)的該工程項目而言，對路面高溫穩(wěn)定性要求極為嚴(yán)格。SBS改性瀝青軟化點和延度的提高有助于改善其高溫性能和低溫性能。若改性瀝青配伍性選擇不當(dāng)，將可能影響SBS改性瀝青的質(zhì)量，導(dǎo)致路面出現(xiàn)大面積的車轍、泛油和擁包等因高溫穩(wěn)定性不足而引起的病害，直接影響該項目的投資效益，并產(chǎn)生不良的社會影響[1-3]。

2 改性瀝青配伍及改性機(jī)理

配伍性與相容性不同，相容性反映的是改性瀝青的熱存儲穩(wěn)定性，而配伍性反映了改性劑對基質(zhì)瀝青性能的改善效果。瀝青的三大指標(biāo)反映的是瀝青的性能指標(biāo)，但并不能反映瀝青的組分及其性質(zhì)，由于SBS與基質(zhì)瀝青之間的密度、極性、分子量與溶解度參數(shù)等性質(zhì)差異較大，絕大部分SBS與瀝青之間相容性較差，這便要求選擇的基質(zhì)瀝青都要進(jìn)行四組分試驗，同時進(jìn)行剪切試驗，最終選出配伍性好的基質(zhì)瀝青和改性劑，并確定生產(chǎn)工藝參數(shù)。

2.1 測試相容性方法

在1根玻璃管內(nèi)灌入瀝青，在163 ℃高溫條件下存放48 h，冷凍后，取試管上部和下部1/3處取樣，測定軟化點之差要求≤2.5 K。反之若存在凝聚和分層現(xiàn)象，則說明配伍有問題。

2.2 解決方式

加入橡膠油的多少可適當(dāng)提高芳香酚含量，改善其相容性。可采取以下2種方法提高其相容性：一是加入增溶劑，二是采用化學(xué)穩(wěn)定劑來避免兩相之間的離析現(xiàn)象。

2.3 SBS改性瀝青的熱貯存穩(wěn)定性

加入穩(wěn)定劑降低瀝青相與SBS之間的界面能，促進(jìn)SBS相的分散并阻止SBS相的凝聚，能夠強(qiáng)化黏結(jié)從而提高熱貯存穩(wěn)定性。不同助劑也應(yīng)進(jìn)行匹配，才能取得良好的效果。所以研究SBS改性瀝青生產(chǎn)制備原理，是獲得性能優(yōu)越改性瀝青的一個重要方面。同時選擇適合用于生產(chǎn)制備SBS改性瀝青的基質(zhì)瀝青和SBS改性劑[4-6]。

3 基質(zhì)瀝青選擇

1）盡量選用較低瀝青質(zhì)含量和較高芳香酚、膠質(zhì)含量的基質(zhì)瀝青。

2）60～70號基質(zhì)瀝青實驗室實測延度（5 cm/min，5 ℃）達(dá)到了5 cm，軟化點46 ℃。除軟化點和延度技術(shù)指標(biāo)低于設(shè)計SBS類I-D改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求外，其余指標(biāo)均高于設(shè)計要求，所以基質(zhì)瀝青選用60～70號石油瀝青。

4 I-D型改性瀝青技術(shù)性能測試

本工程采用SBS苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段工聚合物，即熱塑性丁苯橡膠。該橡膠具有良好的熱穩(wěn)定性和低溫抗裂性，可增加瀝青的黏附性，有較大的彈性恢復(fù)率，表現(xiàn)在出現(xiàn)車轍和低溫開裂后，有較強(qiáng)的自我恢復(fù)能力，能有效地延長路面的使用壽命。根據(jù)選定的原材料分別配制不同質(zhì)量百分比組合（外摻）的改性劑組合（表1）。

表1 不同摻量組合

改性瀝青通常要經(jīng)過下列步驟：配料→溶脹→研磨細(xì)化→孕育→檢測。

研磨細(xì)化時，原料研磨得越細(xì)，其軟化點、延度越好。孕育流程為：溶脹40 min→研磨20 min→孕育（添加穩(wěn)定劑）。

4.1 改性瀝青小樣的制備

加工SBS改性瀝青時，首先把檢測合格的基質(zhì)瀝青加熱到165～175 ℃，加入已稱量好的SBS改性劑，機(jī)械攪拌溶脹時間為40 min，溫度為165～175 ℃。然后用高速剪切機(jī)剪切研磨15～20 min，溫度控制在170～180 ℃，剪切速度3 000～5 000 r/min。剪切完成后加入穩(wěn)定劑和抽出油，再次剪切15 min。最后在150～160 ℃環(huán)境下攪拌孕育1～3 h即成成品改性瀝青。

4.2 改性瀝青小樣的檢測

采用改性瀝青三大指標(biāo)（針入度、軟化點、延度）及儲存穩(wěn)定性離析（48 h軟化點差）和殘留延度（5 ℃）初步驗證，若上述5個指標(biāo)均合格，則再對該配比的改性瀝青的其他指標(biāo)（針入度指數(shù)PI、運(yùn)動黏度135 ℃、閃點、溶解度、彈性恢復(fù)25 ℃、老化后質(zhì)量變化、延度5 ℃、針入度比25 ℃）進(jìn)行檢測，指標(biāo)全部符合要求者為擬試生產(chǎn)改性瀝青配方和加工工藝（表2）。

表2 改性瀝青主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果

5 結(jié)語

分析了改性瀝青的性能隨改性劑劑量變化的規(guī)律，從滿足I-D型SBS改性瀝青技術(shù)要求的角度出發(fā)，驗證不同SBS劑量組合小試主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果。提出了合理的SBS劑量組合范圍；分析經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，選擇基質(zhì)瀝青∶SBS改性劑∶橡膠油∶穩(wěn)定劑∶=100∶4.3∶3∶0.12。

但在成套設(shè)備的生產(chǎn)過程中，單純依靠小試給出的SBS劑量組合范圍很難控制改性瀝青中改性劑和助劑的劑量。在生產(chǎn)過程中我們提出了多重控制指標(biāo)，即軟化點≥80 ℃；5 ℃延度（5 cm/min）不小于20 cm；軟化點離析≤2.5 K；老化延度≥15 cm。

同時，在不同改性劑量組合下，改性瀝青主要性能指標(biāo)會有相應(yīng)變化。檢測結(jié)果顯示：加入橡膠油，增加了基質(zhì)瀝青中芳香酚的含量，改善了瀝青的延展性。由表中可以看出，橡膠油增大，延度增加，針入度增加，軟化點有下降；改性劑增加，軟化點明顯上升，針入度下降，若繼續(xù)增加，延度變化曲線將呈拋物線形狀。以上結(jié)論為SBS改性瀝青質(zhì)量控制提供了方向。

基質(zhì)瀝青延度（5 cm/min，5 ℃）達(dá)到5 cm，加入改性劑后5 ℃的延度提高到20 cm以上，軟化點從45 ℃提高到80 ℃以上，提高了高溫性能和低溫性能，其他各項指標(biāo)經(jīng)檢驗均合格。