添加两种改性剂的复合改性沥青的性能研究

添加两种改性剂的复合改性沥青的性能研究

王思龙，孙慧 ，罗浩 ，黄乘浩 ，李政恒 ，潘书勇

南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019

摘要：为了得到更优的改性沥青，本试验在基质沥青中添加两种不同的改性剂。首先确定SBS、橡胶粉各组分材料的合适掺量，进一步做SBS和橡胶粉的复合改性试验，进行基本物理指标、60 ℃动力黏度以及抗紫外老化试验，试验结果表明：SBS和橡胶粉改性沥青的针入度、软化点、延度、动力黏度以及抗紫外老化性能均有所提高。在综合考虑经济因素和两组实验的性能对比，最终选择5%SBS+13%橡胶粉的复合改性沥青作为最佳选择。

关键词：复合改性沥青；橡胶粉；SBS改性剂；抗紫外老化性能

中图分类号：U414 文献标识码：A

Study on properties of composite modified asphalt with two modifiers

WANG Silong,SUN Hui,LUO Hao,HUANG Chenghao,LI Zhengheng,Pan Shuyong

(Nantong University, School of trasportation and civil engineering, Jiangsu Nantong 226019)

Abstract: in order to obtain better modified asphalt, two different modifiers were added to the base asphalt. Firstly, the appropriate content of SBS and rubber powder was determined, and then the composite modification test of SBS and rubber powder was carried out. The basic physical indexes, 60 ℃ dynamic viscosity and UV aging resistance test were carried out. The test results showed that the penetration, softening point, ductility, dynamic viscosity and UV aging resistance of SBS and rubber powder modified asphalt were improved. Considering the economic factors and the performance comparison of the two groups of experiments, the composite modified asphalt of 5% SBS + 13% rubber powder is finally selected as the best choice.

Key words: composite modified asphalt;Rubber powder;SBS modifier;UV aging resistance

0 引言

对于城市出现内涝这一现象，目前路面的透水性以及辅助排水设施并不能完全解决这一难题。相关学者提出“海绵城市”的建设方案，而透水沥青路面技术的方案则成为了大众的不二之选。而该技术的核心就是改性沥青的制备，且制成的改性沥青须满足高黏、高弹的性能。根据相关规范规定， 60 ℃ 动力黏度大于20000 Pa.s的沥青被定义为高黏高弹沥青，这样的沥青才能满足路用条件中的耐久性和结构强度^[1][1]。

杜宇兵、周志刚等人对多种改性沥青进行研究对比，发现单一的改性沥青在各方面的性能上，多数不及复合改性沥青，也就表明复合改性沥青在性能上占有绝对的优势。虽然这样的复合改性沥青的性能也稍低于高黏剂改性沥青，但成本相对容易接受，具有一定的经济性^[2][2]。而周志刚在复合改性沥青的研究中，使用动态剪切流变仪、傅里叶红外光谱仪等设备对不同改性沥青进行测试，得出的试验结果进行分析也证实了这一点。

文顺等人指出过掺的橡胶粉会因为与沥青的接触不充分，造成膨胀不足，从而大幅降低橡胶改性沥青的性能效果^[3][3]。曹昊楠等围绕高掺量胶粉-SBS 复合改性沥青及混合料，对它的制备方法、性能特点、微观机理和混合料路用性能进行研究。试验结果表明在普通复合改性基础上提高胶粉掺量，沥青混合料的高、低温性能和抗疲劳性得到提高，但水稳定性下降^[4][4]。

杨慧丽通过在基质沥青中添加一种光稳定剂制得一种抗紫外化沥青，并且和几种加入不同改性剂的沥青进行紫外线老化试验，对其使用红外光谱进行红外分析，发现紫外线老化前后有产生新的官能团，使其性能逐渐增强，并且又对几种沥青进行室内的紫外线光老化试验。研究最终发现：加入光稳定剂的改性沥青和只掺加橡胶粉的改性沥青在延度衰减率这一性能上差距较小，虽然加入光稳定性的改性沥青具有较好抗紫外线老化能力，但是掺加橡胶粉的改性沥青在成本上有一定的优势。

本文为研究高黏高弹沥青的成本和性能，使用橡胶粉和SBS改性剂进行复合改性试验，寻找两种改性剂的合适掺量，并与杨慧丽的新型改性沥青的延度衰减率相比较。分析和对比其基本物理指标、60 ℃动力黏度和抗紫外老化性能并阐述其特点^[5][5]。找寻复合改性沥青与其他改性沥青的不同以及所具有的独特优势，为后续的进一步研究提供一个参考。

1 试验原材料及试验方法

1.1 原材料的基本性能指标

表1 重交AH-70基质沥青的基本性能指标

表2 线型SBS 1301（YH791）的基本性能指标

表3 60目热塑性橡胶的基本性能指标

1.2 试验设备

主要的试验设备仪器有：沥青针入度试验仪（WSY-026）；全自动沥青软化点试验器（SYD-2806F）；调温调速沥青延伸度测定仪（LYY-10A-CL）；沥青动力黏度试验器（SYD-0620B）；高速剪切机（PT-MR6100）；电动搅拌机（JJ-1）；沥青薄膜烘箱（SYD-0609）。

2 改性沥青的制备工艺和试验方案

2.1 改性沥青的制备工艺

（１）将基质沥青放入１３５°Ｃ的烘箱中加热使其完全融化，然后将脱水干燥后的ＳＢＳ按照一定比例称取，倒入基质沥青中（少量多次加入），保持温度为１３５°Ｃ，用玻璃棒拌和５ｍｉｎ；

（２）将沥青加热至１６０°Ｃ~１７０°Ｃ，启动高速剪切仪，慢速剪切２５ｍｉｎ保证改性剂颗粒变小并在沥青中基本分散开，再加入干燥后的橡胶粉，保持温度为１６０°Ｃ，用玻璃棒拌和５ｍｉｎ；

（３）将沥青加热至１８０°Ｃ，启动高速剪切仪，慢速剪切２５ｍｉｎ，再高速剪切５０ｍｉｎ，在此过程中应保证温度恒定在１８０°Ｃ；

（４）将剪切完成的沥青放进１６０°Ｃ的烘箱中溶胀发育ｌｈ，然后用玻璃棒缓慢搅拌排出改性沥青中混入的空气，即制得改性沥青。

2.2 试验方案

本文所做试验，首先先确定两种改性剂的掺量，此后再进一步对两种改性剂的所制成的复合改性沥青的三大基本物理指标以及60 ℃ 动力黏度等性能指标进行分析。本试验中先确定橡胶粉的掺量为10%、11%、12%、13%、14%、15%;SBS的掺量为 4%、5%、6%、7%。在确定两种改性剂的合适掺量后，再对其抗紫外化性能做一个对比试验，将所得到的延度衰减率与杨慧丽所研究的新型改性沥青进行最终的对比。

3 复合改性沥青的性能

根据沥青试验所规定的试验方法，测试不同掺量的橡胶粉和SBS复合改性沥青的针入度、软化点、延度、60 ℃ 动力黏度等指标

^[6]。针入度能够反映沥青的相对黏度，针入度越大表示沥青的黏稠度越小，针入度越小则意味着黏稠度越大; 软化点反映沥青黏度和高温稳定性及感温性，软化点越高，其高温稳定性能越好;延度是用于评定沥青塑性的重要指标，延度越大，表明沥青的塑性越好; 60 ℃ 动力黏度是高黏度改性沥青的重要性能指标^[7]。

试验结果分析：

(1) 25 ℃针入度

由图a可见，随着橡胶粉掺量的增加，不同掺量的SBS都呈现出下降趋势。而当SBS的掺量越高，其所对应的针入度值越小，说明他的黏稠度越大。这是由于SBS在溶胀于基质沥青的过程中，吸收沥青中的轻组分，组成了一种连续的空间结构，该结构的分子间的相互作用缓慢变大，导致沥青润滑脂变硬，抗变形能力增强。

(2) 软化点

由图b可见，随着橡胶粉掺量的增加，几组不同掺量的SBS整体都呈现一个上升趋势，这是由于橡胶粉和SBS之间相互黏结作用，与基质沥青一同组成三相连续的网络结构共混体系，这样的结构体系相对来说更具有稳定性，软化点越高，高温性能越好。在11%~13%这个区间内，都有一个最大的平均增长率，且当橡胶粉掺量超过13%时，增长率在逐渐降低。所以两种改性剂对复合改性沥青的软化点，即高温性能有益处。

(3) 低温延度

如图c所示，随着橡胶粉掺量的增加，复合改性沥青的延度在降低。这种现象产生的原因是橡胶粉吸收了来自沥青中的沥青质和树脂，降低了沥青的塑性。而复合改性沥青的延度先随着SBS掺量的增加而有提高，当SBS掺量超过5%时，复合改性沥青的延度出现骤降，低于4%的SBS掺量所对应的延度。这是由于SBS 掺量适中时，SBS与沥青能够较好地相容，SBS膨胀较好，使复合改性沥青的延度在小范围内升高; 而当SBS掺量过大时，沥青中的轻组分含量不足以使SBS充分溶胀，容易在沥青中凝结成团，发生应力集中，以致复合改性沥青的低温性能有消极影响。从橡胶粉的角度看c图，当橡胶粉掺量超过13%时，几种掺量的SBS所对应的延度都迅速降低，13%的橡胶粉掺量成为了一个分界线。故5%的SBS掺量和13%的橡胶粉掺量对低温延度来说，所产生的性能会优于其他掺量的SBS。

(4) 60℃动力黏度

如图d所示，整体看来，当SBS掺量的增加，复合改性沥青的60℃动力黏度随橡胶粉掺量的增加而升高，且除去4%掺量的SBS，其余三组SBS都在橡胶粉掺量为12%时超过了规范的最低要求; 当SBS掺量越高，随胶粉掺量的增加，复合改性沥青60℃动力黏度的增长率趋于平稳，甚至两条线趋于重合。这可能是由于SBS掺量过大，不能很好地溶胀于沥青中，反而抑制了复合改性沥青黏度的提高。分析试验所得数据，得出提高复合改性沥青动力黏度的橡胶粉最优掺量为13％。

综上所述，选取5%SBS改性剂掺量和13%橡胶粉掺量较为合适，有利于橡胶粉和SBS复合改性沥青综合性能的改善。

（5）抗紫外老化试验：

紫外线老化试验条件为：

温度60℃，紫外线灯6根40Ｗ，共计240Ｗ。

表4 复合改性沥青延度衰减率随时间变化

由图表可知：

(1)在前两个时间段内，复合改性沥青的延度性能相对于后期变化较大，这主要是由于紫外老化使改性沥青表面形成老化皮，从而减缓了紫外线的后期老化速率。

(2) 复合改性沥青经过五个时间段的室内紫外线照射后，不难发现所对应的针入度升高，软化点和延度在逐渐降低，并且路面的抗裂性能与老化后的沥青延度息息相关;经过五个时间段的照射后，沥青的延度衰减率为26.9%，相比于杨慧丽的抗紫外改性沥青的衰减率22.5%，橡胶粉和SBS复合改性沥青的衰减率仅高了4.4%，在基于经济的角度，也可以选择橡胶粉和SBS的复合改性沥青作为路用原材料。

4 结语

（1）SBS改性剂和橡胶粉的复合改性沥青，可提高其黏度和稠度。

（2）抗紫外线老化性能结果表明：随着时间的增加，复合改性沥青的三大基本指标都有所改变，分析改性沥青紫外老化前后的针入度、软化点和延度变化规律，也可以从一个方面表征抗紫外老化性能。

（3）综上所述: 橡胶粉和SBS 的复合改性有助于提高沥青的高温性能、三大基本物理指标、60 ℃ 动力黏度，抗紫外老化性能也得到改善，根据试验结果，选出试验的最优方案为添加13%的60目橡胶粉与5%掺量的SBS进行复合改性。

参考文献:

[1][1] 马嘉琛,何锐,况栋梁.排水沥青路面高黏改性剂的研究及应用[J].应用化工,2021,50(01):159-165+171

[2][2] 杜宇兵,邹晓翎,柴明明.橡胶粉/高黏剂复合改性沥青制备研究[J].公路,2017,62(08):228-233

[3][3] 文顺.废胶粉改性沥青技术研究[J].市政技术,2011,29(01):134-136

[4][4] 曹昊楠. 高掺量胶粉-SBS复合改性沥青及混合料性能研究[D].长安大学,2021

[5][5] 杨慧丽.几种沥青抗紫外老化能力分析[J].公路交通科技(应用技术版),2020,16(03):38-40

[[6] 周志刚,陈功鸿,张红波,凌永毅.胶粉/高黏剂复合改性SBS沥青的性能与改性机理[J].长沙理工大学学报(自然科学版),2020,17(02):1-9

[[7] 程永春,毕海鹏,马桂荣,宫亚峰,田振宏,吕泽华,徐志枢.纳米TiO_2/CaCO_3-玄武岩纤维复合改性沥青的路用性能[J].吉林大学学报(工学版),2018,48(02):460-465