废橡胶粉/SBS复合改性沥青制备研究

王志刚，杜 英，向 丽，程 健

（1. 武汉工程大学湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，武汉430073；2. 武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室；3. 中国石油大学重质油加工国家重点实验室）

废橡胶粉/SBS复合改性沥青制备研究

王志刚1，2，杜 英1，2，向 丽3，程 健1，2

（1. 武汉工程大学湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，武汉430073；2. 武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室；3. 中国石油大学重质油加工国家重点实验室）

以SK AH-70为基质沥青，外掺废胶粉和SBS，采用高速剪切法制备复合改性沥青。通过正交实验考察了沥胶比、糠醛抽出油掺量和稳定剂掺量对沥青性能的影响，确定最优条件为：沥胶比为3，糠醛抽出油加入量4%，稳定剂加入量3‰。在最优条件下制备的复合改性沥青软化点为61.0 ℃，5 ℃延度为30.0 cm，弹性恢复为85%。废胶粉/SBS复合改性沥青的性能明显优于胶粉改性沥青，而稍低于SBS改性沥青，但是其成本低廉、易于施工，并且性能达到SBS改性沥青的相关要求，具有良好的应用前景。

废胶粉 SBS 复合改性 制备

1 前 言

经济和交通运输业的高速发展，促进了高等级公路网的建设，使改性沥青需求量与日俱增。在众多的聚合物改性剂中，SBS是目前国外应用最为广泛和成熟的一种[1]。SBS是苯乙烯与丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段物理交联可改善沥青的抗高温永久变形能力，而丁二烯段赋予沥青一定的柔韧性。这种特殊的结构，使得SBS改性沥青具有良好的高温性能，同时低温性能也得到改善。但是目前SBS的价格比较昂贵，使SBS改性沥青的推广受到一定程度的限制。

胶粉改性沥青近年来受到重视[2-5]，一方面作为一条合理利用废旧橡胶的途径，可以缓解环保压力；另一方面胶粉作为沥青改性剂来源广泛、价格低廉，而且胶粉改性沥青在降低路面噪音、承载重交通量和改善沥青抗老化性能等方面都有明显的作用[6]。胶粉加入到沥青中，虽然可以在一定程度上改善基质沥青的使用性能，但是由于胶粉表面呈惰性，与沥青的相容性差，容易发生离析。而且胶粉含量较低时，改性效果不明显，而高含量的胶粉改性沥青粘度大，分散与施工的难度大。以上问题成为胶粉改性沥青大范围的推广使用亟待解决的问题。

结合SBS与胶粉对沥青改性的特点，研究者们开发出废橡胶粉/SBS复合改性技术。由于掺加胶粉，SBS的添加量可以从4%～6%降到2%左右，从而降低改性沥青的成本；同时由于SBS的加入可以在保证改性效果的基础上降低胶粉的添加量，使得体系的粘度降低，便于分散与施工，同时可望有效改善改性沥青的储存稳定性，有利于工业化生产[7-9]。

经过前期实验，本课题选用SK AH-70为基质沥青，外掺10%废胶粉和2% SBS以及其它改性助剂，采用高速剪切法对基质沥青进行复合改性，通过正交实验对制备工艺进行优化研究，并且对复合改性沥青的性能和胶粉改性沥青、SBS改性沥青的性能进行对比。

2 实 验

2.1 实验材料

湖北国创高新材料股份有限公司提供的SK 70号基质沥青、SBS（1401型）和SBS改性沥青（外掺4%SBS），黄石第二胶粉厂生产的废轮胎脱硫胶粉（60～80目），糠醛抽出油、稳定剂、活化剂等改性助剂由实验室自制。其中SK70号沥青和SBS改性沥青的基本性质见表1。

2.2 复合改性沥青的制备

将基质沥青分成两部分，先预热一部分基质沥青至120 ℃左右，将2%的SBS和预定剂量的糠醛抽出油加入到热沥青中高速剪切分散。将10%胶粉和预定剂量活化剂加入到另外一部分的基质沥青中并在160 ℃下溶胀90 min，而这部分用于溶胀胶粉的基质沥青与胶粉的质量比即为沥胶比。将预分散好的SBS和溶胀的胶粉在180℃下高速剪切分散60 min，然后加入稳定剂，低速剪切发育30 min后制得复合改性沥青。其中SBS、胶粉、糠醛抽出油以及稳定剂的加入量均以总沥青量为基准计算。

表1 SK 70号沥青和SBS改性沥青性质

3 结果与讨论

3.1 正交实验设计及结果

在胶粉的预混工艺中，在一定量活化剂存在的情况下，采用基质沥青来溶胀胶粉，以此来改善胶粉和基质沥青之间的相容性。加入一定量的糠醛抽出油是为了改变基质沥青的组成结构，提高芳香分含量，有利于SBS的充分溶胀，从而改善其在基质沥青中的分散情况。稳定剂的作用是引发改性微粒之间发生交联，形成空间网络结构，最终形成宏观上稳定的体系。经过前期的实验和分析[5，10]，表明沥胶比（A）、糠醛抽出油加入量（B）以及稳定剂加入量（C）三个因素对复合改性沥青的影响较大，因此选取这三个因子，各因子皆取3水平，采用L9（33）正交表安排实验，研究不同配方对沥青性能的影响，其实验结果见表2。

表2 正交实验结果

3.2 各因子对软化点、低温延度和弹性恢复的影响

软化点是沥青的一项基本指标，反映了沥青的高温性能。软化点的极差分析结果见表3。从表3中可以看出，各因子对软化点的影响程度由大到小依次为：沥胶比、稳定剂加入量和糠醛抽出油加入量。软化点随沥胶比的增加呈现先增后减的趋势，适宜的沥胶比为3；随着稳定剂加入量的增加，软化点减小，适宜的稳定剂加入量为3‰。糠醛抽出油的加入改变了基质沥青的结构和组成，从而改善改性剂在沥青中的分散状况，但是加入量过大就会稀释沥青，反而使得软化点降低，因此糠醛抽出油加入量以3%～4%为宜。

表3 软化点极差分析 ℃

低温延度反映了沥青在低温下的变形能力，也是沥青的一项基本指标。表4为延度的极差分析结果。从表4可以看出，糠醛抽出油的加入量对沥青的低温性能影响最大，但是加入量过多会稀释沥青，反而使得沥青对温度变化敏感，延度降低，这跟软化点的变化趋势一致，因此适宜的糠醛抽出油加入量为4%；随着沥胶比的增加，延度先增后减，适宜的沥胶比为3。在本研究所取范围内，稳定剂加入量对延度的影响很小。

表4 5 ℃延度极差分析 cm

弹性恢复用于评价聚合物改性沥青的可恢复变形能力。表5为弹性恢复的极差分析结果。从表5可看出，糠醛抽出油的加入量对改性沥青的影响最大，随糠醛抽出油的加入量的增加，弹性恢复呈先增后减的变化趋势，适宜的糠醛抽出油的加入量为4%。随沥胶比提高，弹性恢复先增后减，故适宜的沥胶比为3。稳定剂加入量对弹性恢复影响最小，其量可选取4‰。

表5 弹性恢复极差分析 %

综合以上实验结果看出，胶粉的预混情况在所选的范围内对复合改性沥青的软化点、低温延度和弹性恢复均有较大的影响，在沥胶比为3的情况下胶粉溶胀充分，且与基质沥青的相容性得到最大程度的改善。糠醛抽出油改善了改性剂在基质沥青的中的分散，主要对沥青低温延度和弹性恢复的影响较大，但是加入量过多会稀释沥青，反而使得改性效果变差，确定加入量为4%。本研究的范围内，稳定剂对沥青软化点的影响较大，而对低温延度和弹性恢复的影响较小，表明交联结构的形成有利于改善沥青的高温性能，其加入量为3‰时，效果最好。因此最优的配方为：沥胶比为3，糠醛抽出油加入量4%，稳定剂加入量3‰。在最优配方下进行实验，结果见表6。

表6 复合改性沥青、SBS沥青和胶粉沥青性能对比

由表6可知，最优配方下得到的复合改性沥青样品的各项指标均已达到聚合物改性沥青SBS类I-C标准的要求，其软化点比正交表中的最高软化点提高了0.8 ℃，说明高温性能得到改善；5 ℃延度提高了2.0 cm，说明低温抗裂性能得到增强；弹性恢复提高了2个百分点，说明抗疲劳性能有所改善。复合改性沥青的制备配方与其性能之间有紧密的联系，优化后的配方使得复合改性沥青的各项性能均有不同程度的提高。

利用荧光显微镜可以观察改性剂在基质沥青中的分布形态、结构和相态。利用荧光显微照相获得最优配方下复合改性沥青样品的显微结构图，如图1所示。由图1可知，在250放大倍数下，可以清晰地观察到呈丝状的胶粉，说明胶粉吸收了沥青中软组分而充分地溶胀。同时也可以观察到呈点状均匀分布的SBS颗粒，说明SBS的分散良好。

3.3 三种改性沥青性能比较

图1 废胶粉/SBS复合改性沥青显微结构（×250）

为了进一步探索废胶粉/SBS复合改性沥青的改性效果，将其与国创商品SBS改性沥青、胶粉改性沥青（胶粉外掺含量分别为15%和25%）[10]的性能作比较，结果见表6。从表6可以看出，复合改性沥青在SBS和胶粉含量都比较低的情况下，除了TFOT后的延度达不到聚合物改性沥青SBS类I-C级标准的要求外，其它性能均已达标，其性能明显优于纯胶粉改性沥青，而接近于商品SBS改性沥青。复合改性沥青的软化点、弹性恢复和低温延度比胶粉改性沥青有明显提高，显示出SBS改性的效果。而老化后的高针入度比，则显示出胶粉改性的特点。这表明复合改性沥青，结合了SBS和胶粉二者改性的优点，而且整个体系的粘度控制在3.0 Pa•s之内，较高含量的胶粉改性沥青更加容易施工。综合经济成本、社会效益以及施工难易性来看，废胶粉/SBS复合改性沥青具有良好的应用前景。

4 结 论

（1） 采用正交实验对不同配方的废胶粉/SBS复合改性沥青的性能进行研究，得到最佳的配方为：沥胶比为3，糠醛抽出油加入量4%，稳定剂加入量3‰。采用最佳配方制备的复合改性沥青的各项指标达到聚合物改性沥青SBS类I-C级标准的要求。

（2） 废胶粉/SBS复合改性沥青的性能明显优于胶粉改性沥青，而稍低于SBS改性沥青，但是其成本低廉、易于施工，并且性能达到SBS改性沥青的相关要求，具有良好的应用前景。

致谢：本研究获得重质油国家重点实验室开放课题资助，对此表示衷心感谢。

[1] 杨军. 聚合物改性沥青[M]. 第1版. 北京：化学工业出版社，2007:289-290

[2] 郭朝阳，何兆益，曹阳. 废胶粉改性沥青改性机理研究[J]. 中外公路，2008，28（2）：172-176

[3] 董诚春. 橡胶资源综合利用[M]. 第1版. 北京：化学工业出版社，2003：185-202

[4] 廖克俭，丛玉凤. 道路沥青生产与应用技术[M]. 第1版. 北京：化学工业出版社，2004：230-232

[5] 向丽，程健. 废橡胶粉改性道路沥青的制备工艺和性能研究[J]. 石油沥青，2008，22（1）：12-14

[6] 张小英，徐传杰，孔宪明. 胶粉改性沥青研究综述[J]. 石油沥青，2004，18（2）：1～4

[7] 张宗辉. 橡胶/SBS复合改性沥青生产工艺分析[J]. 石油沥青，2008，22（1）：39-43

[8] 韦大川，王云鹏，李世武，等. 橡胶粉/SBS复合改性沥青路用性能与微观结构[J]. 吉林大学学报（工学版），2008，38（3）：525-529

[9] 原健安. 复合改性沥青对沥青性质的影响[J]. 石油沥青，1998，12（1）：14-19

[10] 徐幸. 胶粉改性沥青储存稳定性研究[D]. 武汉：武汉工程大学化工与制药学院，2009

STUDY ON THE PREPARATION OF CRUMB RUBBER/SBS COMPOSITE MODIFIED ASPHALT

Wang Zhigang1，2，Du Ying1，2，Xiang Li3，Cheng Jian1，2
(1. Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor and Green Chemical Technology，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073; 2. Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education，Wuhan Institute of Technology; 3. State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum）

Crumb rubber and SBS were used to modify asphalt（SK AH-70）by high shearing technology. In this paper），the effects of the mass ratio of base asphalt in pre-blending mixture，the amount of aromatics oil and stabilizing agent on the performance of modified asphalt were investigated through orthogonal experiment design to obtain the optimal preparation conditions. Under the optimal conditions of a mass ratio of asphalt in preblending mixture of 3，an aromatics oil added amount of 4% and a stabilizing agent added amount of 3‰，the obtained modified asphalt having a softening point of 61.0 ℃，a 5 ℃ ductility of 30.0 cm and an elastic recovery of 85%. Compared with SBS modified asphalt and crumb rubber modified asphalt，the performance of crumb rubber/SBS modified asphalt was better than the latter and a bit lower than the former，yet it could still meet the requirements of SBS modified asphalt，besides，it had the advantages of low cost and easy for construction，which indicated that it should have a promising future.

crumb rubber; SBS; composite modification; preparation

book=2010,ebook=6

2009-09-03；修改稿收到日期：2009-11-20。

王志刚（1985—），男，在读硕士研究生，主要从事改性沥青的研究工作。