纳米硫SBS复合改性沥青试验研究

李宇轩，赵红艳，李祖仲，关 羽，刘开平，汤卓群

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064)

纳米硫SBS复合改性沥青试验研究

李宇轩，赵红艳，李祖仲，关 羽，刘开平，汤卓群

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064)

为了研究纳米硫对SBS改性沥青性能的影响，分别使用星型和线型SBS改性剂，在不同的纳米硫掺量下制备改性沥青，分析纳米硫掺量对SBS复合改性沥青基本技术性能、粘温特性及流变性质的影响。结果表明：掺入纳米硫后，SBS改性沥青的高温性能提升明显，当纳米硫掺量为0.1%时，线型SBS改性沥青软化点可提高13.1%，星型SBS改性沥青软化点可提高23.4%；纳米硫SBS复合改性沥青的拌和温度和压实温度较普通SBS改性沥青提高5 ℃～10 ℃。

道路工程；SBS改性沥青；纳米硫；粘温特性

0 引 言

SBS改性剂可以改善沥青高温稳定性和低温抗裂性，综合提高沥青各项技术性能，已成为国内外沥青路面工程中应用最为广泛的改性剂。SBS改性剂主要通过吸附基质沥青的轻质组分而溶胀，使体积膨胀至原来的5～10倍，与沥青组分形成“双相互穿立体网络”结构，从而改善沥青的路用性能。然而，因SBS和沥青的物化性质存在巨大差异，难以与沥青完全混溶，其结构稳定性成为影响SBS改性沥青生产质量的关键因素。目前，SBS改性沥青的稳定剂主要为硫及相关偶联剂，稳定剂与SBS及沥青组分的高分子链段发生交联反应，联结沥青相与聚合物相，有利于形成更为稳定的改性沥青胶体结构。为此，本文选用纳米硫粉和SBS对沥青进行复合改性，测试其基本技术性能和流变性质，分析纳米硫SBS复合改性沥青技术性能的影响因素，其中，采用的纳米硫颗粒尺寸为10-8～10-9m，巨大的比表面积和表面活性可以增加沥青内聚力，对于高分子链段起到良好的支撑、桥接作用，从而大幅度改善沥青综合性能[2-5]；研究纳米硫SBS复合改性沥青的黏温特性，提出其合理的拌和与碾压温度范围，为纳米硫SBS复合改性沥青工程应用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

基质沥青为辽河90#沥青，其技术指标见表1。SBS改性剂采用国产的线型SBS1301和星型SBS4303两种改性剂；相容剂为糠醛抽出油，其主要组分为高分子芳香烃。纳米硫(S)采用国产的纳米硫磺粉体，其技术指标见表2，在扫描电子显微镜下的微观形貌如图1所示。图中可见纳米硫呈堆垛团聚状微小颗粒，粒径大多在几十纳米，少数团聚的可达到几百纳米。纳米硫的比表面积大，比表面能高，导致纳米硫颗粒易发生团聚，在沥青改性时应注意分散均匀，充分发挥纳米材料的优势。

表1 基质沥青技术指标

表2 纳米硫技术指标

图1 纳米硫在扫描电子显微镜下的微观形貌

1.2 改性沥青制备工艺

制备纳米硫SBS改性沥青时，首先将基质沥青加热至150 ℃左右，加入5%SBS 改性剂溶胀10 min，然后在170 ℃～180 ℃条件下高速剪切30 min，剪切速率为4 000 r·min-1；随后按一定比例加入相容剂剪切10 min，接着加入纳米硫剪切10 min；最后在160 ℃条件下发育1～1.5 h。

1.3 性能测试方法

为研究纳米硫SBS改性沥青的性能，采用针入度、软化点、延度和135 ℃黏度试验测试其基本技术性能；采用动态剪切流变试验(DSR)测试其高温流变性质；采用布氏黏度计测定其黏温特性，综合分析纳米硫对SBS改性沥青性能的影响。

2 试验结果与分析

2.1 基本技术性能

分别以0、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%掺量的纳米硫(S)和2种SBS改性剂制备改性沥青，研究纳米硫掺量对SBS改性沥青的影响，结果见表3。

结果表明，SBS1301和SBS4303两种改性沥青的软化点和黏度均随纳米硫掺量的增加有较大幅度提升。纳米硫颗粒既可以使SBS发生硫化反应，又能与沥青组分发生交联反应，促使SBS和沥青组分接枝，形成大分子三维网络结构[6]。纳米硫的加入使SBS改性沥青的针入度有所降低，但降低幅度不大。

表3 纳米硫SBS复合改性沥青基本技术性能

SBS改性沥青的延度随纳米硫掺量的增加先减小后增大，尤其对线型SBS1303改性沥青延度的影响更加明显。这是因为：纳米硫的加入使SBS改性沥青的黏度大大增加，沥青内各分子间阻力增大，在延度试验时形变速率跟不上拉伸速率，使延度在总的趋势上是降低的；同时，纳米硫加入后通过交联作用形成三维网络结构使延度有所升高[7-8]。当纳米硫掺量较少时，沥青黏度已经显著提高，但由于纳米硫只能与首先接触到的少部分SBS改性沥青反应，形成的三维网络结构疏密分布不匀，易在拉伸时发生应力集中而断裂，这时延度明显下降；当纳米硫掺量增加后，可与SBS改性沥青较为完全地反应，形成相对均匀的三维网络结构，从而使延度小幅度提高。线型SBS由于自身的结构特点易受纳米硫影响而分布不匀，因而延度变化明显，而星型SBS由于分子量大且有化学交联，虽然本身延度相对较小，但由于已经形成较好的网络结构，受纳米硫影响较小，因此在掺加纳米硫后延度变化不大[9-10]。在135 ℃时，纳米硫SBS复合改性沥青运动黏度均小于3 Pa·s，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。综合改性后沥青基本技术性能和材料经济性，纳米硫掺量为0.1%较为合理。

2.2 流变性质

DSR试验采用Bohlin公司生产的Gemini Ⅱ ADS型动态剪切流变仪，以10 rad·s-1的固定角速度，在不同温度下对纳米硫SBS复合改性沥青进行动态剪切，使用车辙因子G*/sinδ作为评价指标，试验结果见表4。

表4 纳米硫SBS复合改性沥青的车辙因子

试验结果表明，纳米硫的加入使SBS改性沥青的车辙因子有了大幅度提升，但随着纳米硫掺量的增加，SBS改性沥青的车辙因子呈先增加后减小的趋势。2种SBS改性沥青均在纳米硫掺量为0.1%时性能达到最佳，表明适量的纳米硫可以显著提高SBS改性沥青的高温稳定性。纳米硫活性很强，反应后使SBS与沥青的交联更加牢固，显著提高沥青的内聚力，其次它可以在沥青体系中起到微细填料的作用，增加沥青抵抗形变的能力，同时还可以发挥纳米级材料的特殊性，可以很好地改善SBS改性沥青的性能[11-13]。

2.3 黏温特性

为研究纳米硫SBS复合改性沥青的黏温特性，确定其合理的拌和与压实温度范围，采用Brookfield V.6.3 RV-Ⅱ+型黏度计，在不同温度下测定纳米硫SBS复合改性沥青的运动黏度，试验结果见表5。

表5 纳米硫SBS复合改性沥青黏温特性

由表5可知，在135 ℃时，纳米硫掺量为0.05%、0.1%、0.15%和0.2%时，线型复合SBS改性沥青较未掺纳米硫的SBS改性沥青的黏度分别增长41.3%、56.4%、72.3%和111.4%，星型复合SBS改性沥青较未掺纳米硫的SBS改性沥青的黏度分别增长34.7%、52.3%、64.9%和89.7%。这表明在相同温度下，掺加纳米硫后SBS改性沥青的运动黏度显著增加。由于星型SBS改性剂分子量大、链段长、支链多，与沥青组分交联程度高于线型结构，所以在相同纳米硫掺量下，其黏度要高于线型SBS改性沥青，但随纳米硫掺量的增加，线性SBS改性沥青黏度的提升幅度要大于星型SBS改性沥青。

在最佳掺量(0.1%)时，纳米硫SBS复合改性沥青的黏度随加热温度的上升显著降低，温度在135 ℃～165 ℃间每上升10 ℃，2种沥青黏度平均降幅分别约为37.0%、39.5%，在此区间内，黏度对温度的变化比较敏感；而在165 ℃～175 ℃，2种沥青黏度降幅分别约为18.1%、15.2%，降幅明显减少。由此可以看出，165 ℃为纳米硫SBS复合改性沥青从非牛顿流体向牛顿流体转变的关键温度。沥青处于牛顿黏性流体状态具有良好的润滑作用，有利于拌和、碾压施工[14-16]。因此，纳米硫SBS复合改性沥青的初压温度应大于165 ℃。改性沥青的黏度随着温度的下降迅速增大，同时矿料颗粒间的摩擦增大，使混合料不易碾压密实，所以复压与终压应紧跟在初压后[17]。

3 结 语

(1)纳米硫反应活性强，可以增强SBS改性剂与沥青间的交联，适量的纳米硫可以综合改善SBS改性沥青的技术性能，尤其可以提高沥青的高温稳定性及内黏聚性能，结合材料的经济性，推荐SBS改性沥青中纳米硫的掺量为0.1%。

(2)当纳米硫掺量为0.1%时，对于线型SBS改性沥青，软化点可提高13.1%，对于星型SBS改性沥青，软化点可提高23.4%；纳米硫掺量对改性沥青针入度值影响不显著。

(3)根据不同温度下纳米硫SBS复合改性沥青黏度的变化趋势，施工时其混合料的拌和温度和压实温度较普通SBS改性沥青宜提高5 ℃～10 ℃。

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ExperimentalStudyonAsphaltModifiedwithSulfurNanoparticlesandSBS

LI Yu-xuan, ZHAO Hong-yan, LI Zu-zhong, GUAN Yu, LIU Kai-ping, TANG Zhuo-qun

(School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study the effect of sulfur nanoparticles on the performance of SBS modified asphalt, branched and linear SBS modifiers were used to prepare the asphalt with different contents of sulfur nanoparticles. The effects of sulfur nanoparticles content on the fundamental technical properties, viscosity-temperature characteristics and rheological properties of SBS modified asphalt were analyzed. The results show that the high temperature performance of SBS modified asphalt is improved significantly after the incorporation of sulfur nanoparticles. With the sulfur nanoparticles content of 0.1%, the softening point of the linear SBS modified asphalt can be increased by 13.1%, and that of branched SBS modified asphalt can be increased by 23.4%. Asphalt modified with sulfur nanoparticles and SBS improves the mixing and compaction temperature by 5 ℃～10 ℃ comparing to SBS modified asphalt.

road engineering; SBS modified asphalt; sulfur nanoparticle; viscosity-temperature characteristic

U414.7

B

1000-033X(2017)11-0051-04

2017-03-26

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310821171114)；长安大学大学生创新创业训练计划项目(201710710272)

李祖仲(1973-)，男，湖南邵东人，博士，副教授，研究方向为道路材料。

[责任编辑:杜卫华]