国内SBS橡胶粉复合改性沥青研究进展

张东长,李 亚

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

国内道路交通流量急剧增加，对道路面层强度、高温性能和耐久性等性能有了更高的要求[1].添加改性剂能有效改善传统沥青的使用性能，现阶段单一改性效果较好的改性剂有SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和橡胶粉[2-3].在已有的研究中，俄国伏尔加格勒交通部门采用橡胶粉改性沥青铺设路面,以减少路面结冰引起的交通事故；英国在萨里郡交通荷载繁重的道路上铺设SBS改性沥青；国内对SBS和橡胶粉改性沥青的制备也比较成熟[4-5].需要注意的是二者在应用中仍有很多不足之处：SBS和橡胶粉均不能有效与基质沥青融合相容，单一改性后的沥青稳定性差，极易产生离析，未使用稳定助剂的情况下改性效果不理想[6-8]；掺入大量价格昂贵的SBS改性剂导致建设成本剧增，橡胶粉虽能有效降低成本，但其高温性能差[9].针对以上不足，贾成贺、王志刚、高占华等[10-12]相继提出将SBS和橡胶粉作为复合改性剂来生产SBS橡胶粉复合改性沥青，还发现将SBS和橡胶粉共同使用，不仅能利用大量的废轮胎橡胶以减轻环境污染，降低改性沥青中昂贵的SBS改性剂使用量，而且其使用性能较普通沥青高，适用于修建高等级路面.

1 复合改性机理

SBS橡胶粉复合改性沥青主要由橡胶粉、SBS和基质沥青组成，必要时可添加稳定剂.由于SBS和橡胶粉均与基质沥青相容性差，且SBS与橡胶粉之间无化学物理作用，故复合改性机理由SBS改性机理和橡胶粉改性机理共同作用叠加而成.溶胀作用和相容作用是SBS和橡胶粉在基质沥青中主要发生的反应[13].

橡胶粉和SBS以颗粒状态悬浮于沥青中，通过吸附基质沥青中的部分油分，表面扩张膨胀形成稳定的结构；橡胶粉颗粒表面形成一层光滑的凝胶膜，增加其与基质沥青的耦合面积.这种方式不仅可以在一定程度上加大沥青黏度，也可改善改性沥青对环境温度的敏感性[14].SBS属于橡胶类聚合物，有效增大沥青中胶质的质量占比，在SBS分子与沥青分子间产生相互作用力，促使沥青从胶体结构向凝胶型结构转变.

为透彻掌握SBS橡胶粉复合改性沥青的改性机理，国内多位学者通过微观结构分析和宏观表现对其进行了深入研究.黄成武[15]采用扫描电镜观察复合改性沥青的微观结构，发现橡胶粉颗粒和SBS链段联系紧密，有序地分布于基质沥青中且没有出现各自聚集成块的情况；根据红外光谱图像对比分析发现复合改性沥青的红外光谱基本上是由基质沥青、SBS和橡胶粉改性剂的红外光谱叠加而成，从而表明橡胶粉、SBS与基质沥青三者之间相互没有明显的化学反应，以各自的物理形态融聚.韦大川等[16]对复合改性沥青截面的微观结构特性进行分析，发现SBS和橡胶粉在基质沥青中均匀分散并能相容并存，三者的物理结构相互连接，其改性效果大大提高.

2 制备工艺

目前橡胶粉改性沥青的制备工艺有干法和湿法，均采用低速搅拌.SBS改性沥青采用高速剪切研磨生产，二者工艺截然不同，因此对制备工艺的选择直接影响SBS橡胶粉复合改性沥青的质量.郭吉坦等[17]通过改变添加SBS与橡胶粉的先后顺序，制备不同的复合改性沥青，并测定其三大指标，进行对比分析，确定SBS与橡胶粉的最佳添加顺序和制备工艺，即先在基质沥青中添加SBS进行高速剪切和膨胀发育，再在发育好的SBS改性沥青中，掺入橡胶粉，进行低速搅拌.刘贞鹏[18]以SBS橡胶粉复合改性沥青的高温性能作为评价指标，确定适用于高温环境的制备工艺，即开始在基质沥青中掺入橡胶粉，进行人工低速搅拌，使其分散均匀，然后用高速剪切机快速剪切30 min，再加入SBS改性剂与橡胶沥青共混物，共同剪切30 min，最后简易搅拌30 min，进行膨胀发育，生成最终的SBS橡胶粉复合改性沥青.

河北省张承高速公路率先将SBS橡胶粉复合改性沥青应用于实际高等级公路工程.为了提高复合改性沥青质量，使其达到高速公路面层要求，考虑复合改性沥青中SBS和橡胶粉抗剪切能力的不同，对传统制备工艺进行改进.如图1所示.在热沥青中，掺入SBS改性剂进行高速剪切与膨胀发育，然后掺入橡胶粉共同剪切发育，生成最终的复合改性沥青；在多重高剪切作用下，SBS和橡胶粉被研磨的极细，且在基质沥青中分散均匀，从而显著提高了沥青的改性效果和储存稳定性[12].复合改性沥青的储存稳定性和相容性还与稳定剂的先后添加顺序有关，复合改性沥青中后加稳定剂的性能更优，并具有很好的重复性[19].

图1 张承高速公路SBS橡胶粉复合改性沥青制备工艺

3 复合改性沥青的性能

3.1 高温性能

掺入SBS和橡胶粉能有效提高沥青的高温性能，有利于减少沥青路面车辙和波浪等永久性变形.陈莉[20]通过不同掺量组合的对比试验发现，沥青的针入度和延度在掺入橡胶粉和SBS后都有明显的改善，其针入度较基质沥青均变小，5 ℃延度明显升高.但是，随着橡胶粉和SBS掺量比例逐渐改变，复合改性沥青的针入度和5 ℃延度取值差异较大；在固定的橡胶粉掺量情况下，其针入度随SBS含量增加而减小，5 ℃延度变化量则与SBS含量多少成正相关关系.

在橡胶粉外掺量不变的情况下，SBS的添加量和形状对复合改性沥青的高温性能产生不同的影响.杨平文等[21]在基质沥青中掺入18%的橡胶粉，并分别掺入低于2%的线型和星型SBS，进行复合改性研究，发现SBS添加量越多，则复合改性沥青的高温性能改善效果越明显，表明了SBS是复合改性沥青高温性能的主要决定因素；在掺量比例相同时，线型SBS的低温性能改善程度比星型SBS好，但高温性能弱于星型SBS，可根据实际性能需求进行选择.黄成武[15]通过对普通沥青和不同类型改性沥青的热重及差热(TG/DSC)对比分析，发现橡胶粉改性沥青、SBS改性沥青和复合改性沥青的余留量均高于基质沥青的余留量，复合改性沥青的余留量仅次于SBS改性沥青，从而表明掺入SBS橡胶粉复合改性剂对基质沥青的热稳定性有很大的改善作用.

3.2 抗老化性能

SBS橡胶粉复合改性沥青老化是环境和自身材料性能共同作用的结果，使得沥青组分向重质化方向转变.向丽[22]通过红外线光谱分析复合改性沥青的老化过程发现，沥青组分中的碳链键发生断裂并在氧气作用下生成羰基，在环境热量和氧气双重作用下沥青中的硫元素转化为亚砜基，生成的极性物质导致复合改性沥青的物理化学性质发生极大变化，沥青中原有的胶体结构向重质化改变.对老化前后基本性质和动态流变学指标对比分析可知，基质沥青和不同类型的改性沥青抗老化性能改善效果依次为：橡胶粉改性沥青>SBS橡胶粉复合改性沥青>SBS改性沥青>基质沥青.这表明在基质沥青中添加SBS和橡胶粉改性剂都能不同程度地改善抗老化性，而复合改性沥青的抗老化改善效果较好，能满足实际工程要求.涂娟等[23]在成品SBS改性沥青中添加不同含量的橡胶粉来分析其对复合改性沥青抗老化性的提高程度，发现添加橡胶粉可显著改善SBS改性沥青的耐热老化性和紫外老化性，橡胶粉含量越多则复合改性沥青抗老化性越好，从而说明复合改性沥青中橡胶粉是改善抗老化性的主要因素.

3.3 路用性能

由于SBS橡胶粉复合改性沥青具有很好的抗滑性和降噪效果，可将其应用于城市道路.与传统未改性的沥青路面对比，添加橡胶粉的沥青路面可消减环境交通噪音1～5 dB，具有良好的降噪效果，且其价格远远低于建造减噪墙的费用[24].韦大川[25]设计相关实验，测定SBS橡胶粉复合改性沥青和SBS改性沥青两种路面的交通噪音，并进行对比分析，发现行车车辆的驾驶速度越快，复合改性沥青路面的噪音消减能力较普通沥青路面越强，可削弱1.5 dB.朱平[26]自主研制了适用于透水路面的大空隙SBS橡胶粉复合改性沥青混合料，并测试其路用性能，测定复合改性沥青透水路面的抗滑值和构造深度，发现其抗滑值和构造深度值比未改性的沥青路面大得多；此外自主配制的大空隙混合料的高温性能和低温性能改善效果良好，沥青中由于添加SBS和橡胶粉使得沥青黏度和吸能能力增加，显著提高大空隙复合改性沥青的水稳定性和抗疲劳性.杨光[27]研制了适用于季冻区的SBS橡胶粉复合改性沥青路面，在特定掺配比下，其低温性能表现优良，低温环境下的耐久性和抗冻融性能大大改善，可扩大复合改性沥青的应用范围，并降低季冻地区的道路建设成本.

4 结语

SBS橡胶粉复合改性沥青具有优良的高温稳定性，能有效缓解车辙病害，其优异的低温性和抗老化性可延长沥青的使用寿命，替代现阶段常用的聚合物改性沥青.将其应用于高等级路面工程中，既降低路面建设初期投入和养护费用，又延长道路使用寿命和节约营运成本，具有广阔的应用前景.但目前对于SBS橡胶复合改性沥青的研究和制备仍有很多待提高之处，未来研究中可以在以下两个方面进行突破：1)研发有效的增溶剂，促进SBS、橡胶粉和基质沥青三者之间互容，减轻复合改性沥青的离析现象；2)制备黏度大的SBS橡胶粉复合改性沥青，替代进口高黏沥青，并应用于城市排水路面，从而既能达到城市路面排水效果，又在很大程度上减轻城市噪音污染.

参考文献：

[1] 张东长,李亚.动载作用下沥青混凝土孔隙率变化的数值模拟[J].徐州工程学院学报(自然科学版),2017,32(1):73-76.

[2] XIANG L,XIANG Z G,WANG Y,et al.Preparation technology and performance analysis of crumb rubber and SBS composite modified asphalt binder[J].Advanced Materials Research,2011,160:1320-1324.

[3] 张广彬.国内废橡胶粉改性沥青的研究进展[J].中国建筑防水,2006(9):24-27.

[4] YAO L,WANG X,ZHANG C,et al.The application of TPS modified asphalts in granulated crumb rubber asphalt mixture[C].International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering IEEE,2011:3625-3628.

[5] 李方鸿,彭晓春,吴彦瑜.废橡胶粉改性沥青的研究进展[J].热带农业工程,2014(2):7-10.

[6] REN J,MA L,XU M.Study on catalyst system for SBS rubber extender oil production from suizhong 361 VGO [J].Petroleum Processing and Petrochemicals,2015(9):12-15.

[7] SUN L,GUAN H,GE Q.Research on the performance of asphalt modified by SBS rubber and carbon nanotube [J].Applied Mechanics and Materials,2014,99:1243-1246.

[8] 纪轶来,张国强,薛文,等.稳定剂对SBS改性沥青性能影响的研究[J].河北工业大学学报,2006,35(6):55-57.

[9] 张永辉.SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青机理及路用性能研究[D].西安:长安大学,2015.

[10] 贾成贺，王建国，陈莉，等.SBS橡胶粉复合改性沥青性能研究[J].北方交通,2008(6):65-68.

[11] 王志刚,杜英,向丽,等.废橡胶粉/SBS复合改性沥青制备研究[J].石油炼制与化工,2010(4):27-30.

[12] 高占华,王联芳,赵海云.橡胶粉/SBS复合改性沥青路面性能试验研究及工程应用[J].公路交通科技(应用技术版),2016(1):62-64.

[13] 杨光,申爱琴,陈志国,等.季冻区橡胶粉与SBS复合改性沥青混合料性能及改性机理[J].长安大学学报(自然科学版),2015,35(6):6-15.

[14] 梁乃兴,李明国.SBS改善沥青路用性能及机理研究[J].长安大学学报,2002,22(2):17-20.

[15] 黄成武.废胎胶粉/SBS制备高性能复合改性沥青的研究[D].广州:暨南大学,2014.

[16] 韦大川,王云鹏.橡胶粉与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.

[17] 郭吉坦,张波.SBS与橡胶粉复合改性沥青性能研究[J].新型建筑材料,2010(5):66-69.

[18] 刘贞鹏.SBS/橡胶复合改性沥青混合料高温性能研究[D].重庆:重庆交通大学,2014.

[19] 杜英,王志刚.稳定剂加入顺序对胶粉/SBS复合改性沥青影响的研究[J].石油沥青,2009,23(6):47-52.

[20] 陈莉.SBS橡胶复合改性沥青性能研究[J].北方交通,2008(8):29-31.

[21] 杨平文,杨元武,曹贵.SBS复合改性橡胶沥青性能研究[J].公路交通科技(应用技术版),2015(11):115-116.

[22] 向丽.废橡胶粉/SBS复合改性沥青的机理和性能研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2011.

[23] 涂娟,袁军.废橡胶粉对SBS改性沥青的老化性能影响研究[J].武汉工程大学学报,2009,31(3):19-22.

[24] 王普清.橡胶粉改性沥青应用的环保问题[J].交通环保,2007(2):45-47.

[25] 韦大川.橡胶粉/SBS复合改性沥青降噪试验研究[D].吉林:吉林大学,2008.

[26] 朱平.废橡胶粉复合改性沥青在透水沥青混凝土中的应用[D].重庆:重庆交通大学,2015.

[27] 杨光.季冻区工厂化废橡胶粉/SBS 复合改性沥青(CR/SBSCMA)及混合料性能研究[D].西安：长安大学,2016.