速溶型SBS聚合物对橡胶改性沥青黏滞性能的影响研究

宣大发 吕大春 王鹏 王秋敏

摘要：为了研究速溶型SBS聚合物对橡胶改性沥青黏滞性能的影响，分别采用掺量0%、5%、10%、15%及20%的橡胶改性沥青与掺量8%的速溶型SBS改性剂进行复配，成功制备出不同掺量的RPCSBS改性沥青，进行了不同温度、不同转速及不同橡胶粉掺量下的Brookfield黏度试验，并采用Brookfield黏度、施工温度及黏流活化能作为技术指标对不同掺量下RPCSBS改性沥青的黏滞性能进行了研究。试验结果表明，一定程度的橡胶粉掺入，会增加RPCSBS改性沥青的黏度、黏流活化能及施工温度。当橡胶粉掺量达到15%时，RPCSBS改性沥青的黏度、黏流活化能及施工温度均达到最大，不利于RPCSBS改性沥青的现场施工，故实际现场复配时，应精确控制橡胶粉和干法SBS改性剂的掺量，避免使用15%CR+8%SBS掺量。

关键词：沥青结合料;速溶型SBS;聚合物;橡胶改性沥青;黏滞性能

0 引言

随着我国经济的快速发展，交通流量和交通荷载不断增长，人们对道路性能的使用要求越来越高，导致改性沥青的应用越来越广泛。在众多改性沥青中，SBS改性沥青以其优越的综合性能得到广泛应用。目前SBS改性沥青的加工主要分为湿法和干法两种，湿法应用更为广泛。湿法工艺是指先通过工厂或者拌和楼现场湿法加工成成品SBS改性沥青，然后投入拌和楼中与集料拌和成SBS改性沥青混合料。但是随着湿法SBS改性沥青的广泛应用，其弊端也不断凸显，如SBS改性剂掺量难以检测、成品SBS改性沥青保存时间有限、性能衰减等问题[1]。为了革除以上弊端，国内公司成功开发出了性能优越、质量稳定的速溶型SBS改性剂（即干法SBS改性剂）。干法SBS改性工艺可以直接将SBS改性剂、基质沥青及集料投入拌和楼中搅拌，在高温下通过搅拌叶片和石料的快速剪切及碰撞过程，可以使沥青与速溶型SBS达到快速改性的效果，避免了成品改性沥青的加工环节，降低了改性沥青在储存过程中的性能衰减、能耗损失及污染物的排放。

胶粉作为一种新型道路建筑材料，被添加入沥青中制备成橡胶改性沥青。它具有优良的高温抗车辙、低温抗裂、降低路面噪音及环保等特性，成为美国、日本、南非等国家和地区最常用的路用添加剂之一[2]。相比干法SBS改性沥青昂贵的造价，橡胶改性沥青造价低廉、抗老化性能更加优异，但沥青黏度较高。基于[JP]以上特点，若能将两者的优良性能进行复合，在提高性能的同时降低SBS改性沥青的造价，这将对SBS改性沥青的发展产生巨大的推动作用。

为了防止复合改性后的干法SBS改性沥青黏度过高，影响施工和易性;同时更好地将胶粉复合干法SBS改性沥青（RubberpowdercompositedrySBSmodifiedasphalt，RPCSBS）应用于实际工程中，本文对RPCSBS改性沥青的黏滞性进行了系统分析，深入地研究了速溶型SBS聚合物对橡胶改性沥青的黏滞性能影响。

1 试验原材料

1.1 试验原材料

试验基质沥青采用70#A级道路石油沥青，基质沥青的技术性能指标及试验结果见表1。由表1试验结果可知，所采用的基质沥青满足我国现行规范JTGF40-2004[3]的技术要求。

本研究采用的干法SBS改性剂为国产速溶型SBS改性剂，是一种蓝色粉末状物质，橡胶粉为广西交科集团有限公司生产。

2 改性沥青的制备

将基质沥青在170℃的烘箱中加热0.5h，然后加入掺量8%（外掺）质量的干法SBS改性剂搅拌均匀，在170℃的温度下用高速剪切仪以4000r/min的转速剪切30min后，再加入相应质量分数的橡胶粉剪切20min，直至干法SBS改性剂和橡胶粉全部溶解且分布均匀为止，即制得RPCSBS改性沥青。

3 试验结果分析

3.1 RPCSBS改性沥青黏度影响因素分析

黏度代表沥青的黏滞性[4]。黏度的大小，直接反映沥青路面集料间黏结能力的强弱，反映沥青的高温性能。不同转速、不同温度和不同掺量下RCPSBS改性沥青的黏度试验结果见表2、表3。

从表2、表3可知，同一温度和转速下，不同掺量RPCSBS改性沥青的黏度随着橡胶粉掺量增加而呈现先降低后增大的趋势，峰值掺量為15%CR+8%SBS。不同温度下，随着布氏黏度仪转速的增加，不同掺量RPCSBS改性沥青的黏度不断降低，这主要是因为黏塑性体本身剪切变稀的特性导致。黏度越高的RPCSBS改性沥青，不同转速下黏度离散性越大;黏度越小的RPCSBS改性沥青，不同转速下黏度离散性越小。以135℃下掺量15%CR+8%SBS为例，转速1r下的黏度分别是2r、3r、4r、5r的30.0%、49.8%、53.3%、50.2%。由此可见，即使按照规范E20-2011的T0625-2011试验规程来进行实验，在高黏度下的RPCSBS改性沥青布氏黏度离散性还是很大的。根据表4、表5可得，不同掺量、温度下RPCSBS改性沥青的黏度测试扭矩均在10%～98%之间，符合规范E20-2011的要求，测试黏度均有效。为了对不同掺量RPCSBS改性沥青的黏度统一进行量化，选择不同掺量RPCSBS改性沥青扭矩为50%时对应的布氏黏度作为标准值[5]。计算结果如表4、表5所示。

由图1可得，同一温度下，不同掺量RPCSBS改性沥青黏度随着橡胶粉掺量的增加，开始时略微增加，然后随着掺量的增加，黏度急剧下降，之后又急剧上升，并且达到峰值，最后随着橡胶粉掺量的增加而回落。

3.2 RPCSBS改性沥青施工和易性分析

沥青的黏度主要是用来表征沥青的流动性，即施工和易性。为了保证沥青在施工和拌和时具有足够的流动性，对于基质沥青一般要求135℃的布氏黏度≤3Pa·s;不同种类的改性沥青则一般根据相应的施工温度而定，但一般高温状态下的布氏黏度也应≤3Pa·s。根据规范E20-2011的T0625-2011试验要求，确定不同掺量RPCSBS改性沥青下的拌和温度和压实温度。计算结果如表6和图2所示。

由表6和图2可得，根据等黏原则，将布氏黏度为0.17Pa·s±0.02Pa·s时对应的温度作为拌和温度;将布氏黏度为0.28Pa·s±0.03Pa·s时对应的温度作为压实温度。随着橡胶粉掺量的增加，RPCSBS改性沥青的拌和温度和压实温度都表现出一致的规律性，均随着橡胶粉掺量的增加先略微上升，然后當橡胶粉掺量达到10%时，降至谷底，随后开始随着橡胶粉掺量的增加而增大，两者变化规律呈倒峰值曲线变化。

3.3 RPCSBS改性沥青黏流活化能分析

黏流活化能E是高分子材料表征黏流特性的重要参数之一，它指黏弹性材料的分子链段用于克服位垒，由原位置跃迁到附近链段间空洞位置所需的最小能量，可见其既可以反映材料流动的难易程度，又能反映材料黏度随温度变化的敏感性[6]。一般分子链刚性大、极性强或含有较大侧基的高分子材料，黏流活化能较高，需要较高的温度才能流动;相反，柔性较好的线形分子链高分子材料Eη较低，在较低温度下即可发生流动。当温度远高于玻璃化温度Tg，高分子材料黏度与温度的依赖关系服从于Arrhenius方程[7]，如式（1）所示。对式（1）两边求对数可得式（2）。根据在不同温度下沥青的黏度η（T）值，以lg（η）～1/T作图，所得直线的斜率即为-Eη/（2.303R），从而可求得沥青Eη的大小。如图3所示。

分析图3可得，随着橡胶粉掺量的增加，RPCSBS改性沥青的黏流活化能呈现先降低后增加至峰值，随后回落的趋势。这表明随着橡胶粉掺量的增加，RPCSBS改性沥青的黏度随温度变化敏感性也在不断发生变化，在掺量达到15%CR+8%SBS时，黏度随温度变化敏感性最大。

联合图2～3分析可得，当橡胶粉掺量达到15%时，RPCSBS改性沥青的黏度、黏流活化能及施工温度均达到最大，不利于RPCSBS改性沥青的现场施工。故实际现场复配时，应精确控制橡胶粉和干法SBS改性剂的掺量，避免使用15%CR+8%SBS掺量。

4 结语

（1）一定程度的橡胶粉掺入，会增加RPCSBS改性沥青的黏度、黏流活化能及施工温度。

（2）当橡胶粉掺量达到15%时，RPCSBS改性沥青的黏度、黏流活化能及施工温度均达到最大，不利于RPCSBS改性沥青的现场施工。故实际现场复配时，应精确控制橡胶粉和干法SBS改性剂的掺量，避免使用15%CR+8%SBS掺量。

参考文献：

[1]朱荣芳，唐国奇.基于动态力学的直投改性技术机理及应用研究[J].公路与汽运，2017（5）：75-78.

[2]张胜芬，王晓磊.高性能橡胶沥青胶浆流变特性研究[J].西部交通科技，2019（5）：60-63.

[3]JTGF40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[4]于保阳，高 超，张荣华.基于东北季冻区气候下高黏改性沥青性能研究[J/OL].中外公路，2019（1）：278-282.

[5]邓 乔，王 辉，向军威.不同粒径橡胶粉对沥青性能的影响研究[J].西部交通科技，2017（2）：5-7，37.

[6]丁 湛，蒋修明，赵浚凯，等.橡胶沥青黏度影响因素及黏流特性分析[J].郑州大学学报（工学版），2019，40（3）：57-62.

[7]栗培龙，马莉霞，冯振刚，等.基于Arrhenius方程的老化沥青流变特性[J].长安大学学报（自然科学版），2017，37（5）：1-7，14.