不同支链的聚烯烃对SBS改性沥青低温及微观特性影响*

周 昆 刘西胤 王鑫洋 任瑞波

(山东高速集团有限公司建设管理公司1) 济南 250101) (山东建筑大学交通工程学院2) 济南 250101)(山东高速工程检测有限公司3) 济南 250002)

0 引 言

低温开裂是现阶段沥青路面主要病害之一[1].由于普通基质沥青的抗病害能力较差，改性成为主要手段.在沥青改性领域，聚合物改性占据比例较大，且达到共识是聚合物的分子结构与低温柔性密切相关，根据自由体积理论，在材料自由体积相等的条件下，分子的支链结构越多，材料的低温变形能力相对较大.鉴于此，本文选择不同支链的聚合物，探讨其对改性沥青低温性能的影响.

曹丽萍等[2]通过动态剪切流变仪(DSR)对SBS改性剂结构类型、掺量进行试验分析，得出改性剂的结构对于SBS改性沥青的低温性能影响较小，主要是改性剂的掺量对沥青低温性能影响较大.王立志等[3]通过低温弯曲梁流变仪(BBR)对不同原油、不同改性剂的改性沥青进行试验，利用Sigmoid材料的粘弹模型得出沥青低温劲度模量主曲线，通过Origin数据处理软件对低温劲度模量主曲线和减缩时间所包围的面积进行，结果表明低温劲度模量主曲线包围的面积相比5℃低温延度、弗拉斯脆点等可以更加定量的判断沥青的低温抗开裂性能.刘红瑛等[4]通过在SBS改性沥青中加入PPA(多聚磷酸)可以在一定程度上改善沥青的低温性能及抗老化性能.黄卫东等[5]在PPA复合改性沥青中加入一定的胶粉可以有效的改善PPA复合改性沥青的低温性能.上述研究表明单纯的延度试验不能有效的辨别改性沥青的低温柔性，而基于BBR的劲度模量主曲线则能有效的表征宽温域、宽频域范围内改性沥青的抗开裂能力，因此，本文选择BBR，借助劲度模量主曲线来分析不同高聚物改性沥青的低温柔性.

本文针对长支链烯烃类聚合物Polymer-A和短支链烯烃类聚合物Polymer-B，分析其对SBS改性沥青低温流变性能及抗老化性能的影响，通过低温弯曲梁流变仪(BBR)试验、红外光谱试验、原子力显微镜试验探究SBS改性沥青的低温劲度模量、红外光谱图及沥青形貌变化特征，分析改性剂的微观特性对改性沥青宏观低温性能的影响.

1 原材料与试验方案

1.1 试验材料

本文基质沥青为齐鲁70#，其技术指标见表1，其指标满足文献[6]相关要求.Polymer-A和Polymer-B(Polymer-B以其特殊的分子结构，在力学性能、流变性能、抗紫外线性能和耐老化性能都占据优势)均是采用工业化生产的高分子聚合物，改性剂采用岳阳石化生产的线形SBS791-H，分子量为120 kg/mol，苯乙烯与丁二烯的嵌段比为3∶7.

表1 齐鲁70#基质沥青性能指标

1.2 制备方法

首先制备SBS改性沥青，将基质沥青加热到135～145 ℃，加入相容剂，将SBS缓慢的加入沥青中，溶胀15 min，待温度到达175～180 ℃，将剪切机转速调制3 500 r/min，剪切30 min左右，加入高分子Polymer-A(转速调制4 000 r/min)，再剪切30 min左右，加入一定量的交联剂硫磺，低速搅拌30～40 min，Polymer-A复合改性沥青制备完成.

SBS改性沥青的制备方法同上述陈述一致，只是待SBS改性沥青制备完成时，将温度调整到180～185 ℃时加入一定掺量的改性剂Polymer-B，搅拌40 min以上(2 000 r/min)，加入一定量的交联剂硫磺，在175～180 ℃下搅拌30～40 min，Polymer-B复合改性沥青样品制备完成.

1.3 试验方法

本文采用低温弯曲梁流变仪试验(BBR)，参照文献[7]，分别对不同的复合改性沥青低温下的流变特性，对PAV后的沥青在-12,-18和-24 ℃温度下，利用广义Maxwell流变模型对SBS改性沥青、Polymer-A复合改性沥青和Polymer-B复合改性沥青低温劲度模量主曲线进行拟合，并求得低温劲度模量主曲线的面积大小；并通过原子力显微镜试验、红外显微镜试验对Polymer-A，Polymer-B复合改性沥青形貌和官能团进行分析，从而研究不同复合改性沥青的官能团组成及微观形态特性.

2 结果与讨论

2.1 PAV后的不同沥青的BBR试验分析

按照SHRP试验要求，对长期老化(PAV)后的沥青胶结料进行低温弯曲梁试验，试验数据见表2～3.

表2 Polymer -A复合改性沥青BBR试验数据

由表2可知，随着Polymer-A掺量的增加，低温劲度模量S呈现出先减小后增大的趋势(掺量在1.5%时S值最小)，但是在数值上呈现出减小的趋势，说明一定量Polymer-A的掺入可以有效地改善沥青的低温抗裂性能，即说明Polymer-A的加入减缓了SBS改性剂的降解，Polymer-A复合改性沥青的耐老化性能较好.同时发现随着试验温度的降低，低温劲度模量逐渐增大，说明随着温度的降低，沥青的应力松弛性能降低，使得沥青的低温抗开裂性能下降.

表3 Polymer -B复合改性沥青BBR试验数据

由表3可知，随着Polymer-B的加入，SBS改性沥青的低温劲度模量逐渐减小，并且在掺量为4%时S值达到最小，说明当Polymer-B掺量为4%时，沥青的应力松弛性能最好，当Polymer-B掺量大于4%时S值就呈现增大的趋势，低温性能变差.可能是由于Polymer-B掺量过于饱和时，不能够很好的与SBS改性沥青更好的形成网络三维结构，从而使得沥青胶结料的抗裂性能降低.

由表2～3可知，在SBS改性沥青中加入一定量的聚合物对于改性沥青的应变速率相比SBS改性沥青在数值上都呈现减小的趋势，说明Polymer-A，Polymer-B复合改性沥青对于应力的消散能力不是很好.此外，在相同温度条件下，Polymer-B复合改性沥青的劲度模量S值都要小于Polymer-A复合改性沥青，说明不同聚合物的支链的类型对于SBS改性沥青的抗老化性能具有一定的影响，支链越长效果越明显，但是相应的蠕变速率在数值上就要明显小于Polymer-A复合改性沥青.

2.2 复合改性沥青的红外光谱试验

为研究不同聚合物对SBS改性耐老化性能的影响，采用波峰的相对吸收强度和官能团的增加或减少来准确的反应沥青的老化过程，从而更加直接的评价不同复合改性沥青的抗老化特性.本试验采用的是型号为TENSOII的傅里叶变化红外光谱仪，分辨率为4 cm-1，试验测试光谱在400～4 000 cm-1，试验数据见图1.

图1 不同复合改性沥青红外光谱图

2.3 复合改性沥青的原子力显微镜试验

对不同掺量的Polymer-A，Polymer-B复合改性沥青进行原子力显微镜试验，通过NanoScope Analysis软件得出算术均方根Ra和高度均方根Rq，数据见表4.

表4 复合改性沥青粗糙度试验数据

由表4可知，随着改性剂Polymer-A、Polymer-B掺量的增加，沥青表面的粗糙度指标算术均方根Ra和高度均方根Rq都是逐渐增大.说明改性剂的加入在一定程度上改变了SBS改性沥青表面的平整度，即导致“波峰”与“波谷”的高度差增大.从宏观性能上说明Polymer-A,Polymer-B的加入在一定程度上改善了沥青的抗老化性能，并且Polymer-A改性剂对于SBS改性沥青的抗老化效果要优于Polymer-B对于SBS改性沥青的效果.在一定程度上表明，老化后聚合物对于SBS改性沥青的降解起到一定的缓解作用.但是从粗糙度的大小上无法判断改性剂的最佳掺量.

3 结 论

2) 通过红外光谱试验发现长支链烯烃类聚合物的加入对于SBS改性沥青官能团无明显影响，只是随着掺量的变化吸收峰的强度有所改变；但是短支链烯烃类聚合物的加入可以发现，SBS改性沥青的特征吸收峰强度略微增加，并且伴随着新官能团的出现，特别是在3 300,1 600和1 536 cm-1处吸收峰相比SBS改性沥青较为明显，且随着短支链烯烃类聚合物掺量的增加吸收峰强度逐渐增大.

3) 通过原子力显微镜试验发现随着聚合物掺量的增加，沥青表面的粗糙度指标算术均方根Ra和高度均方根Rq逐渐增大，沥青低温抗变形能力越强；长支链烯烃类聚合物改性剂对于SBS改性沥青的抗老化效果要优于短支链烯烃类聚合物，即聚合物的支链越长，对SBS改性沥青的抗老化性能改善越明显.