基于正交试验的SEBS/橡胶粉复合改性沥青性能分析

傅 珍, 常晓绒, 代佳胜, 董文豪, 周 跃

(1.长安大学材料学院, 西安 710064； 2.长安大学公路学院, 西安710064)

交通荷载的增加及极端气候的影响,导致沥青路面出现各种病害,尤其是高温永久变形和温度疲劳开裂[1-2]。对高质量沥青结合料的迫切需求促使研究者开发了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene butadiene styrene,SBS)、丁苯橡胶(styrene butadiene ru-bber,SBR)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene ethy-lene butadiene styrene,SEBS)等各种聚合物改性沥青,其中两种及两种以上聚合物材料组成的复合改性沥青因能结合不同改性剂的优势而引起广泛关注[3-4]。

弹性体增加了沥青的弹性性能,导致沥青松弛特性扩大,延度提升。Wang等[5]研究发现废旧胶粉(crumb rubber,CR)改性沥青低温性能较优,对沥青高温性能改善有限；Liu等[6]研究表明，胶粉掺量的增加能够改善沥青的抗车辙性能和弹性恢复率，但胶粉与沥青之间的性能差异,会导致两者混合后出现离析、质量不稳定、储存性不佳等问题[7-8]。因此,有学者提出橡胶复合改性沥青,其中SBS/橡胶粉改性沥青研究最为广泛[9-10],但SBS因丁二烯链段两端不饱和双键的存在,会对改性沥青相容性和稳定性造成影响[11]。SEBS是SBS中B段上选择性加氢的产物,其稳定性和抗老化性能较SBS更优异[12]。研究表明SEBS改性沥青的热稳定性、耐光氧老化性和相容性均优于SBS改性沥青[13-15],因此,理论上采用SEBS和橡胶粉进行复合改性能更好提高沥青的使用性能。马峰等[16]对SEBS/橡胶粉复合改性沥青低温性能进行研究,结果表明其低温性能优越。根据目前研究可知,胶粉、SEBS作为改性剂对沥青性能均有所改善,且主要以单一改性剂作为研究对象,而SEBS/橡胶粉复合改性沥青的研究较少,同时两种改性剂在沥青中的掺配比例及复合改性沥青使用性能方面还有待进一步改进和完善。

为此，采用正交试验确定复合改性沥青各因素的最佳掺量,并与胶粉改性沥青、SEBS改性沥青、基质沥青作对比分析,研究SEBS/橡胶粉复合改性沥青的黏滞性、高低温性能、感温性及抗老化性,为推广SEBS/橡胶粉复合改性沥青在道路工程中应用奠定基础。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

研究选用双龙A-90#基质沥青,相关性能指标如表1所示。

表1 90#沥青相关性能指标Table 1 Performances of90# asphalt

橡胶粉颗粒大小为60目,各项技术参数如表2所示；SEBS采用中石化生产的YH-561型热塑性橡胶,其各项指标如表3所示。

表2 橡胶粉相关性能指标Table 2 Rubber powder related performance index

表3 SEBS主要指标Table 3 Main technical indicators of SEBS

1.2 复合改性沥青制备

SBES/橡胶粉复合改性沥青中橡胶粉掺量为14%、15%、16%,SEBS改性剂掺量为沥青总质量的4%、5%、6%；制备过程中两种改性剂加入顺序对成品改性沥青有一定影响,因此试验采用3种不同的制备方案，具体如下。

1.2.1 方案1

将基质沥青在180 ℃烘箱中放置1.5 h使其呈熔融状态,采用人工搅拌方式将SEBS、橡胶粉、1.5%相容剂分多次加入,使用5 500 r/min高速剪切机剪切60 min,加入1.5%稳定剂后人工搅拌20 min去除气泡,放入160 ℃烘箱中溶胀发育1 h。

1.2.2 方案2

将胶粉分多次加入熔融状态的基质沥青中搅拌均匀,180 ℃下采用4 500 r/min高速剪切机剪切30 min；分批次加入SEBS改性剂、1.5%相容剂,6 000 r/min剪切机剪切时间30 min,加入1.5%稳定剂后使用玻璃棒搅拌10 min,放入180 ℃烘箱中溶胀发育60 min。

1.2.3 方案3

改性剂的加入顺序与方案2相反,即先加入SEBS和相容剂,后加入橡胶粉和稳定剂,制备过程与方案2相同。

1.3 试验方案

基于正交试验结果分析SEBS和橡胶粉的掺量,并确定SEBS/橡胶粉复合改性沥青的最佳制备方案。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),进行三大指标、布氏旋转黏度、短期老化模拟(RTFOT)等试验对复合改性沥青、橡胶改性沥青、SEBS改性沥青、基质沥青的黏滞性、高温稳定性、低温抗裂性、感温性及抗老化性进行对比分析。

2 正交试验结果与分析

2.1 正交试验综合可比性

试验拟定三因素三水平,选用L9(34)正交表: SEBS掺量(4%、5%、6%)、橡胶粉掺量(14%、15%、16%)、制备方法(方案1、方案2、方案3),不考虑因素间交互作用,令SEBS掺量为因素A、橡胶粉掺量为因素B、制备方案为因素C,正交设计试验因素水平表如表4所示。

表4 因素水平Table 4 Factor level

通过正交试验确定出使SEBS/橡胶粉复合改性沥青的性能指标达到所需要求的最佳试验,对其软化点、延度、针入度测试,采用综合平衡法进行分析,找出最佳因素搭配；正交试验方案如表5所示。

表5 正交设计试验方案Table 5 Orthogonal design experiment scheme

按规定方案进行试验,结果如表6所示。其中Ki表示任一列上水平号为i时,所对应的试验结果之和，i=1,2,3；ki表示任一列上因素水平取i时,所得试验结果的算术平均值,i=1,2,3；s为任一列上各水平出现的次数；R为数据结果的极差。

表6 正交设计试验结果Table 6 Orthogonal design test result

2.2 正交试验水平均值分析

将10 ℃延度、软化点、25 ℃针入度分别作为描述沥青低温性能、高温性能与黏滞性能3个指标。为分析三因素变化对沥青高低温性能及黏滞性能的影响,将三因素的不同指标绘制在图1中。

图1 各因素对沥青三大指标影响Fig.1 Influence of various factors on the three major indexes of asphalt

对于10 ℃延度而言,其值越大表明沥青的低温抗裂性越好。从图1(a)可以看出,仅从沥青低温性能考虑,SEBS和橡胶粉的最佳掺量分别为5%、14%。制备方法为属性因素,因此不考虑横坐标影响,依据延度值大小可知采用方案1最为合适。各因素的水平改变对指标的影响因素可通过极差来反映,极差越大表明该因素在试验范围内对指标的影响最为明显,根据表6沥青延度的极差结果可知SEBS掺量是影响复合改性沥青低温性能的最主要因素。故复合改性沥青低温性能较好,应选方案为A3B1C3。

对于25 ℃针入度而言,其值越小表明沥青黏滞性越好。由图1(b)沥青针入度随橡胶粉、SEBS掺量变化趋势可知,SEBS和橡胶粉最佳掺量为5%、16%；采用制备方案2时沥青针入度值最小,沥青黏滞性最优。依据表6针入度极差结果RB>RA>RC可知,表明胶粉掺量是影响沥青黏滞性的最主要因素。为得到黏滞性较优的复合改性沥青,应选方案B2A3C1。

软化点值越大表明沥青高温稳定性越好。依据图1(c)可知,仅从沥青高温性能考虑,SEBS和橡胶粉的最佳掺量为5%、16%,依据软化点值大小可知方案3最为合适；根据表6沥青软化点结果可知RA>RB>RC,SEBS掺量对复合改性沥青高温性能影响最为明显,应选方案为A3B2C2。

3 复合改性沥青与基质、SEBS、橡胶粉改性沥青路用性能对比

分析可知,3个指标对应的优化方案各不相同,对3种方案进行综合平衡分析: SEBS掺量(因素A),3个指标对应的最优选择均为A3。橡胶粉掺量(因素B),软化点和针入度的最佳水平均为B2；且对于针入度而言,橡胶粉掺量为主要影响因素,故最优选择为B2。制备方法(因素C),对3个指标的影响最小,考虑效率影响,选用制备时间较少的方案1,故最优方案为A3B2C3。

将最优方案制备的复合改性沥青与基质沥青、5%SEBS改性沥青、16%橡胶粉改性沥青的针入度进行测试,试验温度为15、25、30 ℃,对结果进行线性拟合,根据拟合参数计算4种改性沥青针入度指数(PI)、当量脆点(T1.2)、当量软化点(T800)、塑性温度范围(ΔT)等指标,综合评估其路用性能。

3.1 温度敏感性

计算上述4种改性沥青的针入度指数、塑性温度范围(ΔT),结果如图2所示。由图2(a)可知,3种改性沥青的针入度指数较基质沥青均有所提升,其中复合改性沥青的针入度指数虽小于胶粉改性沥青,但与基质沥青、SEBS改性沥青相比其针入度指数较大,表明SEBS/橡胶粉作为改性剂可降低基质沥青感温性；由图2(b)知,3种改性沥青的塑性温度范围较基质沥青分别提升18.9、8.3、9.0 ℃,表明胶粉改性沥青的温度稳定性最优,复合改性沥青次之。

图2 4种类型改性沥青PI及ΔTFig.2 Four types of modified asphalt PI and ΔT

3.2 高温性能

采用当量软化点(T800)和软化点来表征4种改性沥青的高温稳定性,结果如图3所示。由图3可知,胶粉改性沥青、SEBS改性沥青及复合改性沥青的当量软化点(T800)和软化点相与基质沥青相比有较大的提升,表明三种改性剂加入可以显著改善沥青的高温稳定性；且复合改性沥青的当量软化点和软化点最大,较基质沥青提高约20%和23%,表明复合改性剂对沥青高温性能的改善效果最为明显。

图3 4种类型改性沥青软化点及当量软化点Fig.3 Four types of modified asphalt softening point and equivalent softening point

3.3 低温性能

采用当量脆点(T1.2)和10 ℃延度来表征4种改性沥青的低温抗裂性能,结果如图4所示。

由图4(a)可知,3种改性沥青10 ℃拉伸程度较基质沥青分别增长100%、89%、118%,表明3种改性剂的加入可显著改善沥青的低温性能。其中复合改性沥青作用效果最为明显,这是因为SEBS在沥青中的分布状态与SBS相似,呈“带状”分布；且橡胶粉的加入增大沥青黏度致使复合改性沥青低温性能上升。

图4(b)可知,3种改性沥青的当量脆点较基质沥青均有所提升,但复合改性沥青提升幅度较小。虽然10 ℃延度和当量脆点均是反映沥青低温特性的两个指标,但10 ℃延度反应沥青在外力作用下的发生拉伸而不破坏的能力,而当量脆点反映沥青针入度为1.2时的温度。因此复合改性沥青主要是通过改善沥青的延性来提高其低温抗裂性能。

图4 4种类型沥青延度及当量脆点Fig.4 Four types of asphalt ductility, equivalent brittle point

3.4 黏滞性

采用布氏旋转黏度、针入度分别表征沥青黏度和稠度；分别测试了15、25、30 ℃下4种沥青的针入度,结果如图5(a)所示；测试4种不同类型改性沥青在135、150、175 ℃下的布氏旋转黏度如图5(b)所示。

图5 不同温度下4种改性沥青针入度及布氏黏度Fig.5 Penetration and brinell viscosity of four modified asphalts at different temperatures

由图5(a)可知,改性剂的加入降低沥青针入度,其中SEBS改性沥青的针入度小于胶粉改性沥青,可能是因为SEBS中苯环的存在导致改性沥青硬度增加,针入度降低；此外复合改性沥青的针入度小于SEBS改性沥青,这可能是因为胶粉加入产生结团现象,导致复合改性沥青针入度降低[17]。

由图5(b)可知,相对SEBS改性沥青、复合改性沥青而言,胶粉改性沥青在3种温度下的布氏黏度值最大,表明胶粉改性沥青抵抗剪切变形的能力较强,在拌合过程中抗车辙能力较优,动稳定度值最大,对沥青的高温改善效果最佳。在3种类型改性沥青中,复合改性沥青布氏黏度虽最小,但其值均远大于基质沥青,且沥青黏度满足施工要求(135 ℃运动黏度≤3 Pa·s),黏度过大会增加沥青泵送和拌合难度。

3.5 短期老化模拟

采用旋转薄膜烘箱加热试验(RTFOT)对3种改性沥青进行短期老化模拟,分别测试3大指标,通过对比老化前后延度差、质量变化及残留针入度比来评价4种沥青的抗老化性能,试验结果如图6所示。

图6 短期老化前后4种沥青指标变化Fig.6 Changes of four asphalt indexes before and after short-term aging

沥青老化会发生自然硬化、挥发物衰减、氧化反应等现象,改变沥青内部化学组分,因此老化试验是评价改性沥青稳定性的重要方法[18]。由图6(a)可知，复合改性沥青的质量损失与胶粉改性沥青、SEBS改性沥青变化相比较小,表明复合改性沥青抗老化性能较优。

残留针入度比反映针入度受沥青老化的影响程度。由图6(b)可知，3种改性沥青的残留针入度比均大于基质沥青,且3种改性沥青残留针入度比相差较小,表明3种改性沥青的针入度受沥青老化的影响较小。由图6(c)可以看出，4种类型沥青在老化后延度均有所降低,其中胶粉改性沥青、SEBS改性沥青、复合改性沥青的残留延度比增长幅度分别为52.6%、28.8%、41.6%,胶粉改性沥青的增长幅度最大,对沥青抗老化性能影响程度最严重。

4 结论

选用不同掺量的橡胶粉、SEBS及不同的制备方法,通过设计三因素三水平正交试验,以10 ℃延度、25 ℃针入度以及软化点3个基本试验作为评价指标,采用综合平衡法得出相对较优的因素水平组合；同时对比分析基质沥青、橡胶粉改性沥青、SEBS改性沥青、SEBS/橡胶粉复合改性沥青的高温性能、低温性能、温度敏感性和抗老化性能,得出如下主要结论。

(1)根据正交试验结果可知,SEBS/橡胶粉复合改性沥青中SEBS和橡胶粉的最佳掺量为5%和16%,最佳制备方案为SEBS和橡胶粉同时加入,采用此方法制备的复合改性沥青具有更好的使用性能。

(2)通过正交试验极差分析可知,对于沥青黏滞性而言,橡胶粉的影响最为明显,而对于改性沥青的高低温性能而言,SEBS掺量影响较大；由于制备的改性沥青不仅考虑其路用性能,还需考虑其在拌合过程中的难易程度,因此在水平因素的选择上还需考虑目标需求。

(3)与基质沥青相比,复合改性沥青的温度敏感性、高温稳定性、低温抗裂性、抗老化性能得到显著改善,其分别提升127%、20%、60%、99%,但与SEBS改性沥青、胶粉改性沥青相比,其感温性较强,因此在大温差地区需重新考虑各因素掺配比列。