废胶粉-SBS复合改性沥青研究进展

张 涛

（山西交科公路勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在国家“交通强国”战略的指引下，依靠科技创新和技术进步，我国的道路基础建设正在向绿色、耐久的方向快速发展[1]。随着国家大力推进固体废弃物综合利用，胶粉改性沥青进一步广泛应用于道路建设。胶粉改性沥青在工程应用过程中出现不少问题，如黏度大、易离析、施工和易性差、低温性能无法达到预期效果等。而将胶粉与SBS 进行复配，可以得到高性能的废胶粉-SBS 复合改性沥青。废胶粉-SBS 复合改性沥青在一定程度上降低了生产成本，提高了路用性能，有助于持续性地推进生态友好、集约高效的高质量交通建设。

目前，废胶粉-SBS 复合改性沥青的研究主要集中在以下方面：改性材料筛选、生产工艺优化、作用机理探索及性能研究等。张红兵[2]针对SBS-橡胶粉复合改性过程中使用的原材料进行优选，包括基质沥青、SBS、胶粉、改性剂，确定了原材料合理组成范围。尹业豪[3]采用不同工艺参数制备复合改性沥青，通过对高温性能、低温性能和相容性等进行评价，确定制备工艺。刘勇[4]通过微观手段对复合改性沥青改性机理进行研究，胶粉在改性过程中发生溶胀，由颗粒变成网状，并有化学键打开，沥青与胶粉发生了接枝反应。

国内外关于废胶粉-SBS 复合改性沥青研究成果尚缺乏系统梳理，因此，本文对废胶粉-SBS 复合改性沥青的研究进展进行梳理与总结，对复合改性沥青改性材料、制备工艺、作用机理进行详细阐述，以期为复合改性沥青性能深入研究与应用提供依据。

1 废胶粉-SBS复合改性沥青改性材料

废胶粉-SBS 复合改性沥青改性材料主要包括胶粉、SBS 和改性剂等，改性材料会对复合改性沥青的性能产生显著影响。

1.1 胶粉

胶粉的种类、细度及处理工艺等均会影响与沥青的反应，进而对复合改性沥青性能产生影响。

1.1.1 胶粉种类

制备废胶粉-SBS 复合改性沥青的胶粉可分为废轮胎胎面胶粉（A 级）、大货车斜交胎整胎胶粉（B 级）、轿车子午胎整胎胶粉（C 级）。由于轮胎胎面和货车轮胎中天然橡胶的含量较高，更易吸附沥青油分而形成连续的网格结构，A 级胶粉和B 级胶粉性能明显优于C级胶粉，从而获得更好的改性性能[5]，宜采用天然橡胶含量较高的胶粉。

张红兵研究表明，A 级胶粉与SBS 制备的复合改性沥青，高低温性能得到更好改善，建议在工程中使用C级及以上级别的胶粉。废旧卡车轮胎胶粉和废旧轿车轮胎胶粉，前者天然橡胶占比高，与沥青相容性良好，后者则由于含较多丁苯橡胶、纤维而相容性较差，采用货车轮胎胶粉（B 级）制备的复合改性沥青，其在低温性能与施工和易性等方面具备优势。

1.1.2 胶粉细度

胶粉对复合改性沥青性能的影响体现在溶胀反应，目数大的胶粉更易吸收轻质组分溶胀。复合改性沥青采用的胶粉细度一般在20～80 目，就提升复合改性沥青性能而言，优选80 目胶粉，工程中大规模生产则推荐使用40～60 目。胶粉目数越大，与沥青相容性越好，低温抗裂性与储存稳定性越好，但高温性能和抗疲劳性能会降低[6]。胶粉过细会增加成本，且易团聚，在沥青中分散性不好，影响溶胀反应。

1.1.3 胶粉处理工艺

胶粉掺量较大时，与沥青相容性差，复合改性沥青黏度大、施工和易性差、易离析，因此，对胶粉进行处理，改善其相容性非常必要。

对胶粉的处理主要是脱硫活化，将橡胶分子链中的部分硫键破坏，打开胶体的三维网状结构，提高天然橡胶含量，可以采用物理、化学和生物的方法进行脱硫。物理脱硫主要是采用微波、超声波、远红外等手段破坏橡胶网格结构。生物脱硫是通过微生物对橡胶进行分解降解，破坏网格结构[7]，生物法尚处于研究阶段，并未推广应用。近年来，国外对螺杆挤出机制备脱硫胶粉的工艺方法进行了系统深入研究，开发了成熟的工艺方法，脱硫效果好，易实现工艺化，具有研究和推广价值[8]。

1.2 SBS

SBS 是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，可在沥青中形成稳定的网状结构，改善复合改性沥青性能。目前主要是按照分子间结合方式及分子量进行分类，即星型、线型两大类。线型SBS 相对分子量低、易吸油溶胀、与沥青相容性好，复合改性沥青黏度小、低温性能及储存稳定性较好[9]；星型SBS 分子量高、模量大，复合改性沥青高温性能好，但与沥青相容性差、黏度大[10]。

1.3 改性剂

在制备复合改性沥青时加入改性剂可提高储存稳定性。例如，加入相容剂能促进胶粉、SBS、沥青相容性，减少离析现象的发生，改善其低温性能，相容剂多为轻组分芳烃油类，如橡胶油、生物质油等；加入稳定剂可使沥青发生硫化反应、接枝物化，聚合物与基质沥青间形成相界面吸附层，并形成稳定的空间网络结构，从而提高复合改性沥青稳定性[11]。改性剂掺量需控制在合理范围内，掺量过高反而降低改性效果，且会增加成本。

2 废胶粉-SBS复合改性沥青制备工艺

目前，制备复合改性沥青主要采用高速剪切法，即在高温下，将一定量胶粉、SBS 和改性剂加入沥青中，经过搅拌、剪切、发育，得到复合改性沥青。在此过程中，胶粉和SBS 在沥青中发生溶胀，形成网状结构。

2.1 废胶粉与SBS掺量

当SBS 定量时，随着胶粉掺量增加，复合改性沥青黏度、软化点会提高，而针入度降低；当胶粉定量时，随着SBS 掺量增加，复合改性沥青黏度、软化点、延度会提高，针入度降低[12]。目前的研究与应用显示，SBS 掺量一般在1%～5%，推荐使用2%～3%[13]；胶粉掺量范围波动较大，最高可超过40%[14]。

2.2 制备温度

在生产过程中，随着制备温度升高，复合改性沥青呈现出软化点、延度、弹性恢复性能先增加后减小的趋势。复合改性沥青的制备温度一般采用175～180 ℃，此时，胶粉吸收沥青轻质组分，与SBS 在沥青中形成网状结构，储存稳定较好；温度过低，胶粉尚在溶胀，分子键未打开，没有与SBS 共同形成网状结构，复合改性沥青的储存稳定性较差、延度较低；温度过高，胶粉过度脱硫，形成的网状结构反而被破坏，复合改性沥青虽具备较好的低温性能，但软化点和高温性能均降低。

2.3 剪切速度

随剪切速度提升，胶粉与SBS 颗粒越小，与沥青相容性越好，溶胀越充分，对提升复合改性沥青的高温性能、低温性能和储存稳定性有利，一般建议采用剪切速度不低于4 000 r/min。

3 废胶粉-SBS复合改性沥青改性机理

分析沥青机理的微观方法包括红外光谱法、荧光显微镜法、差示量热扫描法（DSC）、热重分析法（TG）等。

3.1 红外光谱分析

曹昊楠[14]对比了基质沥青、SBS 改性沥青、胶粉改性沥青与复合改性沥青的红外谱图，4 种沥青的吸收峰基本相同，但在指纹区略有差异，SBS 改性沥青和复合改性沥青在965 cm-1和698 cm-1处有明显的吸收峰，基质沥青此处无吸收峰，两处峰是SBS 中聚丁二烯双键和聚苯乙烯苯环特征峰，因此，SBS 改性沥青与复合改性沥青存在此特征峰。由此可见，复合改性沥青的改性过程为物理改性。

3.2 荧光显微镜分析

贾彦[15]研究显示，基质沥青的荧光显微图像为连续相，SBS 改性沥青中，SBS 以微小颗粒形态分布在沥青中，而胶粉改性沥青中，胶粉以絮状形态分布于沥青中，复合改性沥青的图像包含了胶粉和SBS 的基本特征，两种改性剂在沥青中溶胀，SBS 颗粒与胶粉交联在一起，耦合形成网状结构，且二者在溶胀过程中相互促进，使其性能优于单一改性沥青。

3.3 DSC分析

靳可[16]研究表明，复合改性沥青的玻璃化转变温度低于基质沥青和SBS 改性沥青，其吸热峰面积也是最小，说明复合改性沥青的低温性能最优，且热稳定性最好。

通过微观方法研究可知，复合改性以溶胀+脱硫+交联为机理，提升使用性能。胶粉与SBS 吸收沥青轻质组分溶胀、脱硫后，与沥青发生接枝反应，交联成网状更加稳定，此过程主要为物理作用。

4 废胶粉-SBS复合改性沥青性能分析

根据《路用废胎胶粉橡胶沥青》（JT/T 798—2019）技术要求，对基质沥青、SBS 改性沥青、胶粉改性沥青和复合改性沥青的针入度、25 ℃软化点、5 ℃延度、135 ℃旋转黏度、离析软化点差、弹性恢复等性能进行对比分析。

经过改性后，改性沥青的针入度显著降低，尤其是胶粉改性沥青在四者中下降幅度最大，SBS 改性沥青和复合改性沥青针入度相差不大。与基质沥青相比，复合改性沥青的软化点提升最为显著，增幅将近50%，其次是SBS 改性沥青，胶粉改性沥青增幅最小。基质沥青5 ℃延度最低，胶粉改性沥青略有增高，SBS 改性沥青和复合改性沥青延度则大幅度提升。在弹性恢复和离析软化点差方面，SBS 改性沥青表现出绝对优势，复合改性沥青略差于SBS 改性沥青，胶粉改性沥青弹性恢复性能最差，且存储稳定性不好。黏度方面，相对于基质沥青，3 种改性沥青黏度均大幅度提升，尤其是胶粉改性沥青黏度最大，其次是复合改性沥青、SBS 改性沥青。

SBS 改性沥青、胶粉改性沥青和复合改性沥青相对于基质沥青，性能均有不同幅度提高，胶粉和SBS 在基质沥青中形成的三维网状结构使复合改性沥青集合了SBS 改性沥青、胶粉改性沥青的部分特点。

5 结语

a）复合改性沥青改性材料主要包括胶粉、SBS 和改性剂等，改性材料会对复合改性沥青的性能产生显著影响，采用40～60 目C 级以上胶粉，胶粉脱硫后与沥青相容性会提高，推荐使用线型SBS，合理控制改性剂掺量。

b）制备复合改性沥青主要采用高速剪切法，在制备过程中需选择合适掺量的废胶粉与SBS，同时制备温度、剪切速度等工艺参数会对产品性能产生一定影响，建议制备温度在175～180 ℃、剪切速度不低于4 000 r/min。

c）胶粉与SBS 在沥青中进行溶胀、脱硫、交联后，形成三维网状结构，提高稳定性，此过程以物理作用为主。

d）复合改性沥青集合了SBS 改性沥青、胶粉改性沥青的部分性能优势，相对于基质沥青性能有大幅度提升。

e）我国在废胶粉-SBS 复合改性沥青的理论、技术和应用方面均取得很大研究进展，需进一步探索生产与施工工艺，优化存储稳定性和各方面性能，规范复合改性沥青的生产。