制备技术参数对SBS 改性沥青性能的影响

■陈 帆

（福清市交通建设投资集团有限公司，福州 350300）

SBS 聚合物是一种热塑性弹性体，当SBS 加入到沥青中时，SBS 微粒受到沥青中饱和分、 芳香分的作用发生溶胀，均匀分散在沥青中，使沥青的组分构成比例发生变化，从而使改性沥青体系的路用性能得到大幅度的提高[1]。 目前，SBS 改性沥青的加工工艺以物理方法改性为主[2]，即在高温状态下使沥青与SBS 混融，通过高速剪切将SBS 打碎后均匀分散在沥青中[3]。 实践证明加工工艺中的剪切时间、剪切温度及发育时间都会影响改性沥青的使用性能[4]。 福建省常用改性沥青是通过在FREP70#沥青中加入YH-791H 型SBS 改性剂改性而成。基于此，本试验以FREP70# 沥青为基质沥青，YH-791H 型SBS 为改性剂，以不同的剪切时间、剪切温度和发育时间制备SBS 改性沥青，并通过沥青三大指标试验，分析不同制备技术参数对SBS 改性沥青性能的影响，以期为相关研究项目提供一定的参考。

1 试验材料

1.1 基质沥青

基质沥青采用福建联合石油化工有限公司（FREP）生产的70#沥青，主要技术指标测试结果见表1。

表1 FREP70# 沥青主要技术指标

1.2 SBS 改性剂

SBS 改性剂为中国石化产YH-791H 型SBS 改性剂，主要物理性能指标见表2。

表2 SBS 改性剂主要物理性能指标

2 试验方法

2.1 样品制备

（1） 将350 g FREP 基质沥青加热至所需温度，启动高速剪切机（图1），加入YH-791H 型SBS 改性剂，在低速状态下搅拌5 min 使SBS 均匀分散于沥青中，在所研究的温度和剪切搅拌转速下剪切一定时间，再用直流电机搅拌机（图2）在转速约800 r/min下搅拌一定时间，使SBS 溶胀发育，得到SBS 改性沥青样品，具体制备条件如下：（1）选择4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min 5个剪切速率在剪切温度为180℃、 剪切时间为30 min和溶胀时间为2.5 h 条件下制备改性沥青；（2）选择30 min、40 min、50 min、60 min 4 组剪切时间，在剪切温度为180℃、剪切速率为5 000 r/min 和溶胀时间为2.5 h 的条件下制备改性沥青；（3）选定160℃、170℃、180℃、190℃4 个高速剪切搅拌温度，在剪切时间为40 min、剪切速率为5 000 r/min 和溶胀时间2.5 h 的条件下制备SBS 改性沥青；（4）选取1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h、4 h 6 个溶胀发育时间，在剪切温度为180℃、剪切时间为40min 和剪切速率为5000r/min 的条件下制备SBS 改性沥青。

图1 高速剪切机

图2 直流电机搅拌机

2.2 改性沥青性能测试

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中对沥青的技术要求进行沥青技术指标的测试，试验仪器及测试方法见表3。

表3 基本性能实验仪器及测试方法

3 结果与分析

3.1 高速剪切搅拌速率对SBS 改性沥青性能的影响

不同剪切搅拌速率的改性沥青软化点、 针入度、延度的测试结果如图3～5 所示。 由图3 可知，改性沥青的软化点与剪切速率有关，当剪切速率小于5 800 r/min 时改性沥青的软化点与剪切速率成正相关，当剪切速率超过5 800 r/min 后软化点随着剪切速率的提升迅速下降。 产生这种现象的原因在于，一方面随着剪切速率的提升，SBS 改性剂被剪切得越细，在沥青中分散程度也越高，可以在沥青中构成有效的空间网状结构，从而提升沥青的高温稳定性，提高软化点；另一方面剪切速率的提升导致剪切时摩擦产生的热量急剧增加，从而加速SBS改性剂的分解，造成改性沥青的高温性能下降软化点降低。

图3 剪切速率对改性沥青软化点的影响

由图4 可知，剪切速率对SBS 改性沥青针入度的影响表现为先降低后增加。 在剪切速率为6 000 r/min左右时针入度最小，此时SBS 改性沥青的抗剪切形变性能最好，这是由于SBS 改性剂均匀地分散于沥青质中，形成了空间网状结构，提升了改性沥青的抗剪切变形能力。

图4 剪切速率对改性沥青针入度的影响

由图5 可知， 剪切速率对SBS 改性沥青5℃延度的影响呈先提升后降低再小幅度变化的趋势，当转速在5 000 r/min 左右时延度达到最大。随着剪切速率的提高，一方面使得SBS 改性剂粉碎得更彻底，在沥青中更加均匀分散，另一方面导致温度升高而造成SBS 改性剂发生降解，降低了改性效果。

图5 剪切速率对改性沥青延度的影响

综上可以发现，沥青的改性效果随着转速的变化而变化， 当剪切速率大于5 000 r/min 后SBS 改性剂发生降解，改性效果减弱。 因此，为保证改性效果，SBS 改性沥青制备时剪切速率应不大于5 000 r/min。

3.2 高速剪切搅拌时间对SBS 改性沥青性能的影响

不同剪切搅拌时间的改性沥青软化点、针入度、延度的测试结果如图6～8 所示。 由图6 可知，软化点随着剪切时间的增长呈现先增大后减小的特点，在40 min 时软化点最大。 导致这一现象的原因如下：一是剪切时间较短时SBS 改性剂颗粒剪切不够充分，颗粒较大且分散不均匀，难以产生有效的空间网状结构；二是由于SBS 改性剂颗粒过大造成比表面积过小， 无法有效吸收沥青中的轻质组分，造成沥青的软化点偏低； 三是随着剪切时间的增加，SBS 改性剂的长链结构被破坏，分子量减少，改性剂的降解造成了软化点的降低。

图6 剪切时间对改性沥青软化点的影响

由图7 可知，剪切时间对针入度的影响较小，剪切时间在30 min 左右时针入度最大，剪切时间为20 min 时针入度最小，当剪切时间大于40 min 时针入度随剪切时间增加而增加。

图7 剪切时间对改性沥青针入度的影响

由图8 可知，SBS 改性沥青5℃延度随着剪切时间的增加呈现先增长后降低的趋势。 剪切时间为40 min 左右时5℃延度达到最大。 这是因为剪切时间较短时SBS 改性剂颗粒较大且分布不均匀，无法形成有效的空间网状结构，且造成沥青质中产生应力集中现象，使得SBS 改性沥青5℃延度下降。随着剪切时间的增加，SBS 改性剂颗粒被破碎成合适的大小且逐渐分散均匀，能有效地吸收轻质组分，发生溶胀提高沥青性能，并形成有效的空间网状结构，提升了改性沥青的低温性能。当剪切时间超过40 min后5℃延度逐渐降低，这是因为随着剪切时间的增加改性剂颗粒进一步缩小， 溶胀效果降低， 随着SBS 改性剂的降解， 丁二烯软段的双击发生断裂，降低了其抗拉伸性能。

图8 剪切时间对改性沥青延度的影响

从以上数据结果来看，SBS 改性沥青的性能与剪切实际关系密切，具体体现为：剪切时间过短导致SBS 改性剂剪切不充分，SBS 改性剂颗粒过大且改性剂颗粒在沥青中不能均匀分散，进而使沥青内部产生应力集中现象，同时改性剂无法很好地溶胀于沥青中，使得软化点和5℃延度低。剪切时间过长时SBS 改性剂颗粒降解严重，长链结构被破坏，过度剪切造成SBS 颗粒富集， 难以形成有效的空间网状结构，使得SBS 改性沥青的软化点和5℃延度下降。

3.3 高速剪切搅拌温度对SBS 改性沥青性能的影响

不同剪切搅拌温度的改性沥青软化点、 针入度、延度的测试结果如图9～11 所示。 由图9 可知，软化点随着剪切温度的提升而提升， 在180℃左右时软化点最高，温度超过180℃后软化点开始降低。这是因为随着温度的升高分子运动加剧，SBS 改性剂与沥青之间的溶胀效果明显。 然而温度过高时SBS 改性剂发生降解，长链断裂，溶胀效果减弱从而造成软化点降低。

图9 剪切温度对改性沥青软化点的影响

由图10 可知， 针入度随着剪切温度的升高先减小后增大，在175℃左右达到最小值，其原因与软化点随剪切温度变化相同，具体表现为改性效果更好时抗剪切能力强，针入度低。

图10 剪切温度对改性沥青针入度的影响

由图11 可知， 剪切温度低于170℃时5℃延度随温度升高而升高，这是因为随着温度的升高SBS改性剂分散更加均匀，改性剂颗粒也更小，使得应力分布更加均匀，提高了改性沥青的低温延度。 剪切温度大于170℃后5℃延度随剪切温度变化不明显， 这是因为一方面改性剂随温度的升高发生降解，长链被破坏，分子度降低，改性效果减弱；另一方面随着改性温度的提升SBS 改性剂分子量更小，分布更加均匀，沥青中应力集中减弱，低温延度增加。

图11 剪切温度对改性沥青延度的影响

3.4 搅拌发育时间对SBS 改性沥青性能的影响

不同发育时间的改性沥青软化点、 针入度、延度的测试结果如图12～14 所示。 由图12 可知，SBS改性沥青的软化点随发育时间的增加呈先增长后减少的趋势，在2.5 h 左右时软化点达到最大值。其原因是：随着发育时间的增加，改性剂逐渐溶胀，改性沥青的高温稳定性增强。当发育时间过长SBS 改性剂发生降解，长链断裂，分子量减少导致其性能降低。 同时沥青在高温静置过程中不断发生老化，使得高温稳定性能降低。

图12 发育时间对改性沥青软化点的影响

由图13 可知， 发育时间低于3 h 时针入度变化很小，当发育时间高于3 h 针入度随着发育时间的增加而逐渐减小。 其原因是：随着发育时间的增长SBS 改性剂发生降解，分子量减少，使得改性沥青的抗剪性能降低。

图13 发育时间对改性沥青针入度的影响

由图14 可知，5℃延度随着发育时间的增加呈现先增加后减少的趋势，其原因与发育时间对软化的影响相同。

图14 发育时间对改性沥青延度的影响

4 结论

本研究采用FREP 基质沥青和YH-791H 型SBS 改性剂为试验材料，通过改变制备条件，自制了一系列的SBS 改性沥青，并对所制的SBS 改性沥青的性能进行测试，确定了制备SBS 改性沥青的适宜工艺，得出主要结论如下：（1）在不同高速剪切搅拌速率下制备的SBS 改性沥青性能表明，过高的剪切速率会破坏SBS 分子的结构，从长分子链变为短链结构，导致SBS 改性沥青的软化点降低、延度减小，而剪切速率过小，造成SBS 改性剂分散不均匀、不充分，因此剪切速率宜控制在5 000 r/min；（2）在不同高速剪切搅拌时间下制备的SBS 改性沥青性能表明，搅拌时间过短、搅拌不充分，SBS 分散不均匀；搅拌时间过长，在较高的制备温度下，沥青轻组分挥发、组分氧化迁移，SBS 分子降解，因此搅拌时间宜控制在40 min；（3）在不同高速剪切搅拌温度下制备的SBS 改性沥青性能表明，延长时间引起的SBS 改性沥青性能的变化趋势与延长搅拌时间引起的趋势一致，即延长搅拌时间与提高搅拌温度效果相近，结果显示搅拌温度宜控制在180℃；（4）在180℃下对初步制备的SBS 改性沥青进行搅拌发育，根据搅拌发育时间对SBS 改性剂沥青性能的影响，发育时间过长，容易老化降解，发育时间过短，SBS 改性剂溶胀不充分，SBS 的网络结构不完善，因此SBS 改性剂沥青搅拌发育时间宜控制在2.75 h左右。