环烷油对干法SBS 改性剂改性效果的影响

刘健

（中铁十二局集团有限公司，太原 030024）

1 引言

SBS 改性剂因其全面的改性效果被广泛应用[1]。目前，行业主要采用湿法工艺制备SBS 改性沥青混合料，即先制备SBS 改性沥青，再制备沥青混合料。然而，改性沥青在运输、储存过程中存在改性剂离析等问题，不利于改性沥青及沥青混合料充分发挥性能[2]。干法改性技术在高温条件下将改性剂、集料、沥青等拌和，直接制备改性沥青混合料。在短暂的拌和过程中，改性剂扩散进入基质沥青中溶胀，实现改性效果。这种技术不仅节约能源，还可以规避湿法改性工艺存在的改性剂离析等问题[3]。为了实现SBS 改性剂的干法应用，北京中路铺面技术有限公司开发了速溶型干法SBS 改性剂（SBS-T），其主要将剪切细化的SBS 与增强熔融扩散能力的组分（EVA、相溶剂等）按照相应比例充分混合后，由双螺杆挤出机挤出造粒[4]。朱荣芳等[5]研究表明，SBS-T 与集料拌和过程中可以快速溶于沥青并发生交联反应，提高沥青及沥青混合料的宏观指标。王静[6]依托实体工程研究指出SBS-T 制备的沥青混合料满足规范要求，其具有广阔的推广前景。

SBS 改性剂在沥青中充分溶胀后形成三维网状结构有利于提高沥青混合料性能[7]。由此可见，干法SBS 改性剂的快速溶胀能力是保证沥青混合料充分发挥性能的关键。在干法SBS 改性剂制备过程中，添加轻质组分对剪切细化的SBS 进行预溶胀处理，可以缩短改性剂在沥青的溶胀时间，有利于提高干法SBS 改性剂溶胀效果[8]。环烷油是原油提炼产品，含有大量的轻质组分，其与石油沥青在化学组成上具备良好的相容性和稳定性，理论上可用于预溶胀处理SBS 改性剂[9]。

本文在干法SBS 改性剂制备过程中加入环烷油，制备不同类型的干法SBS 改性剂。在此基础上，研究环烷油掺量对干法SBS 改性剂改性效果的影响。相关研究成果对干法SBS 改性剂的发展有积极促进作用。

2 试验

2.1 干法SBS 改性剂制备

干法SBS 改性剂的制备主要基于界面增强机理，其提高SBS 改性剂与沥青溶解度参数相似EVA 的界面作用，从而改善剪切细化的SBS 改性剂与沥青的相容性。本文采用先将剪切细化的SBS（70 份）与环烷油拌和均匀，随后加入EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）20 份、EVA-g-MAH（马来酸酐接枝相溶剂）7 份、抗氧化剂22 463 份搅拌均匀，最后投放至双螺杆挤出机中熔融造粒制备不同类型干法SBS 改性剂。环烷油掺量为干法SBS 改性剂质量的0%、3%、6%、9%、12%。试验用环烷油由青岛鲁化化工有限公司生产。

2.2 改性沥青制备

参考团体标准T/CHTS 20003—2018《公路干法SBS 改性沥青路面技术指南》，总结试验经验，将改性剂加入流动的基质沥青中，在175 ℃、5 000 r/min 参数下剪切30 min 后，立即成型试件。试验用壳牌70#基质沥青，主要技术指标如表1 所示。

表1 基质沥青技术指标

2.3 改性沥青混合料制备

参考T/CHTS 20003—2018《公路干法SBS 改性沥青路面技术指南》，总结试验经验，确定干法SBS 改性沥青混合料制备参数：首先将集料预热至175 ℃，在170～180 ℃下将干法SBS 改性剂与集料干拌90 s，随后加入流动状态的基质沥青湿拌60～90 s，最后加入矿粉，拌和60～90 s，在175 ℃下养护1 h 后，成型试件。

试验均以SBS 实际掺量为基质沥青的4.5%掺加干法SBS 改性剂，在此基础上，制备改性沥青及沥青混合料。

2.4 试验方法

采用GB/T 3682.1—2018《塑料 热塑性塑料熔体质量流动速率（MFR）和熔体体积流动速率（MVR）的测定 第1 部分：标准方法》 中熔融指数的测试方法表征干法SBS 改性剂熔融指数（MI）的变化；采用荧光显微镜技术观测改性剂在沥青中的微观分布和溶胀效果；采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 中规定方法测试干法SBS 改性沥青基本指标及沥青混合料路用性能。

3 结果及讨论

3.1 干法SBS 改性剂熔融指数

MI 越大反映干法SBS 改性剂熔融能力越好。熔融能力一定程度上可以反映改性剂扩散进入沥青的能力，这也是干法工艺得以实现的关键。因此，干法SBS 改性剂应具有较大的MI（通常情况下，MI≥2）。不同环烷油掺量的干法SBS 改性剂及常规线性SBS 改性剂（对照组）的MI 测试结果如图1 所示。

图1 干法SBS 改性沥青技术指标

从图可以看出，SBS 改性剂与干法SBS 改性剂的MI 形成明显对比。线性SBS 改性剂MI 为0，这说明了常规SBS 改性剂在高温条件下不融化，其不适用干法改性工艺。干法SBS 改性剂MI 均大于2，这说明对SBS 改性剂进行改造后，其可应用于干法改性工艺。此外，随着环烷油掺量的增加，干法SBS 改性剂MI 逐渐增大。整体来说，环烷油掺量的增加会提高改性剂的熔融能力，改善改性剂扩散进入基质沥青的效果。

3.2 干法SBS 改性剂微观分布

试验采集了不同环烷油掺量的干法SBS 改性剂制备的改性沥青荧光照片。为了量化分析环烷油掺量对改性剂微观分布的影响，试验利用IPP 图像处理软件分析改性剂与基质沥青在荧光照片中所占的面积比，以此定义干法SBS 改性剂的溶胀效果[10]。面积比越大，说明溶胀效果越好。处理前后荧光照片如图2 所示（左侧为处理前，右侧为处理后的荧光照片），不同环烷油掺量下干法SBS 改性剂面积比拟合曲线如图3 所示。

图2 处理前后的荧光照片（左侧为处理前，右侧为处理后）

图3 干法SBS 改性沥青面积比

从图2 可以看出，干法SBS 改性剂可以均匀分布在沥青中。未掺加环烷油时，干法SBS 改性在沥青中呈点状分布。掺加环烷油量后，SBS 改性颗粒逐渐变大，并相互搭接。由图3可以看出，随着环烷油掺量增大，面积比先增大后减小。这说明环烷油掺量并非越大越好。环烷油掺量适当，对改性剂的溶胀效果有促进作用。但过量环烷油会部分溶解改性剂，致使改性剂的结构细度变小，从而不利于溶胀。通过计算，当环烷油掺量为6.9%时，面积比达到最大。

3.3 干法SBS 改性沥青性能及混合料路用性能

3.3.1 沥青性能

试验测试了干法SBS 改性沥青的基本指标，测试结果如图4 所示。

图4 干法SBS 改性沥青技术指标

由测试结果可知，随着环烷油掺量的增加，干法SBS 改性沥青的针入度先增大后趋于平稳，135 ℃黏度缓慢提高。此外，环烷油掺量对干法SBS 改性沥青的软化点没有明显影响，但随着掺量的增大，改性沥青的延度先增大后逐渐减小。环烷油掺量为6.5%，干法SBS 改性沥青延度最大。

3.3.2 混合料路用性能

试验采用AC-13 级配中值，集料选用石灰岩，矿粉选用石灰岩矿粉，干燥、洁净。通过马歇尔试验确定干法SBS 改性沥青混合料的沥青油石比为4.8%。按照要求制备沥青混合料并成型试件测试，试验结果如图5 所示。

图5 干法SBS 改性沥青混合料路用性能

从图5 可以看出，环烷油掺量由0%增加至12%时，沥青混合料DS 持续小幅提升，说明掺加环烷油的干法SBS 改性剂对沥青混合料的高温性能一定的改善作用。对于水稳定性而言，随着环烷油掺量的增加，TSR 先小幅上升，随后趋于平稳。沥青混合料最大弯拉应变随环烷油掺量先增大后减小，这与干法SBS 改性沥青的延度有相似的变化规律。当环烷油掺量为6.8%时，沥青混合料有最大弯拉应变。

4 结论

1）环烷油可以提高干法SBS 改性剂的MI，促使改性剂扩散进入沥青。此外，其对干法SBS 改性剂有预溶胀的效果，可以改善改性剂在沥青中的溶胀效果。

2）随着环烷油掺量的增加，干法SBS 改性沥青的针入度先增加后趋于平稳、软化点无明显变化，135 ℃黏度逐渐增加，延度先增大后减小。

3）随着环烷油掺量的增加，干法SBS 改性沥青混合料的DS 和TSR 均有不同程度的提高，但最大弯拉应变先增大后减小。

4）综合考虑环烷油对上述因素的影响，烷油掺量在6%～7%时，干法SBS 改性剂具有较好的改性效果。