SBS与SBR复合改性沥青性能影响因素探究

2020-06-26金萍张文慧张红娟祁聪孙殿杰魏伟

石油沥青 2020年3期

金萍，张文慧，张红娟，祁聪，孙殿杰，魏伟

（1.黄河三角洲京博化工研究院有限公司，滨州 256500 2.山东京博石油化工有限公司，滨州 256500）

我国西部地区具有海拔高、气温低、紫外线强烈、昼夜温差大等特点，因此西部地区要求沥青路面具有良好的高温稳定性、低温抗裂性、抗紫外性能及耐久性[1]。以SBR（丁苯橡胶）作改性剂制备得到的SBR 改性沥青具有优异的低温抗裂性能[2]，但其高温性能不突出，而SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）具有优良的高低温性能[3]，可弥补SBR 改性沥青高温性能的短板，且根据刘黎萍等人[4]的研究发现，SBS 改性沥青的抗紫外性能比SBR 改性沥青优异。此外，粘韧性、韧性指标表示材料抗冲击性能和与石料粘结强度性能，可间接反映SBR 改性沥青路面的耐久性，但单一的SBR 改性剂很难改善材料的粘韧性、韧性指标，添加SBS 改性剂是常用手段[5]。综合SBR 和SBS 各自的优势，将SBR 和SBS 用于沥青改性，制备适合西北地区的复合改性沥青，利用两者的协同效应，可改善沥青的高、低温性能、抗紫外性能及耐久性，解决基质沥青高温易流淌、低温易开裂的问题。

1 实验部分

1.1 实验原料

基质沥青：70 号，分别来自于A、B、C三家沥青生产公司；SBR ：分别来自于山东显元、山东高氏、山东双涵；SBS ：牌号分别为791H、4303、LG411S 及7301H，其嵌段比均为30/70 ；芳烃油：牌号29#，山东孚润达化工有限公司；稳定剂：中全防护科技有限公司。

1.2 样品制备

将沥青加热至160～170 ℃，加入芳烃油、SBS、SBR，采用剪切机高速溶胀剪切一段时间，然后加入稳定剂，低速搅拌发育一段时间。

1.3 性能检测

针入度：无锡石油WSY-026 数显式沥青针入度试验仪器，按照交通部标准T 0604—2011标准检测；软化点：上海昌吉SYD-2806G全自动沥青软化点试验器，按照交通部标准T0606—2011 标准检测；延度：采用无锡石油LYY-10A 调温调速沥青延伸度测定仪，按照交通部标准T0605—2011 标准检测；粘韧性、韧性：上海昌吉SYD-0624 沥青粘韧性测试仪，按照交通部标准T0624-2011 标准检测；老化性能：无锡石油82A 型沥青薄膜烘箱，按照交通部标准T0604—2011 标准检测；形态结构观察：Leica DM4M 荧光显微镜，放大50 倍观察。

2 结果与讨论

2.1 基质沥青来源对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

分别采用A、B、C 三家沥青生产公司生产的70 号沥青作复合改性沥青原料，考察基质沥青来源的不同对产品性能的影响。基质沥青性质见表1，基质沥青对复合改性沥青性能的影响见表2。由表2数据可知，对于SBR/SBS 复合改性沥青而言，除离析指标外，基质沥青的来源对产品指标的影响较小，而对于离析指标而言，随着基质沥青胶体不稳定指数的增大，离析指标也随之增大。一般认为，沥青的胶体不稳定指数越小，沥青与改性剂的相容性越好，改性效果也越好[6]，表现为改性剂在体系中的分散越稳定。因此，这三种基质沥青的改性效果分别为B 公司沥青＞C 公司沥青＞A 公司沥青。

表1 基质沥青基本指标

表2 基质沥青对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

2.2 不同SBR 生产厂家对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

不同SBR 生产厂家因生产工艺、含胶量等的不同，由其制备的复合改性沥青性能也存在一定的差异。分别采用山东显元、山东高氏、山东双涵SBR 作原料，制备SBR/SBS 复合改性沥青，对比不同厂家SBR 制备的复合改性沥青性能的差异，结果见表3所示。由表3可知，老化前指标中，显元SBR 作改性剂时，产品粘韧性和韧性指标高于其他两种改性剂所得产品指标，说明以显元SBR 作改性剂生产的产品和石料的粘附性相对优异，而老化后指标中，表示低温性能的5 ℃延度：高氏SBR ＞显元SBR ＞双涵SBR，综合考虑粘韧性、韧性和残留5 ℃延度指标，采用显元SBR 作为本次试验的改性剂，且从实验室制备过程观察，采用显元SBR 作改性剂时，改性剂较易被剪切且不易团聚、不易粘附。

表3 不同SBR 生产厂家对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

2.3 不同SBS 品种对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

图1为不同品种SBS 改性剂对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响，由图1可知，星型LG411S 及4303 SBS 对改善复合改性沥青的软化点及粘韧性、韧性指标比线型的791H 及7301H SBS 效果明显，软化点最多可提高3.5 ℃，粘韧性至少提高1.7 N·m，韧性至少提高1.9 N·m，而对针入度的影响较小，4 种SBS 所制备的SBS/SBR 复合改性沥青针入度变化幅度仅为5 1/10 mm。因此，采用星型SBS 作原料，对于制备高针入度高软化点SBS/SBR 复合改性沥青是非常有利的，极其适合应用于西藏等西北地区（西北地区海拔高，三大指标测试结果与平原地区存在差异，一般针入度、软化点测试结果相比平原地区测试结果偏小），即星型SBS 对改善复合改性沥青高温性能、沥青的抗冲击性能、与石料的粘附性能方面优于线型SBS。究其原因，在SBS 与沥青具备良好相容性的前提下，得益于星型SBS 较高的分子量与更为致密的结构，使其改性效果优于线型SBS[7]，此外，同为星型或者线型SBS，在嵌段比相同的前提下，由于分子量或者生产厂家的不同生产工艺，也造成产品指标之间较大的差异。四种SBS 改性效果分别为LG411SSBS＞4303SBS ＞791HSBS ＞7301HSBS。

2.4 SBR 与SBS 添加量对复合改性沥青性能的影响

表4是SBR 和SBS 的添加量对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响，由表4可知，采用单纯的SBR 制备适合西北地区使用的II-A 系列SBR改性沥青产品时，存在粘韧性、韧性指标不合格的问题，这也符合王金勤等人的研究结果[5]，当采用SBS 和SBR 复合制备SBR/SBS 复合改性沥青时，产品的粘韧性、韧性指标随着SBS 添加量的增大而逐渐增大，针入度和老化后延度随之减小、软化点随之增大。这主要是由于SBS 改性剂与SBR 改性剂相比，具有更显著的高温性能与弹性恢复性能，可弥补SBR 改性剂在高温、柔韧性方面的不足。此外，SBS 和SBR 添加量存在一个最优值，当两者的添加量同为2.0%时，既能满足产品对粘韧性、韧性指标的要求，又能保证其余指标留有一定的富余。

图1 不同SBS 类型对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

表4 SBR/SBS 用量对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

2.5 芳烃油用量对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

考察不同芳烃油用量对复合改性沥青性能的影响，见图2，由图2可知，随着芳烃油用量的增加，针入度、延度指标提高，软化点、粘韧性、韧性指标降低。

图2 芳烃油用量对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

SBS、SBR 改性剂和沥青之间因分子量、密度等之间的差距[8]，相容性较差，芳烃油作为助溶剂，可改善改性剂SBS、SBR 在基质沥青中的溶胀性能，进一步促进改性剂在整个体系中改性作用的发挥，如图3所示，未添加助溶剂时，改性剂未充分溶胀，表现为改性剂颗粒较大、明显，相界面清楚，而添加助溶剂的样品，改性剂颗粒细小，分散均匀，相界面模糊。此外，芳烃油用量在7%时，针入度在80～100 1/10 mm 区间，而提高芳烃油用量至13%，针入度提高至100～120 1/10 mm 区间，可以直接通过芳烃油用量的调整改变复合改性沥青所属牌号，利于生产上通过单一牌号复合改性沥青的生产实现多牌号复合改性沥青之间的灵活切换。

图3 不同芳烃油添加量的SBR/SBS 复合改性沥青微观图像

但针对每种复合改性沥青所属牌号，应有适当的芳烃油添加量，因芳烃油用量的改变会导致产品多个指标的变化，必须将各个指标值控制在合理范围内。

2.6 稳定剂用量对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响

稳定剂用量对SBR/SBS 复合改性沥青性能的影响见表5所示，由表5可知，随着稳定剂用量的增加，针入度、老化前后延度总体呈现下降趋势，而软化点、粘韧性及韧性总体呈现上升趋势，且稳定剂添加量的增加对样品粘韧性、韧性的影响相比其他指标而言更加显著。在整个改性沥青体系中，SBR 是长链无规共聚物，而SBS 是嵌段共聚物，未添加稳定剂时，聚合物链是自由伸展的，分子间只有微弱的物理作用力，变形能力良好，表现为低温性能相比高温性能更佳，但加入稳定剂后，体系发生了交联反应，形成了化学键结合的空间三维网状结构，这种结构可限制沥青的流动，改善高温性能的同时限制了其低温流动能力[9]，最终表现为延度降低、软化点提高，而粘韧性、韧性指标也因为交联反应的发生进而使沥青相和聚合物相之间的作用关系变得紧密，从而使改性沥青粘结性能提高。

图4是加入稳定剂后SBR/SBS 复合改性沥青的微观结构形态图像，由图4可知，当不添加稳定剂时，改性剂在体系中呈现微小颗粒状分布，当稳定剂添加量为0.025%时，体系中已形成微弱的网状结构，界面清晰，而进一步添加稳定剂用量至0.1%时，改性剂与沥青界面模糊，交联过度，表现为体系黏度极剧增大，溶解度试验时抽滤不动，无法进行溶解度指标检测，因此，稳定剂添加量不宜太高，在此，选择稳定剂添加量为0.025%。