SBS改性沥青工艺及机理分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 浙江交通职业技术学院学报，第４卷第２期，２００３年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ａＩｌｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　０ｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｖｄ．４　ＮＯ．２。Ｊｕｎｅ　２ＯＯ３　ＳＢＳ改性沥青工艺及机理分析　江建坤　（浙江省交通规划设计研究院杭州３１ｏｏｏ７）　摘要：研究ＳＢＳ与不同油源沥青之间的相互适应性以及改性效果与工艺的变化规　律；运用化学分析手段进行改性沥青机理分析。　关键词：ＳＢＳ；改性沥青；改性效果；工艺；机理　中图分类号：ＴＶ４４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—２３４Ｘ（２００３）０２—００１５—０５　０前言　沥青为胶结材料的沥青路面（柔性路面）在我　国早已广泛使用，它具有行车舒适、视觉好、噪音　低、吸尘好、养护方便等优点。现代公路交通有向　高速、重轴、大流量发展的趋势，并在安全、经　济、舒适、耐久性等方面有了更高的要求，面对这　新形势、新特点，传统的道路沥青显然已难当重　任。因而，近几年来，大部分高速公路、汽车专用　公路的修建采用了改性沥青。　目前国内外使用较多、方法简便、取得成效的　主要是在沥青中掺加高聚物。在众多的高聚物改性　沥青材料中，ＳＢＳ改性沥青以其优良的路用性能得　到普遍重视和深人开发。近年来，国内外许多学者　对ＳＢＳ改性沥青作了大量的研究工作，并且取得了　不少成果，在实际应用中取得了良好效益，但对于　改性沥青机理的研究进展仍然缓慢。本文基于国内　外许多学者研究成果，在试验指标分析基础上，结　合化学分析手段，进一步探讨改性沥青机理。　ＳＢＳ是丁二烯和苯乙烯的嵌段共聚物。每个丁　二烯嵌段链的链的末端都连接一个苯乙烯嵌段，若　干个丁二烯链段偶联则形成线形或量形结构。ＳＢＳ　弹性体在加工温度下呈塑胶性能，在常温下无需硫　化即呈橡胶性能。其星形结构赋予多数ＳＢＳ弹性体　极佳的物理性能。ＳＢＳ这类热塑性弹性体，由于末　端聚苯乙烯嵌段聚集而形成一种三维网状结构。鉴　于这种典型的网状结构，此物质一旦分散于沥青　中，即呈现出带强度的弹性体物质。　１试验方案　１．１原材料　（１）基质沥青：日本ＡＨ一９０（代号ＲＢ）、兰　炼ＡＨ一９０（代号ＬＡＬ）及胜利Ａ一６０（代号ｓＬ）。　（２）改性剂：岳阳石油化工公司生产的热塑性　丁苯橡胶（ｓＢＳ—ｌ４０１）。　１．２搅拌设备　采用中美合资上海威字机械电子有限公司生产　的高剪切混合乳化机制备各种聚合物改性沥青，这　种高速剪切设备最高转速高达１万ｒ／ｍｉｎ，剪切间　隙为１％ｍｉｌｌ级，它的工作原理是利用机械的强力　剪力作用使聚合物改性剂剪切成极细小的颗粒，再　通过反复机械搅拌促使改性剂细粒与熔融沥青均匀　混熔，促使改性材料最大程度地发挥作用。　１．３试验方案：　（１）ＳＢＳ对不同基质沥青改性效果影响的研　收稿日期：２ｆｌ０３—０３—０４　作者简介：江建坤（１９７０一），男，工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com １６　浙江交通职业技术学院学报　究；　（２）变化搅拌时间对ＳＢＳ改性沥青效果影响的　研究；　２试验成果分析　２．１　ＳＢＳ对不同基质沥青改性效果影响的研究　采用三种基质沥青，分别掺入相同剂量（５％）　ＳＢＳ，应用高速剪切设备，在搅拌温度１８０９２，搅　拌时间３ｈ的条件下制备ＳＢＳ改性沥青。试验结果　见表１：　从表１中数据可以看出：三种基质沥青经用　ＳＢＳ改性后，其性质有了明显的变化，具体表现在　几个方面：　表１　ＳＢＳ对不同品种基质沥青改性前后性能指标对比　２．１．１高温性能　“八五”攻关成果以当量软化点Ｔ８００作为评价　沥青结合料高温性能的指标，它取代以前的软化　点，其原因是，由于沥青中蜡的存在使得软化点的　测定可能出现偏差。　显然，３种沥青改性后Ｔｓｏｏ均有显著提高，改　性前Ｔｓｏｏ的为４５．３—４８．８，改性后Ｔｓｏｏ最大达５７．１。　不同的基质沥青所表现的改善效果是不同的，其中　以ＲＢ沥青的＇Ｉ＇８００提高幅度最大，达到２５．２％，　ＬＡＬ沥青次之，为１５．９％，ＳＬ沥青提高幅度最小，　仅为９．０％。这说明ＳＢＳ在相同的剂量及加工条件　下对ＲＢ沥青高温改善性能提高最大，ｓＬ沥青提高　最小。　２．１．２低温性能　“八五”攻关成果采用的低温抗裂性指标为当　量脆点Ｔ１．２与ｌ０ｃＩ＝延度双指标（“改性沥青规范”　为５ｃＩ＝延度），试验分析证明这两项指标与ＳＨＲＰ试　验结果及低温粘度试验结果都有很好的相关性。　试验结果表明，三种基质沥青改性后，低温性　能均得到了改善。比较三种基质沥青改性前后的　Ｔ１．２降低幅度可以看出，ＲＢ降幅最大达到　４３．２％，ＳＬ次之为３１．１％，ＬＡＬ最小仅为４．３％；　从低温延度分析，ＬＡＬ及ＳＬ改性后，ｌ０ｃＩ＝及５ｃＩ＝以　延度提高幅度两者接近，而ＲＢ改性后，虽其ｌ０ｃＩ＝　延度提高比要较其他两种改性沥青小，但其５￣Ｃ延　度提高比明显要大得多。因此综合上述情况可得出　如下结论：ＲＢ沥青采用ＳＢＳ改性后，其低温性能　的改善效果最好，ｓＬ沥青其次，ＬＡＬ沥青最小。　２．１．３感温性能　沥青性质随温度变化的感温性是衡量沥青材料　技术品质的重要指标。目前世界上用于表示沥青感　温性的指标有多种表达方式，采用较为普遍的是针　入度指数ＰＩ。　试验结果表明，三种基质沥青改性后，感温性　能都得到了改善。由ＰＩ的变化值ＡＰＩ来看，ＲＢ沥　青的效果最显著，ＬＡＬ沥青次之，ｓＬ沥青效果则　最差。　２．１．４抗老化性能　沥青的抗老化性能是反映沥青路用性能的重要　顺。“八五”攻关成果采用ＴＦＯＦ后的残留针入　度比及ｌ０℃延度作为反映施工过程中产生老化的　指标。反映沥青路面在使用期间的老化宜采用压力　老化试验（ＰｖＮ）方法，限于仪器设备问题，试验　只是采用了ＴＦＯＦ方法。从表１中可看出，各种沥　青经ＳＢＳ改性后，改性沥青的针入度比、延度比都　增大，质量损失减小，这表明改性沥青的抗老化性　能增强。　２．２变化搅拌时间对ＳＢＳ改性沥青效果影响的研　究　三种基质沥青采用５％相同剂量的ＳＢＳ进行改　性，搅拌温度恒定在１８０℃，在不同搅拌时间下的　各项技术性能指标测试结果图一　图三所示为ＳＢＳ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　江建坤：ＳＢＳ改性沥青工艺及机理分析　１７　改性沥青主要技术指标随搅拌时间变化的关系曲　线。　２．２．１高温性能　图一ＳＢＳ改性沥青１ｌ鼬一搅拌时阃变化关系　曲线　从图一可以看出，各种改性沥青的啪搅拌　时间的增加而逐渐增大，所以延长搅拌时间可以增　加各种改性沥青的高温稳定性；ＲＢ改性沥青与ＳＬ　改性沥青在搅拌３　ｈ后，继续增加搅拌时间，其　Ｔｍｏ的增长变化幅度明显减小，而ＬＡＬ改性沥青搅　拌６　ｈ后，其３＂８００提高幅度还很大，所以从高温　稳定性角度考虑，ｌｉＢ改性沥青及ＬＡＬ改性沥青的　搅拌时间均为３　ｈ，ＬＡＬ改性沥青搅拌时间越长越　好。　２．２．２低温性能　从图二可以看出，各种改性沥青的５℃延度随　搅拌时间的增加而逐渐增大；ＲＢ、ＳＬ及ＬＡＬ改性　沥青分别搅拌２　ｈ，３　ｈ及４　ｈ后，继续延长搅拌时　间，其低温延度的增幅明显减小。综合低温性能指　标考虑，这三种改性沥青的合理搅拌时间分别为２　ｈ、３　ｈ及４　ｈ。　目　１镘　∞　０　ｌ　２　３　４　５　６　７　搅拌时间（ｈ）　图二ＳＢＳ改性沥青５￣Ｃ延度一搅拌时间变化关系曲线　２．２．３感温性能　分别研究各种基质沥青及改性沥青的ＰＩ值同　搅拌时间的变化关系（见图三）可以看出，各种改　性沥青的感温性随搅拌时间的增加得到逐步改善，　ＲＢ改性沥青在搅拌２　ｈ后，继续增加搅拌时间，ＰＩ　值变化不大，其感温性没有得到更进一步明显的改　善；ＳＬ改性沥青搅拌３　ｈ后，继续增加搅拌时间其　感温性变化不大；ＬＡＬ改性沥青随搅拌时间的增加　感温性均可得到改善，但在搅拌１　ｈ后，改善趋势　缓慢。　抚拌对同（ｈ）　图三ＳＢＳ改性沥青Ｈ一搅拌时间变化关系曲线　从感温性考虑，ＲＢ、ＳＬ改性沥青的合理搅拌　时间分别为２　ｈ，３　ｈ。ＬＡＬ改性沥青搅拌时间越长　对其感温性越有利，但从经济性出发，又不宜选择　过长搅拌时间，因此ＬＡＬ改性沥青的搅拌时间应　根据实际情况而定。　３改性机理分析　３．１聚合物改性沥青的基础条件　３．１．１混合体系的热力学相溶性　运用现代沥青化学和化学热力学的研究成果，　假定沥青是以固态的沥青质为溶质相和液态软沥青　质为溶剂相所组成的混合体系。这两相相溶性的优　劣与沥青的技术性质有直接的关系。根据这个观　点，改性沥青可以看成是某种聚合物与沥青质、软　沥青质的混合体系，在这个体系中，沥青的相溶　性、聚合物与沥青的相溶性以及聚合物在沥青中的　分散性决定着体系的改性效果。　两种或两种以上的聚合物相混合时有三种情　况：呈两相或多相体系；呈单相均质物；可能呈单　相也可能呈多相。混合体系呈单相或多相状态的推　动力源于热力学的相溶性而不取决于混合程度或混　合强度。每一种聚合物在别的任何一种聚合物中都　有一定的溶解性。溶解度参数值的差值越小，两种　维普资讯 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１８　浙江交通职业技术学院学报　物质互溶效果越好。　改性沥青的低温延度提高。从流变学角度来讲，沥　３．１．２相溶性对ＳＢＳ改性沥青的影响　青材料在一定形变速度下，流动速度大于变形速度　许多从事改性沥青课题的研究者认为：聚合物　时，材料作均匀流动延伸为细丝而不断裂；当其允　在沥青中几乎不能溶解，而主要是在沥青的软沥青　许流动速度低于形变速度时，沥青则产生颈缩而断　中溶胀并扩散。为此，在考虑聚合物与沥青的相溶　裂。低温下，沥青的流动速度很慢，但由于受到均　性时，可以把改性沥青看作是以软沥青质为溶剂　匀分散呈交联式部分交联状的橡胶丝扭结作用的增　相，聚合物作为溶质相的混合体系。不同沥青中软　强，通过剪应力的传递，由仍呈弹性的橡胶承变拉　沥青质的溶解度参数值是不同的，在一般情况下它　力，从而可使改性沥青表现出较大的变形能力。当　的值约为８．３左右，按照相似相容原则，溶解度参　聚合物在沥青中分散不均匀或出现凝聚时，哪怕即　数值在此附近的聚合物应能产生相溶性好的聚合物　使是程度很低，也会由于应力集中而使延度降低。　改性沥青。　由于ＳＢＳ沥青相溶性较差，ＳＢＳ改性沥青在恒　ＳＢＳ是苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段　定的温度下，随着搅拌时间的增加，ＳＢＳ是慢慢地　溶解度参数为９．１，与软沥青质的溶解度参数相差　与沥青相溶，这是一个非常缓慢的过程，并且随着　较大，丁二烯的溶解度参数为８．４，与软沥青质比　搅拌时间的增加，ＳＢＳ在沥青中分散得更均匀，因　较接近，所以，从热力学角度综合考虑，ＳＢＳ同　此ＳＢＳ改性沥青性能指标随搅拌时间的增加而得到　沥青的相溶性较差，ＳＢＳ改性沥青为亚微观结构上　提高，搅拌一定时间后ＳＢＳ基本上已均匀分布于沥　的多相体系，沥青本身就是一个多相体系，其中沥　青中，这时再延长搅拌时间，改性沥青性能提高不　青质是分散相，油分是连续相，而树脂则起保护作　明显。　用。当把沥青看作是一种材料，在与ＳＢＳ进行混合　３．１．４沥青组分分析　时，由于沥青自身结构十分复杂，只有部分与聚合　在改性沥青中，ＳＢＳ的比例较少，ＳＢＳ在沥青　物有相亲作用，能与沥青均匀分散，而大部分组分　中溶解主要是软沥青质所起的作用，因而可以是定　与ＳＢＳ是不相溶的。但是由于沥青材料的分子量分　性地认为基质沥青中油分含量越高，越有利于聚合　布很宽，可以采用一定的加工工艺使ＳＢＳ与沥青相　物的溶解，越能发挥聚合物对沥青性能的改善效　溶，因此从工艺角度来讲，仍然有一定的工艺相溶　果。因此，可以用基质沥青的化学组分构成分析改　性。　性沥青的改性效果。　３．１．３加工工艺对ＳＢＳ改型沥青性能影响分析　表２所示为ｌＡＢ、ＳＬ、ＬＡＬ三种基质沥青的化　聚合物能否在沥青中很好地分散，取决于它与　学组分分析结果。ｌＡＢ沥青中软沥青质占７１．３２％，　沥青的相容性，并与加工工艺条件有关如前所述要　是三种基质沥青中最高的，因而ＲＢ改性沥青性能　使聚合物发挥改性效果，就必须使聚合物充分分散　指标的提高幅度要比其他两种改性沥青的大些，这　均匀地分布于沥青中，这是工艺所必须要解决的问　同表１反映的情况是一致的。　表２基质沥青的化学组成　题。可以初步认为，聚合物与沥青的混溶改性，是　以物理改性为主，聚合物首先吸收沥青中的低分子　物质溶胀，体积增加，然后在热力和机械力的作用　下以一定的状态分散于沥青中。如果忽视聚合物的　分散状况，聚合物的改性作用就会降低到最小，甚　至会产生负面作用。本试验所采用的高速剪切乳化　机能将聚合物强力剪切成微细的颗粒，促使聚合物　细粒与高温沥青快速均匀地混溶，从而使改性材料　最大限度地发挥作用。　４结论　用ＳＢＳ类热塑弹性体改性沥青时，在一定的加　工工艺条件下ＳＢＳ能够与沥青中形式相互交联的网　（１）ＳＢＳ可以改善沥青的感温性，对于不同油　状结构，不但能在一定程度上改善沥青的高温性　源的沥青改性效果不同。　质ｒ，而且能够提高沥青的低温度变形能力，表现在　（２）ＳＢＳ改性沥青的改性效果主要取决于ＳＢＳ　维普资讯 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第２期　江建坤：ＳＢＳ改性沥青工艺及机理分析　１９　与基质沥青的互溶性和配伍性。　（３）应用沥青化学和化学热力学理论来分析聚　合物改性沥青的机理是可行的。　在合理搅拌时间限度内延长搅拌时间可使ＳＢＳ更均　匀地分散到沥青中去，从而使沥青的性能得到进一　步的改善，超出这个限度，延长搅拌时间意义不　（４）使用高速剪切设备在一定的搅拌温度下，　大。不同改性沥青的合理搅拌时间是不同的。　参考文献　［１］ＪＴＪ０３６—９８，公路改性沥青路面施工技术规范［ｓ］．　［２］张登良。沥青与沥青混合料［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９２．　［３］林尚安．高分子化学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８２．　［４］原建安．沥青中组成聚集状态转变对物理性能的影响［Ｊ］．西安公路交通大学学报，１９９７，（４）：１０—１４．　［５］赵晶．ＳＢＳ改性沥青技术和效果评价［Ｊ］．中国公路学报，１９９７，（４）：１８—２４．　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　ＳＢＳ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ｍｏｄｉｆｉｄｅｄ　Ａｓｐｈａｌｔ　ⅡＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｋｕｎ　（Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｐｌａｎ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｓｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｈａｎ　踟３１０００７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｍｕｔｕａｌ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＳＢＳ　ａｎｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｆｒｏｍ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａＩｌｇｉｎｇ　ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ａＩｌａｌ　蒯ｂｙ　ｓｏｍｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎｅａｎｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｐｈｙｓｉｃｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＢＳ；ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ；ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｅｆｆｅｃｔ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　责任编辑：洪理平　简讯·　我院成立三个院属研究所　近几年来，在学院领导和全体教职工的共同努力下，学院得到快速发展，与此同时，我院的科研工　作也有了长足的进步。为进一步推进我院的科研活动，提升科研水平，提高教师的科研能力，２００３年５　月浙交院［２００３］６８号《关于成立现代物流等院属研究所的通知》批准成立我院第一批院属研究所三个：　现代物流研究所，所长：王怡民副教授；　二、汽车运用技术研究所，所长：陈文华副教授；　三、顾客满意度测评研究所：所长：朱国锋副教授。　希望有关教学系切实加强领导，给予必要的支持。有关人员尤其是研究所负责人，大胆开展工作，　积极承担各级各类纵向与横向课题，充分发挥科研所应有的作用，为推动学院的科研工作作出贡献。　（科研处）