SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青特性的研究

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經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，促進(jìn)了高等級公路網(wǎng)的建設(shè)，使得改性瀝青需求量與日俱增。

在眾多的聚合物改性劑中，SBS是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛和成熟的一種。SBS是苯乙烯與丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段物理交聯(lián)可改善瀝青的抗高溫永久變形能力，而丁二烯段賦予瀝青一定的柔韌性。這種特殊的結(jié)構(gòu)，使得SBS改性瀝青具有良好的高溫性能，同時(shí)低溫性能也得到改善。SBS改性瀝青路面已經(jīng)很大程度上改善了基質(zhì)瀝青的性能，但也不可避免的存在一些缺陷，如低溫脆性大、延度小、抗老化和抗疲勞性能差等。國內(nèi)外道路建設(shè)的發(fā)展需要對瀝青路面提出了更高的要求，不但希望鋪筑的瀝青路面能夠做到“夏季不變形，冬季不開裂”，而且希望鋪筑的路面具有較強(qiáng)的吸收交通噪音的能力，以滿足重交通流量、高等級公路和城市交通的不同需要。實(shí)踐證明，把橡膠粉加入到瀝青中，可以在一定程度上彌補(bǔ)以上缺陷。膠粉改性瀝青不但能夠提高瀝青的軟化點(diǎn)，尤其在改善瀝青低溫條件下流動(dòng)性，提高延度方面有著無可比擬的優(yōu)勢，增強(qiáng)瀝青回彈變形能力。

因此，在SBS改性瀝青中加入膠粉，不但可以提高瀝青的彈性，改善瀝青的高、低溫性能，還可以擴(kuò)大瀝青的使用溫度范圍，同時(shí)廢膠粉資源豐富、價(jià)格低廉、加工工藝簡單，又不污染環(huán)境，還能實(shí)現(xiàn)廢棄輪胎的資源化。綜上可以看出，復(fù)合改性瀝青的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)意義、環(huán)保意義和社會(huì)意義，符合可持續(xù)發(fā)展的原則。

一、SBS和膠粉的特性SBS是以1，3一丁二烯和苯乙烯為單體，四氫呋喃為活化劑，以正丁基鋰為引發(fā)劑在環(huán)己烷溶劑中采用陰離子聚合法得到的線型或星型嵌段共聚物。每個(gè)丁二烯鏈段的末端都連接著—個(gè)苯乙烯鏈段，若干個(gè)丁二烯段偶聯(lián)則形成線型或星型結(jié)構(gòu)。因此，SBS改性劑分線型和星型兩種結(jié)構(gòu)。

膠粉按其粒徑的大小可分為粗膠粉：0.425mm以上；細(xì)膠粉：0.425～0.180mm；精細(xì)膠粉：0.180～0.075 mm。改性道路瀝青主要用精細(xì)膠粉。

精細(xì)膠粉主要是由廢舊鞋膠胎破碎而制得，成分主要為天然膠和丁苯膠等，其橡膠烴含量在55 %左右。

二、改性機(jī)理研究在SBS改性瀝青的制備過程中，SBS與瀝青在熱狀態(tài)混合下，原來的膠體結(jié)構(gòu)平衡被破壞，SBS的端基產(chǎn)生軟化，并產(chǎn)生一定的流動(dòng)，中基則吸收瀝青中的油分并形成體積增大許多倍的海綿狀材料，發(fā)生溶脹現(xiàn)象，建立新的膠體結(jié)構(gòu)體系，在瀝青中形成彈性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有理想的彈性、塑性和延伸性，使瀝青的性能得到全面改善。

目前認(rèn)為，膠粉對瀝青的改性機(jī)理可總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

瀝青膠體結(jié)構(gòu)變化加入熱瀝青中的橡膠粉能吸附瀝青中的輕組分，瀝青中與改性劑結(jié)構(gòu)相似的輕組分經(jīng)過滲透，擴(kuò)散進(jìn)入橡膠網(wǎng)絡(luò)，使橡膠溶脹，從而有效地降低瀝青中的游離蠟含量，組分的變化使得高蠟含量的瀝青膠體結(jié)構(gòu)向溶凝膠型結(jié)構(gòu)發(fā)育。感溫性顯著下降，其他性能也得到改善，蠟含量的降低最終改善了瀝青的感溫性。

膠粉顆粒體積溶脹橡膠顆粒吸收瀝青中的油分而溶脹，部分恢復(fù)了生膠的性質(zhì)，橡膠顆粒重新具有一定的粘性，并由原來的緊密結(jié)構(gòu)變成相對疏松的絮狀結(jié)構(gòu)，制備后的溶脹橡膠顆粒能夠較均勻地懸浮分散在瀝青中，基質(zhì)瀝青也因部分油分被吸收而變得粘稠；這種混溶改性材料不僅保持了基質(zhì)瀝青材料的主要物理力學(xué)性質(zhì)和恢復(fù)橡膠材料部分生膠的粘性和可塑性，而且兩者的共同作用也改變了基質(zhì)瀝青材料的物理特征、粘結(jié)性、感溫性和耐久性，產(chǎn)生了改性效果。

膠粉顆粒降解與熔脹過程同時(shí)發(fā)育的還有橡膠顆粒的脫硫和橡膠分子的降解過程。在高溫?cái)嚢钘l件下，橡膠體型網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)適度氧化解聚，變成大量的小體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和少量鏈狀物，從而獲得部分塑性和粘性，但同時(shí)也失去部分原有橡膠的彈性。隨著熱瀝青中膠粉顆粒的脫硫和降解，膠粉顆粒會(huì)與瀝青發(fā)生物質(zhì)交換，橡膠顆粒中的硫、炭黑、氧化硅、氧化鐵等物質(zhì)進(jìn)入瀝青膠體體系中，起到改善瀝青溫度敏感性、低溫性能及耐老化性能的作用。

膠粉顆粒增強(qiáng)作用橡膠粉顆粒加入瀝青中可形成加勁結(jié)構(gòu)：橡膠顆粒三維隨機(jī)分布，構(gòu)成連續(xù)相，橡膠顆粒間靠凝膠膜連接，節(jié)點(diǎn)粘結(jié)效力依賴于溫度，溶脹后的橡膠粉之間沒有強(qiáng)的化學(xué)鏈接，廢膠粉改性瀝青內(nèi)部不形成整體性的網(wǎng)絡(luò)加勁結(jié)構(gòu)。廢膠粉改性瀝青中，常溫及常溫以下時(shí)，膠粉模量相對瀝青模量較低，膠粉與瀝青應(yīng)變不同步，主裂紋前端應(yīng)力場發(fā)生變化，易使主裂紋偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，加上本身存在大量表面毛刺、纖維，當(dāng)基質(zhì)瀝青達(dá)到極限應(yīng)變斷裂時(shí)，斷裂應(yīng)力將瞬間集中在膠粉顆粒上，在顆粒表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)大量銀紋，銀紋的產(chǎn)生和發(fā)展消耗大量的能量，因此可提高瀝青的沖擊強(qiáng)度和可塑性。而且，裂縫不會(huì)穿透膠粉顆粒發(fā)展，橡膠顆粒是銀紋的中心，它跨越銀紋的兩端，銀紋要發(fā)展就必須拉伸橡膠顆粒，橡膠顆粒因此消耗和吸收大量的能量，提高了橡膠顆粒瀝青混合料的抗沖擊能力。銀紋的另一特點(diǎn)是在應(yīng)力作用初期銀紋體相當(dāng)硬，當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)值后，銀紋體開始屈服，形變隨時(shí)間的延長而發(fā)展，斷裂伸長增加，卸載后應(yīng)變逐漸恢復(fù)，應(yīng)變隨時(shí)間的延長而消失。膠粉顆粒的存在易使主裂紋偏轉(zhuǎn)，裂紋偏轉(zhuǎn)可降低裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而增強(qiáng)膠粉改性瀝青的抗裂能力。

三、復(fù)合改性瀝青的性能在瀝青中加入橡膠粉進(jìn)行改性的橡膠瀝青，其改性效果在某些方面優(yōu)于單純的SBS改性瀝青，能夠達(dá)到優(yōu)良的技術(shù)性能。

良好的穩(wěn)定性。在瀝青中加入橡膠進(jìn)行改性后，其針入度減小，粘度增大，軟化點(diǎn)提高，同時(shí)抗流動(dòng)性提高，從而具有較高的抗車轍能力和抗推移擁包的能力。同時(shí)，在瀝青中加入膠粉提高了瀝青在低溫下的延度，增加了瀝青的柔韌性，改善了瀝青的低溫性能。由于加入膠粉后瀝青的粘附性增加，石料表面粘附的橡膠瀝青膜厚度增加，因而提高了瀝青路面抗水損害性能，延長了公路的使用壽命。

優(yōu)良的耐久性和抗滑性能。橡膠瀝青在低溫條件下敏感性降低，有利于抵抗不利氣候的循環(huán)作用，由于其柔韌性提高，橡膠瀝青能夠承受重復(fù)拉應(yīng)力或拉應(yīng)變的反復(fù)作用，疲勞壽命有了很大提高。抗滑性是反應(yīng)行車安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，隨著公路技術(shù)的不斷成熟和公路設(shè)施的不斷完善，人們對行車安全性的要求越來越高，橡膠瀝青能夠增加車輛輪胎與路面的附著性，增大摩擦系數(shù)，行車安全性將大為提高。

減少反射裂縫。橡膠瀝青具有較強(qiáng)的柔韌性和抗疲勞性能，由橡膠瀝青膠結(jié)料、單粒徑集料組成的應(yīng)力吸收薄膜夾層對減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展有明顯的效果，可使裂縫處相對位移產(chǎn)生的應(yīng)力傳到面層時(shí)大為減少，可明顯地減弱縫尖端應(yīng)力的奇異性，降低應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而達(dá)到延緩反射裂縫產(chǎn)生的目的。用橡膠瀝青和單粒徑集料制成的橡膠瀝青薄膜能夠明顯防止和減少瀝青路面的反射裂縫，大大延長路面裂縫的反射時(shí)間。

減少噪聲污染。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)快速發(fā)展和人民的生活水平的提高，人們對道路舒服性要求也越來越高，瀝青路面結(jié)構(gòu)由于具有平整度好、舒適度高、易于維修等優(yōu)點(diǎn)已成為高速公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。但目前高速公路瀝青路面在車輛高速行駛下所產(chǎn)生的噪音污染始終未能有效解決，橡膠瀝青能夠有效的吸收噪音，用在開級配磨耗層中更能夠大大降低噪音污染，從而使行車舒適性得以提高。

綜上所述，利用橡膠粉進(jìn)行改性的瀝青的以上特點(diǎn)決定了瀝青混合料的優(yōu)良性能。國外的研究證明，復(fù)合改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害能力，其抗老化性能和抗疲勞性能更優(yōu)于單純的SBS改性瀝青混合料，用復(fù)合瀝青混合料鋪筑的公路有平穩(wěn)、舒適、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，能明顯改善路面的質(zhì)量并延長其使用壽命。