SBS_胶粉复合改性沥青制备工艺及路用性能研究.doc

SBS/胶粉复合改性沥青制备工艺及路用性能研究#刘朝晖，柳力，史进，李盛*510（长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410004）摘要：针对目前国内改性沥青的研究现状和不足，以中海油 70#沥青为基质沥青， SBS 和胶粉作为改性剂，采用掺量为 4%、5%、6%的 SBS 和 2%、4%、6%的胶粉制备复合改性沥青进行对比试验，成功研发了一种适用于 SBS/胶粉复合改性沥青的制备工艺，分析了不同掺量复合改性沥青的延度、针入度、软化点和弹性恢复变化趋势，并说明了引起变化趋势的原因。研究结果表明：在 SBS 掺量一定的情况下，随着胶粉掺量的增加复合改性沥青的延度呈现下降的趋势，软化点和弹性恢复呈现上升的趋势，针入度值呈现先下降后上升的趋势。研究可为 SBS/胶粉复合改性沥青的制备工艺和路用性能研究提供重要参考。关键词：道路工程；复合改性沥青；SBS；胶粉；制备工艺；路用性能中图分类号：U416.224 ; U416.0115Preparation Technology and Pavement Performance Studyof SBS and Rubber Powder Composite Modified AsphaltLIU Zhaohui, LIU Li, SHI Jin, LI Sheng(School of Communication and Transportation Engineering Changsha University of Science and2025303540Technology, ChangSha 410004)Abstract: According to the research status and shortage of modified asphalt, taking the cnooc 70 #asphalt as the matrix asphalt ,SBS and rubber powder as modifier, adopting the dosage of 4%, 5%and 6% of SBS while 2%, 4%, 6% of rubber powder to prepare composite modified asphalt forcontrast test, studied the preparation technology for SBS and rubber power composite modifiedasphalt, analyzed the trend of ductility, penetration, softening point and elastic recovery withdifferent proportion of composite modified asphalt, and then analyzed the reason. The study showthat in the circumstances of the SBS with a certain dosage, with the increase of the rubber powder,the ductility showed a decreasing trend while the softening point and elastic recovery showed arising trend, the penetration decreasing first and then rising. The study results can provideimportant reference for the preparation technology and performance study of composite modifiedasphalt.Keywords: road engineering; composite modified asphalt; SBS; rubber powder; preparationtechnology; pavement performance0 引言随着我国经济的快速发展和高速公路建设规模的不断扩大，道路的质量标准进一步提高，沥青需求量特别是复合改性沥青的需求量越来越大1-4。热塑性丁苯橡胶(SBS)是一种兼有塑料和橡胶特性的“新型三代合成弹性体”，同时具备橡胶的高弹性和塑料的高强度及易加工性，具有良好的耐低温性、透气性和抗湿滑性，SBS 可明显改善沥青的高低温性能、弹性性能、内聚附着性能及混合料的稳定性能、抗老化性能，但是目前 SBS 的价格比较昂贵，在一定程度上限制了 SBS 改性沥青的发展。随着人民生活水平的提高，汽车持有量逐年增加，同时每年报废的轮胎也越来越多，据统计，我国废旧轮胎以每年 12的速度增加，如何处理这些“黑色污染”已成为我国目前基金项目：国家自然科学基金项目（51178062；51038002）；交通部应用基础研究项目（2011319825040）；湖南省高等学校科学研究项目(12C0014); 教育部博士点基金项目(20114316110001)作者简介：刘朝晖，（1968-），男，教授，博导，研究方向为道路工程。E-mail: -1-亟待解决的问题，将废旧轮胎制作成胶粉，作为改性剂加入沥青中制成的改性沥青，不仅可4550以减少环境中的“黑色污染”，缓解环保压力5-7；而且可以改善沥青的高温性能、抗老化性能和弹性性能。研究过程中，结合 SBS 和胶粉各自对改性沥青的特点，进行了科学合理的选择与设计，采用 SBS 掺量为 4%、5%、6%和胶粉掺量为 2%、4%、6%制备复合改性沥青，进行了大量的对比试验研究，分析了不同掺量的复合改性沥青低温延度、针入度、软化点和弹性恢复性能变化趋势，说明了引起变化的原因，并成功研究出适用于 SBS/胶粉复合改性沥青的制备方法，确定了制备各环节中温度范围、高速剪切仪转速、剪切时间和发育溶胀时间。1 原材料1.1 基质沥青基质沥青采用中国海洋石油总公司生产的 70#沥青，性能指标如表 1 所示。55表1 中海油70#沥青性能指标Tab.1 Performance index of CNNOC 70# asphalt设计指标 单位针入度(25 ，100g，5s) 0.1mm软化点(RB) 延度（15，5cm/min） cm延度（10，5cm/min） cm延度（5，5cm/min） cm检测结果71.547.81001008.6密度g/cm3质量损失 %1.042-0.10RTFOT 后残留物延度（15，5cm/min）/cm针入度比cm%54.869.31.2 SBS60SBS 采用湖南岳阳巴陵石化有限公司生产的 YH791 型 SBS,主要技术性能指标如表 2 所示。表2 YH791型SBS主要性能指标Tab.2 Performance index of YH791 SBS65技术指标结构类型嵌段比挥发份灰分300%定伸应力拉伸强度扯断伸长率扯断永久变形相对分子量邵尔硬度 A熔体流动速率1.3 胶粉单位/S/B%MpaMpa%万度g/10min检测结果线型30/70157503010751.5胶粉采用四川正中路面科技有限公司生产的 40 目的废旧轮胎脱硫胶粉，主要技术性能指标如表 3 所示。-2-表 3 40 目胶粉主要技术指标Tab.3 Performance index of 40 orders rubber powder技术指标相对密度水分金属含量纤维含量灰分天然橡胶含量丙酮抽出物炭黑含量橡胶烃含量单位g/cm3%检测结果1.25760.10.0012.434.848.6702 复合改性沥青制备和配方2.1 复合改性沥青的制备工艺（1）将基质沥青放入 175185的烘箱中，并恒温 1 小时；（2）在温度为 170180的条件下，向步骤 1）所述的基质沥青中加入 SBS 和胶粉，758085并用玻璃棒均匀搅拌 1015 分钟；（3）在 170180的温度范围内，将混合物在高速剪切仪中高速剪切 3040 分钟，转速为 6000 转每分钟，剪切完成后将混合物放入 175185的烘箱中发育 2030 分钟；（4）在温度为 175185的条件下，将步骤（3）所述的发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切 3040 分钟，转速为 5000 转每分钟，剪切完成后将混合物放入 170185的烘箱溶胀 1 小时，得到所述复合改性沥青。2.2 复合改性沥青的配方设计根据 SBS/胶粉复合改性沥青的特点，参考国内外的研究成果8，并进过科学合理的分析，采用以下的配方进行试验，SBS/胶粉复合改性沥青配方如表 4 所示。表 4 SBS+胶粉复合改性沥青配方Tab.4 Formula of SBS + rubber powder composite modified asphalt胶粉（%）SBS（%）4 562464+24+44+65+25+45+66+26+46+63 试验内容和试验数据分析3.1 试验内容9095采用不同掺量的 SBS 和胶粉制备复合改性沥青，其中 SBS 掺量分别为 4%、5%、6%（外掺量），胶粉掺量分别为 2%、4%、6%（外掺量），研究不同掺量改性剂对复合改性沥青延度、针入度、软化点和弹性恢复的影响，总结出变化趋势，分析不同掺量改性剂对沥青性能的影响，并分析引起此变化趋势的原因。3.2 延度试验低温延度反映了沥青在低温下的变形能力，延度值越大，表明低温性能越好。试验采用-3-延度测试仪，试验温度为 5，速率为 5cm/min9，测试复合改性沥青延度，测试结果如图1 所示。302826242220181614124%SBS5%SBS6%SBS0246胶粉掺量/%图1 延度测试结果100105110Fig.1 Ductility test results由图 1 知，在 SBS 掺量一定的情况下，随着胶粉掺量的增加，复合改性沥青的延度呈减小的趋势。当胶粉掺量在 0%4%之间时，延度减小较缓慢；当胶粉掺量高于 4%时，延度明显的减小。有研究指出，废旧轮胎胶粉彻底溶解在沥青中需 287以上反应 54h，随着胶粉掺量的增加，胶粉在沥青中难以完全溶解，延度试件受拉时，基体沥青比胶粉颗粒的模量低，在拉伸方向产生较大的应变，于是在胶粉颗粒和基体沥青界面处产生应力集中，导致试件提前拉断10-11。研究结果表明，虽然胶粉掺量的增加，复合改性沥青的低温延度值减小，但并不代表低温性能差，由于胶粉颗粒的存在，在延度拉伸过程中，应力在胶粉颗粒周围集中，导致延度值偏小。为了科学的评价 SBS/胶粉复合改性沥青的低温性能，建议采用美国SHRP 计划的评价方法，低温弯曲梁流变试验和直接拉伸试验作为评价指标。3.3 针入度试验针入度反映了沥青的软硬程度，试验采用技术指标为 25，100g，5s 的方法测试改性沥青的针入度9，测试结果如图 2 所示4139373533312927254%SBS5%SBS6%SBS0246胶粉掺量/%115图2 针入度测试结果Fig.2 Penetration test results-4-延度/cm针入度/0.1mm由图 2 数据可知，在 SBS 改性沥青中加入胶粉以后，复合改性沥青针入度存在不同程度的变化，与基质沥青相比明显变硬。当胶粉掺量较低时，复合改性沥青的针入度随着胶粉的增加而减小；当胶粉掺量达到一定数值，随着胶粉掺量的增加，复合改性沥青的针入度随120着胶粉的增加而增大，说明复合改性沥青逐渐由硬变软，这是由于沥青中的部分油分被胶粉吸收，溶胀后均匀分布在沥青中，使得沥青整体变软。3.4 软化点试验软化点是沥青的一项基本指标，反映了沥青的高温性能，本试验采用环球法测试改性沥青的软化点9，测试结果如图 3 所示。8075706560554%SBS5%SBS6%SBS0246胶粉掺量/%125130135图3 软化点测试结果Fig.3 Softening point test results由图 3 数据可知，在 SBS 掺量一定的情况下，随着胶粉掺量的增加，复合改性沥青的软化点呈增加的趋势，这是由于沥青中与胶粉结构相似的轻组分经过渗透，逐渐扩散到橡胶网络，使胶粉颗粒溶胀，显著减少了沥青中游离蜡的含量，使得含蜡较高的沥青向融凝胶结构发育，使得沥青感温性显著下降，软化点明显升高，显著改善了复合改性沥青的高温稳定性。3.5 弹性恢复试验弹性恢复用于评价改性沥青的可恢复变形能力，提高沥青的弹性恢复能力可以减小荷载作用下的残余变形，减少路面的损坏。试验利用延度测试仪将试样拉长 10cm 后可恢复变形的百分率测试改性沥青的弹性恢复，试验温度为 25，拉伸速率 5cm/min2.5 cm/min9，测试结果如图 4 所示。-5-软化点/10095908580754%SBS5%SBS6%SBS0246胶粉掺量/%140145150155160165170表4 弹性恢复测试结果Fig.4 Elastic recovery test results由图 4 数据可知，随着胶粉掺量的增加，改性沥青的弹性恢复呈增加的趋势，因为胶粉表面存在大量的毛刺、纤维，当 SBS 改性沥青达到断裂极限应变时，断裂应力将迅速集中到胶粉颗粒上，在颗粒表面产生应力集中，产生大量银纹（银纹指材料表面或内部的一些缺陷在受到应力集中作用时引发的细微纹痕和剪切带）10-11，银纹的产生和扩展消耗大量的能量，而且裂纹不会穿透橡胶颗粒发展，橡胶颗粒是银纹的中心，它跨越银纹的两端，银纹要发展就必须拉伸橡胶颗粒，橡胶颗粒因此消耗和吸收大量的能量；银纹的另一特点是，在应力作用初期银纹很硬，当应力超过一定数值后，银纹开始屈服，形变随时间的延长而发展，断裂伸长增加，卸载后应变逐渐恢复，应变随时间延长而消失，同时胶粉颗粒在沥青中起到加劲作用，因而复合改性沥青的弹性恢复能力有显著提高。4 结语(1)通过大量的试验和研究分析表明，在 SBS 掺量一定的情况下，随着胶粉掺量的增加复合改性沥青的延度呈现下降的趋势，软化点和弹性恢复呈现上升的趋势，针入度值呈现先下降后上升的趋势，并研究了引起 SBS/胶粉复合改性沥青延度、针入度、软化点和弹性恢复变化的原因。(2)通过延度、针入度、软化点和弹性恢复试验指标看，SBS/胶粉复合改性沥青路用性能较好，不仅适用于新建道路，而且可以广泛用于旧水泥路面改造等提质改造工程，可有效防止反射裂缝的产生和扩展。(3)目前市面是 SBS 价格较贵，为了降低施工成本而又不降低路用性能，在实际生产过程中，可以使用 SBS/胶粉复合改性沥青代替 SBS 改性沥青。参考文献 (References)1 宋家楠,黄治冶.胶粉/SBS 复合改性沥青与 SBS 改性沥青、橡胶沥青的基本性能比较研究J.北方交通,2012,(7):3-5.SONG Jia-nan, HUANG Ye-ye. 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