不同种类改性剂对于基质沥青性能影响分析

　　摘要通过掺加红油增塑剂、C9石油树脂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)改性剂制备不同类型改性沥青，采用沥青针入度、旋转黏度、动态剪切流变、多应力蠕变恢复、弯曲梁流变等试验对其高低温及感温性能进行研究，并与基质沥青进行对比分析。结果表明，3种改性剂均可改善沥青感温性能，黏流活化能指标有助于沥青混合料施工工艺控制与调整;对比其他2种改性剂，SBS改性剂是提高沥青高温性能的主要因素;红油增塑剂和SBS改性剂可以改善沥青低温性能，树脂则对沥青低温性能产生不利影响。

　　关键词改性剂;黏流活化能;多应力蠕变恢复;弯曲梁流变试验;机理分析

　　目前沥青改性剂中以SBS(StyreneButadieneStyrene)应用最为广泛，但也存在拌合困难等施工问题[1-2]。近年来，石油树脂和增塑剂成为研究热点。其中石油树脂以C9树脂为主要研究对象[3-5]，研究结果表明C9树脂可提升沥青高温性能。

　　增塑剂由于可改善塑料制品的柔韧性，被大量应用于塑料工业中[6]，但关于改善沥青性能的研究鲜有报道[7]。纵观文献，对于石油树脂和增塑剂改性沥青的研究主要集中在沥青的基本指标，而未针对体现沥青流变性能的高低温及感温性指标进行研究，也未对其改性机理性能深入探讨。本文通过红油增塑剂、C9石油树脂、SBS改性剂分别制备改性沥青并与基质沥青进行路用性能对比，通过改性机理分析不同改性剂对于沥青高低温及感温性能的影响。

　　1实验部分

　　1.1材料与仪器

　　采用辽河90#基质沥青(下文简称基质沥青)。改性剂采用燕山石化SBS4303星热塑性丁苯橡胶，分子结构为星型，外观为白色颗粒，S/B(质量比)=30/70。C9石油树脂(下文简称树脂)为淡黄色颗粒，工业级，三江源化工(河南)有限公司。红油增塑剂(下文简称增塑剂)采用江苏森迪化工科技有限公司产品，增塑剂与树脂相溶性好，具有一定的塑化性能。 实验器材：SYD-2801I型针入度自动试验仪、SYD-4508C型沥青延度试验器，上海昌吉地质仪器有限公司;RVDV-Ⅱ型布氏旋转黏度仪(Brookfield)，美国Brookfield公司;Gemini-150-ADS型动态剪切流变仪DSR(DynamicShearRheometer)，英国Bohlin公司;TE-BBR-F型弯曲梁流变仪BBR(BendingBeamRheometer)，美国Connon公司。

　　1.2实验方法

　　采用基质沥青制备不同种类改性沥青，改性剂掺量为4%(wt，质量分数，下同)，最终确定4种试验方案分别为基质沥青、基质沥青+4%增塑剂、基质沥青+4%树脂、基质沥青+4%SBS改性剂，方案编号为A、B、C、D，制备工艺如下：沥青B和沥青C：将基质沥青加热到140℃~150℃分别加入4%增塑剂和4%树脂，在搅拌器中以600/(r·min-1)的速度并保持温度在150℃~160℃，搅拌60min后放置在150℃~160℃的烘箱中60min。沥青D：将基质沥青加热到140℃~150℃，加入4%SBS改性剂，采用高速剪切，速度为5000~6000/(r·min-1)并保持温度在160℃~180℃，剪切90min后放置在160℃~180℃的烘箱中60min。

　　1.3性能测试

　　测试各沥青方案在不同温度条件下的针人度以及旋转黏度，根据结果拟合针入度指数PI(PenetrationIndex)和黏流活化能Eη，评价沥青感温性能;采用动态剪切流变仪DSR进行温度扫描和多应力蠕变恢复MSCR(MultipleStressCreepRecovery)试验，对沥青进行高温性能评价;利用弯曲梁流变仪(BBR)测试沥青的低温性能。

　　2结果与讨论

　　通过针入度试验结果可知，加入增塑剂、树脂和SBS改性剂的沥青针入度指数PI均有所提高，表明3种改性剂可改善基质沥青的温度敏感性。加入增塑剂和树脂后沥青针入度指数PI分别提高了46%和31%，但作用机理不同。其中增塑剂通过改变沥青组分的比例，使沥青向溶胶—凝胶型结构转变，进而提高沥青的针入度指数;树脂是通过与沥青互贯穿的形成空间网状结构，改变沥青结构降低温度敏感性。

　　加入SBS改性剂后沥青针入度提高了145%，这是因为SBS改性剂中聚苯乙烯链段(硬段)聚集成三维结构分散于基质沥青中，提供材料足够的强度，聚丁二烯嵌段(软段)可使共聚物具有良好的弹性，从而有效改善了沥青的温度敏感性。由于沥青感温性能对沥青混合料摊铺、碾压效果产生明显影响，但沥青针入度指数PI的温度范围(15℃~30℃)，能否反应其混合料摊铺、碾压过程中的温度敏感性需进一步研究。

　　120℃~180℃温度区间内，加入增塑剂和树脂的改性沥青黏流活化能降低，降幅分别为13.1%和3.2%，根据黏流活化能定义可知其大小反应材料对于温度的敏感性，而非黏度的大小，因此表明2种改性剂有利于改善基质沥青在120℃~180℃区间内的温度敏感性，其中增塑剂的效果更好，使沥青混合料的摊铺、碾压控制温度范围更宽泛，延长有效碾压时间;SBS改性沥青的黏流活化能比基质沥青提高了9%，表明加入SBS改性剂后的沥青在120℃~180℃区间内温度敏感性增强，即在其混合料摊铺、碾压过程中需要更高的施工温度及更精准的施工工艺控制。

　　随温度下降，各沥青劲度模量S值增大，蠕变速率m值降低，低温抗变形能力减弱。对比基质沥青，加入树脂的沥青S值增大，m值减小，导致沥青的低温抗变形能力下降，这与树脂的玻璃化温度有关，材料在玻璃化温度以下时脆性增强，且随温度的降低进一步增大，由于树脂的玻璃化温度较高(80℃~110℃)，导致其沥青的低温性能较基质沥青更差，在试验温度条件下S值分别提高了53%、64%、69%。

　　加入增塑剂和SBS改性剂的沥青在试验温度条件下的S值减小，m值增大，表明这2种改性剂可以改善沥青的低温性能，但改善机理并不相同，其中增塑剂可通过自由体积理论[10]解释，由于增加分子末端功能基的数目有利于自由体积扩大，而增塑剂的分子相对于聚合物小，可增加末端功能基的数目，且增塑剂自身玻璃化温度较低，因此分子的自由体积增大，玻璃化温度降低。

　　SBS改性剂则是由于含有聚丁二烯段(软段)通过与沥青发生交联反应改善沥青的低温性能。不同试验温度条件下2种改性剂的改善效果也不相同，-12℃和-18℃时对于沥青的低温性能改善效果优于SBS改性剂，在-24℃时的改善能力与SBS已没有差别，即温度影响增塑剂的改善效果。

　　化工论文投稿刊物：应用化工为适用性、综合性化工科技刊物，旨在传递和交流化工领域的先进经验和科研成果，适用技术，及时报道国内外化工科技动态和市场信息，注重为科研生产、成果转让，产品销售服务。

　　3结论

　　1采用针入度指数分析可知增塑剂、树脂和SBS改性剂均可改善基质沥青的温度敏感性;黏流活化能指标可评价沥青混合料在摊铺、碾压时沥青感温性能，有助于沥青混合料施工工艺控制与调整。

　　2通过DSR测量沥青复数剪切模量、相位角和多应力蠕变恢复等指标可知SBS改性剂在试验温度条件下明显提高了沥青的复数剪切模量，降低相位角;提高沥青恢复率，降低不可恢复变形量。

　　3对沥青低温试验结果分析表明，加入增塑剂和SBS改性剂可降低沥青的劲度模量S值，提高蠕变速率m值，有效的改善沥青低温性能，树脂则对沥青低温性能产生不利影响。

　　4比较不同改性剂对沥青性能改善程度，SBS改性剂对沥青高低温及感温性能均有显著提升。

　　参考文献：

　　[1]耿九光，陈帅，刘光军，等.不同材料对改善沥青与集料粘附性研究进展[J].应用化工，2019，48(9)：2175-2179.

　　[2]陈国顺，李雪坤，罗勇，等.多官能化SBS的制备及其在沥青中分散性研究[J].应用化工，2017，46(12)：2354-2357.

　　[3]聂鑫垚，姚鸿儒，李政，等.C9石油树脂对高黏度改性沥青性能的影响[J].石油学报(石油加工)，2019，35(1)：176-182.

　　[4]丛玉凤，李茂平，徐磊，等.C9石油树脂改性沥青的研制[J].辽宁石油化工大学学报，2015，35(1)：16-19.

　　作者：王枫成