王 明，余紅偉，馬?；ǎ?徵

(1.海軍工程大學理學院 化學與材料系，湖北 武漢 430033；2.平頂山市環(huán)境監(jiān)測中心站，河南 平頂山 467000)

瀝青混合料是各級道路建設用材之一，近年來，隨著公路運輸負荷越來越大，對瀝青綜合性能也提出了更高的要求，改性瀝青能有效地改善路用性能，因而其研究與應用越來越受到人們的關注。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段聚合物改性瀝青是目前應用較為廣泛的聚合物改性瀝青之一[1]，但是由于不飽和鍵的存在，SBS改性瀝青在較為惡劣的光熱條件下性能下降較快，極大地影響了道路使用壽命[2]。將SBS進行選擇加氫后得到的SEBS用于瀝青改性，在提高耐光氧老化、高低溫等綜合性能方面比SBS更優(yōu)，不足之處在于原料昂貴，摻量不宜太大，SEBS改性瀝青的推廣應用受到較大限制[3]。因此從降低SEBS摻量和保證瀝青的改性效果角度出發(fā)，研究SEBS的最佳摻量及剪切溫度十分必要。

1 實驗部分

1.1 原料

基質瀝青：70#，廣東茂名石化有限公司；SEBS：YH-501型，岳陽石化有限公司；糠醛抽出油、WD-7型穩(wěn)定劑等助劑均為市售品?；|瀝青和SEBS的基本性能指標分別如表1和表2所示。

表1 70#基質瀝青性能指標

表2 岳陽石化公司SEBS基本性能參數

1.2 儀器設備

電熱恒溫水溫箱：HS-2型，北京市永光明儀器有限公司；針入度試驗器：SYD-2801C型，上海恒勤儀器設備有限公司；軟化點儀：SYD-2806E型，上海恒勤儀器設備有限公司；延伸度儀：SY-1.5B型，低溫型，河北迪奧試驗儀器有限公司；掃描電鏡：TM-3030型，天津科學儀器有限公司；高速剪切乳化機：弗魯克/FM300，上海恒勤儀器設備有限公司。

1.3 SEBS改性瀝青制備

(1) 人工勻化處理：將基質瀝青放入180 ℃的烘箱中加熱融化，恒溫30 min后加入SEBS及糠醛抽出油，人工攪拌10～20 min得到初產物。

(2) 剪切乳化：將初產物在160～180 ℃下高速剪切30 min，轉速設定為5 000 r/min，而后加入WD-7型穩(wěn)定劑，人工攪拌10 min。

(3) 二次發(fā)育：將所得產物放入180 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育1 h，制備完成。

1.4 性能測試

瀝青延度按照GB/T 4508—2010進行測定，拉伸速度為5 cm/min，溫度為15 ℃；針入度按照GB/T 4509—2010進行測定，溫度為15 ℃；軟化點按照GB/T 4507—2014進行測定，鋼球質量為3.52 g，加熱速度為5 ℃/min。

2 結果與討論

通過分析SEBS改性瀝青的相關特點，結合國內外已有的研究成果[4-5]，設定SEBS的摻量分別為3%、4%、5%、6%、7%(質量分數)，剪切溫度分別為160 ℃、165 ℃、170 ℃、175 ℃、180 ℃。通過測定改性瀝青的相關性能指標確定SEBS的最佳摻量及剪切溫度。

2.1 15 ℃時延度實驗

改性瀝青延度隨SEBS摻量、溫度的變化曲線如圖1所示。

(a) SEBS摻量

溫度/℃(b) 剪切溫度圖1 不同SEBS摻量、剪切溫度下改性瀝青的延度曲線

從圖1(a)可以看出，改性瀝青的延度隨SEBS摻量的增加呈現出先增大后減小的變化；當SEBS摻量為5%、剪切溫度為175 ℃時，改性瀝青的延度達到最大值66.7 cm。原因是SEBS在瀝青的輕質組分中溶脹后形成相互“包埋”的空間網絡結構，在外力作用下容易產生平行形變而使外界應力得到有效消散，延度增大，當進一步提高SEBS的摻量，溶脹達到飽和，過量的SEBS粒子游離在瀝青之中，低溫固化后產生微區(qū)、孔洞，在拉力作用下極易形成裂紋，導致改性瀝青的延度下降[6]。從圖1(b)可以看出，相同SEBS摻量的改性瀝青，隨著剪切溫度的升高，其延度值逐漸增大，在170～175 ℃達到最大值后呈現出逐漸降低的變化趨勢，原因是溫度升高使瀝青發(fā)生老化。

2.2 針入度實驗

標準針垂直穿入瀝青試樣的深度值即為瀝青的針入度，反映了瀝青在具體測試溫度下的稠度，針入度越小，表明瀝青的硬度越大[7]，25 ℃時針入度實驗結果如圖2所示。

w(SEBS)/%(a) SEBS摻量

溫度/℃(b) 剪切溫度圖2 不同SEBS摻量、剪切溫度下改性瀝青的針入度曲線

從圖2(a)可以看出，剪切溫度一定，隨著SEBS摻量的增加(摻量為3%～6%)，改性瀝青的針入度急劇下降。這是因為SEBS對瀝青中輕質組分進行吸附，進而發(fā)生溶脹，并在物理交聯的作用下形成穩(wěn)定的三維網絡結構，當SEBS摻量進一步增加，溶脹達到飽和，瀝青針入度下降趨勢逐漸變緩，因此，對SEBS的摻量應控制在6%以內，摻量過高，體系黏稠度太大，不利于分散施工，同時成本也變高。

從圖2(b)可以看出，在SEBS摻量一定的條件下，改性瀝青的針入度隨著剪切溫度的升高逐漸減小，剪切溫度的升高，促進了SEBS與瀝青的溶脹，物理交聯作用更加充分。剪切溫度超過175 ℃后，改性瀝青發(fā)生了一定程度的老化，針入度急劇增大。

2.3 軟化點實驗

軟化點是瀝青混合料的高溫指標，用來表征瀝青的高溫穩(wěn)定性。本實驗采用環(huán)球法，鋼球質量為3.52 g，實驗結果如圖3所示。

w(SEBS)/%(a) SEBS摻量

溫度/℃(b) 剪切溫度圖3 不同SEBS摻量、剪切溫度下改性瀝青的軟化點曲線

從圖3(a)可以看出，隨著SEBS摻量的增加，改性瀝青的軟化點也呈現出急劇上升趨勢，表明SEBS對改性瀝青軟化點的提高效果明顯。從圖3(b)可以看出，隨著剪切溫度的提高，相同SEBS摻量下的改性瀝青軟化點相差并不大，可見剪切溫度對軟化點的影響較小，相互協(xié)同作用并不明顯。進一步增加SEBS摻量，提高剪切溫度，改性瀝青的軟化點趨于平緩。從節(jié)約成本的角度出發(fā)，SEBS的摻量應控制在6%以內，并選取較低的剪切溫度。

2.4 SEBS改性瀝青最佳工藝的確定

在最佳剪切溫度的選取上，從改性瀝青延度、軟化點、針入度的變化規(guī)律可以明顯看到，170 ℃、175 ℃條件下各項性能指標相差不大，故從經濟性考慮，從溫度最低的角度出發(fā)，確定改性瀝青的最佳剪切溫度為170 ℃。

選取剪切溫度為170 ℃，結合圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)，SEBS摻量為5%、6%時的各項性能指標如表3所示。

表3 2種SEBS摻量在170 ℃條件下的瀝青性能指標

由表3可知，SEBS摻量為 5%與6%時的延度值基本相同，而提高16.7%的SEBS摻量，針入度提高不到1.7%，軟化點下降3.4%，故在保證改性瀝青效果的基礎上，從節(jié)約SEBS原料、追求效益的角度出發(fā)，應選取SEBS的摻量為5%為宜。

2.5 瀝青改性前后的微觀形貌

瀝青的微觀形貌及改性劑的分布情況如圖4所示。

(a) 基質瀝青(×1 000)

(b) SEBS摻量為5%的改性瀝青(×1 000)

從圖4(a)可以看到，基質瀝青均勻分布，表面較為致密，大體符合均相結構的特征。經SEBS改性后的瀝青，表面有眾多SEBS粒子，經擴散作用與瀝青構成亞穩(wěn)態(tài)的兩相界面過渡層[8]，如圖4(b)所示。在圖4(c)中的較高放大倍數下，觀察到SEBS和瀝青之間的界面層非常模糊，幾乎消失不見，SEBS顆粒和瀝青之間沒有明顯的界限，這種較好的相互黏結復相結構，極大地提高了改性瀝青的抗變形能力。經高速剪切作用，SEBS顆粒與其它改性助劑能較均勻地分布在瀝青中，形成相互纏結的網絡結構，使改性瀝青高低溫延度性能得到明顯改善。

3 結 論

(1) 提出了SEBS改性瀝青的制備工藝，其主要包括了人工均勻化、剪切乳化、溶脹、二次發(fā)育等過程。

(2) 確定了SEBS改性瀝青的最佳剪切溫度及SEBS摻量。

(3) SEBS顆粒通過與瀝青中輕質組分相互溶脹，形成相互纏結的互穿網絡結構，進而改善瀝青高低溫性能。

參 考 文 獻：

[1] 張小林，程金星，陶影，等.新型熱塑性彈性體SEBS及其改性的研究進展[J].彈性體，2005，15(6):72-76.

[2] 錢春香，解建光，王鴻博.SBS和SEBS改性瀝青及混合料抗老化性能[J].東南大學學報(自然科學版)，2005，35(6):945-949.

[3] 王明，余紅偉，魏徵.橡膠粉/SBS復合改性瀝青研究進展[J].彈性體，2016，26(2):86-90.

[4] SAMUEL ZAPIEN CASTILLO，RIVERA-ARMENTA J L，CHAVEZ-CINCO M Y，et al.Physical and rheological properties of asphalt modified with SEBS/montmorillonite nanocomposite[J].Construction & Building Materials，2016，106:349-356.

[5] POLACCO G，MUSCENTE A，BIONDI D，et al.Effect of composition on the properties of SEBS modified asphalts[J].European Polymer Journal，2006，42(5):1113-1121.

[6] 鄭傳峰，陳浩，蘇俊省，等.SEBS改性瀝青實驗研究[J].公路工程，2011，36(2):34-37.

[7] 高軍，佘萬能.新型熱塑性彈性體SEBS[J].化工新型材料，2004，32(4):21-24.

[8] OUYANG C，WANG S，ZHANG Y，et al.Thermo-rheological properties and storage stability of SEBS/kaolinite clay compound modified asphalts[J].European Polymer Journal，2006，42(2):446-457.