废胶粉-SBS复合改性沥青研究进展.pdf

道路工程June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3期（总第2 8 2 期）山西交通科技废胶粉-SBS复合改性沥青研究进展张涛（山西交科公路勘察设计院有限公司，山西太原030032)摘要：介绍了废胶粉-SBS复合改性沥青的改性材料、制备工艺、作用机理及性能。改性材料与制备工艺会对复合改性性能产生显著影响，应控制胶粉、SBS与改性剂的类型及掺量，制备复合改性沥青采用高速剪切法，应采用合理的制备温度与剪切速度。胶粉与SBS在沥青中进行溶胀、脱硫、交联等物理作用后，形成三维网状结构，集合了SBS改性沥青、胶粉改性沥青的部分性能优势，相对于基质沥青性能有大幅度提升。鉴于复合改性沥青已取得长足研究进展，需进一步探索生产与施工工艺，优化存储稳定性和各方面性能。关键词：胶粉-SBS复合改性沥青；改性材料；制备工艺；改性机理；性能中图分类号：U414.75文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-35 2 8（2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 3Research Progress WasteRubberPowder-sposite Modified AsphaltZHANG Tao(Shanxi Jiaoke Highway Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032,China)Abstract:This paper introduces the modifying materials,preparation process,effect mechanism,andproperties of the waste rubber powder-SBS composite modified asphalt.The modifying materials and thepreparation process can significantly affect the composite modification performance,so the type and contentof rubber powder,SBS,and modifiers should be controlled.When using the high-speed shear method toprepare the composite modified asphalt,the temperature and shear speed should be reasonable.After thephysical effects of the swelling,desulfurization,and cross-linking of the rubber powder and SBS in theasphalt,a three-dimensional network structure is formed,which integrates some of the advantages of theSBS-modified asphalt and rubber powder-modified asphalt,and greatly improves the performance comparedwith the matrix asphalt.In consideration of the significant research progress of composite modified asphalt,itis necessary to further explore the production and construction technologies to optimize the storage stabilityand other properties.Key words:rubber powder-SBS composite modified asphalt;modifying material;preparation process;modification mechanism;performance0引言在国家“交通强国”战略的指引下，依靠科技创新和技术进步，我国的道路基础建设正在向绿色、耐久的方向快速发展。随着国家大力推进固体废弃物综合利用，胶粉改性沥青进一步广泛应用于道路建设。胶粉改性沥青在工程应用过程中出现不少问题，如黏度大、易离析、施工和易性差、低温性能无法达到预期效果等。而将胶粉与SBS进行复配，可以得到高性能的废胶粉-SBS复合改性沥青。废胶粉-SBS复合改性沥青在一定程度上降低了生产成本，提高了路用性能，有助于持续性地推进生态友好、集约高效的高质量交通建设。目前，废胶粉-SBS复合改性沥青的研究主要集中收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 9；修回日期：2 0 2 2-1 2-2 9作者简介：张涛（1 9 8 9 一），男，山西太原人，高级工程师，工程硕士，2 0 1 3年毕业于长安大学交通运输工程专业基金项目：山西交通控股集团有限公司科技项目（2 0 2 1-JKKJ-3）2023年第3期山西交通科技在以下方面：改性材料筛选、生产工艺优化、作用机理探索及性能研究等。张红兵 2 针对SBS-橡胶粉复合改性过程中使用的原材料进行优选，包括基质沥青、SBS、胶粉、改性剂，确定了原材料合理组成范围。尹业豪3采用不同工艺参数制备复合改性沥青，通过对高温性能、低温性能和相容性等进行评价，确定制备工艺。刘勇1 4 通过微观手段对复合改性沥青改性机理进行研究，胶粉在改性过程中发生溶胀，由颗粒变成网状，并有化学键打开，沥青与胶粉发生了接枝反应。国内外关于废胶粉-SBS复合改性沥青研究成果尚缺乏系统梳理，因此，本文对废胶粉-SBS复合改性沥青的研究进展进行梳理与总结，对复合改性沥青改性材料、制备工艺、作用机理进行详细阐述，以期为复合改性沥青性能深人研究与应用提供依据。1废胶粉-SBS复合改性沥青改性材料废胶粉-SBS复合改性沥青改性材料主要包括胶粉、SBS和改性剂等，改性材料会对复合改性沥青的性能产生显著影响1.1胶粉胶粉的种类、细度及处理工艺等均会影响与沥青的反应，进而对复合改性沥青性能产生影响。1.1.1胶粉种类制备废胶粉-SBS复合改性沥青的胶粉可分为废轮胎胎面胶粉（A级）、大货车斜交胎整胎胶粉（B级）、轿车子午胎整胎胶粉（C级）。由于轮胎胎面和货车轮胎中天然橡胶的含量较高，更易吸附沥青油分而形成连续的网格结构，A级胶粉和B级胶粉性能明显优于C级胶粉，从而获得更好的改性性能 5 ，宜采用天然橡胶含量较高的胶粉。张红兵研究表明，A级胶粉与SBS制备的复合改性沥青，高低温性能得到更好改善，建议在工程中使用C级及以上级别的胶粉。废旧卡车轮胎胶粉和废旧轿车轮胎胶粉，前者天然橡胶占比高，与沥青相容性良好，后者则由于含较多丁苯橡胶、纤维而相容性较差，采用货车轮胎胶粉（B级）制备的复合改性沥青，其在低温性能与施工和易性等方面具备优势1.1.2胶粉细度胶粉对复合改性沥青性能的影响体现在溶胀反应，目数大的胶粉更易吸收轻质组分溶胀。复合改性沥青采用的胶粉细度一般在2 0 8 0 目，就提升复合改性沥青性能而言，优选8 0 目胶粉，工程中大规模生产则推荐使用4 0 6 0 目。胶粉目数越大，与沥青相容性越好，低温抗裂性与储存稳定性越好，但高温性能和抗疲劳性能会降低 6 。胶粉过细会增加成本，且易团聚，在沥青中分散性不好，影响溶胀反应。1.1.3胶粉处理工艺胶粉掺量较大时，与沥青相容性差，复合改性沥青黏度大、施工和易性差、易离析，因此，对胶粉进行处理，改善其相容性非常必要对胶粉的处理主要是脱硫活化，将橡胶分子链中的部分硫键破坏，打开胶体的三维网状结构，提高天然橡胶含量，可以采用物理、化学和生物的方法进行脱硫。物理脱硫主要是采用微波、超声波、远红外等手段破坏橡胶网格结构。生物脱硫是通过微生物对橡胶进行分解降解，破坏网格结构7，生物法尚处于研究阶段，并未推广应用。近年来，国外对螺杆挤出机制备脱硫胶粉的工艺方法进行了系统深人研究，开发了成熟的工艺方法，脱硫效果好，易实现工艺化，具有研究和推广价值81.2SBSSBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，可在沥青中形成稳定的网状结构，改善复合改性沥青性能目前主要是按照分子间结合方式及分子量进行分类，即星型、线型两大类。线型SBS相对分子量低、易吸油溶胀、与沥青相容性好，复合改性沥青黏度小、低温性能及储存稳定性较好9；星型SBS分子量高、模量大，复合改性沥青高温性能好，但与沥青相容性差、黏度大0 。1.3改性剂在制备复合改性沥青时加人改性剂可提高储存稳定性。例如，加人相容剂能促进胶粉、SBS、沥青相容性，减少离析现象的发生，改善其低温性能，相容剂多为轻组分芳烃油类，如橡胶油、生物质油等；加人稳定剂可使沥青发生硫化反应、接枝物化，聚合物与基质沥青间形成相界面吸附层，并形成稳定的空间网络结构，从而提高复合改性沥青稳定性。改性剂掺量需控制在合理范围内，掺量过高反而降低改性效果，且会增加成本。2废胶粉-SBS复合改性沥青制备工艺目前，制备复合改性沥青主要采用高速剪切法，即在高温下，将一定量胶粉、SBS和改性剂加入沥青中，经过搅拌、剪切、发育，得到复合改性沥青。在此过程中，胶粉和SBS在沥青中发生溶胀，形成网状结构2.1废胶粉与SBS掺量当SBS定量时，随着胶粉掺量增加，复合改性沥青黏度、软化点会提高，而针入度降低；当胶粉定量时，随着SBS掺量增加，复合改性沥青黏度、软化点、延度会提高，针人度降低 1 2 。目前的研究与应用显示，SBS掺量一般在1%5%，推荐使用2%3%1 3；胶粉掺量范围波动较大，最高可超过4 0%1 4 2.2制备温度张涛：废胶粉一青研究进展2023年第3期在生产过程中，随着制备温度升高，复合改性沥青呈现出软化点、延度、弹性恢复性能先增加后减小的趋势。复合改性沥青的制备温度一般采用1 7 5 1 8 0，此时，胶粉吸收沥青轻质组分，与SBS在沥青中形成网状结构，储存稳定较好；温度过低，胶粉尚在溶胀，分子键未打开，没有与SBS共同形成网状结构，复合改性沥青的储存稳定性较差、延度较低；温度过高，胶粉过度脱硫，形成的网状结构反而被破坏，复合改性沥青虽具备较好的低温性能，但软化点和高温性能均降低2.3剪切速度随剪切速度提升，胶粉与SBS颗粒越小，与沥青相容性越好，溶胀越充分，对提升复合改性沥青的高温性能、低温性能和储存稳定性有利，一般建议采用剪切速度不低于4 0 0 0 r/min。3废胶粉-SBS复合改性沥青改性机理分析沥青机理的微观方法包括红外光谱法、荧光显微镜法、差示量热扫描法（DSC）、热重分析法（TG）等。3.1红外光谱分析曹昊楠1 4 对比了基质沥青、SBS改性沥青、胶粉改性沥青与复合改性沥青的红外谱图，4 种沥青的吸收峰基本相同，但在指纹区略有差异，SBS改性沥青和复合改性沥青在9 6 5 cm和6 9 8 cm处有明显的吸收峰，基质沥青此处无吸收峰，两处峰是SBS中聚丁二烯双键和聚苯乙烯苯环特征峰，因此，SBS改性沥青与复合改性沥青存在此特征峰。由此可见，复合改性沥青的改性过程为物理改性。3.2荧光显微镜分析贾彦 1 5 研究显示，基质沥青的荧光显微图像为连续相，SBS改性沥青中，SBS以微小颗粒形态分布在沥青中，而胶粉改性沥青中，胶粉以絮状形态分布于沥青中，复合改性沥青的图像包含了胶粉和SBS的基本特征，两种改性剂在沥青中溶胀，SBS颗粒与胶粉交联在一起，耦合形成网状结构，且二者在溶胀过程中相互促进，使其性能优于单一改性沥青3.3DSC分析靳可 1 6 研究表明，复合改性沥青的玻璃化转变温度低于基质沥青和SBS改性沥青，其吸热峰面积也是最小，说明复合改性沥青的低温性能最优，且热稳定性最好。通过微观方法研究可知，复合改性以溶胀+脱硫+交联为机理，提升使用性能。胶粉与SBS吸收沥青轻质组分溶胀、脱硫后，与沥青发生接枝反应，交联成网状更加稳定，此过程主要为物理作用。改性沥青的生产。4废胶粉-SBS复合改性沥青性能分析根据路用废胎胶粉橡胶沥青（JT/T798一2 0 1 9）技术要求，对基质沥青、SBS改性沥青、胶粉改性沥青和复合改性沥青的针人度、2 5 软化点、5 延度、135旋转黏度、离析软化点差、弹性恢复等性能进行对比分析。经过改性后，改性沥青的针入度显著降低，尤其是胶粉改性沥青在四者中下降幅度最大，SBS改性沥青和复合改性沥青针人度相差不大。与基质沥青相比，复合改性沥青的软化点提升最为显著，增幅将近5 0%，其次是SBS改性沥青，胶粉改性沥青增幅最小。基质沥青5 延度最低，胶粉改性沥青略有增高，SBS改性沥青和复合改性沥青延度则大幅度提升。在弹性恢复和离析软化点差方面，SBS改性沥青表现出绝对优势，复合改性沥青略差于SBS改性沥青，胶粉改性沥青弹性恢复性能最差，且存储稳定性不好。黏度方面，相对于基质沥青，3种改性沥青黏度均大幅度提升，尤其是胶粉改性沥青黏度最大，其次是复合改性沥青、SBS改性沥青。SBS改性沥青、胶粉改性沥青和复合改性沥青相对于基质沥青，性能均有不同幅度提高，胶粉和SBS在基质沥青中形成的三维网状结构使复合改性沥青集合了SBS改性沥青、胶粉改性沥青的部分特点。5结语a)复合改性沥青改性材料主要包括胶粉、SBS和改性剂等，改性材料会对复合改性沥青的性能产生显著影响，采用4 0 6 0 目C级以上胶粉，胶粉脱硫后与沥青相容性会提高，推荐使用线型SBS，合理控制改性剂掺量。b）制备复合改性沥青主要采用高速剪切法，在制备过程中需选择合适掺量的废胶粉与SBS，同时制备温度、剪切速度等工艺参数会对产品性能产生一定影响，建议制备温度在1 7 5 1 8 0、剪切速度不低于4 000 r/min。c)胶粉与SBS在沥青中进行溶胀、脱硫、交联后，形成三维网状结构，提高稳定性，此过程以物理作用为主。d)复合改性沥青集合了SBS改性沥青、胶粉改性沥青的部分性能优势，相对于基质沥青性能有大幅度提升。e)我国在废胶粉-SBS复合改性沥青的理论、技术和应用方面均取得很大研究进展，需进一步探索生产与施工工艺，优化存储稳定性和各方面性能，规范复合改性沥青的生产（参考文献下转第1 2 页）上接第3页）122023年第3期山西交通科技feu.k=87.343,+12.936 R=0.82580(10)feuk=822033-96633.-4837.2 R=0.9962(11)feu.k=-1599.3,2+1169.3,164.23 R2=0.8686(12)式中：feuk为立方体抗压强度标准值；.为砂率。综上所述，水泥用量和砂率两种因素均会对粉煤灰陶粒混凝土的强度造成影响。其中，水泥用量对强度的影响更为明显，最佳的水泥用量为4 0 0 4 5 0 kg/m，此时最佳砂率为0.4 5。4丝结论通过对不同配合比下粉煤灰陶粒混凝土的强度性能进行试验研究，分别研究水灰比、水泥用量、砂率3个因素对粉煤灰陶粒混凝土的强度性能的影响规律，通过灰色关联分析法确定了水泥用量和砂率的重要性系数，在此基础上分析了其对抗压强度的影响规律，得出以下结论：a)降低水灰比会导致粗骨料陶粒的提前开裂，造成混凝土的干缩，使混凝土结构易在较早龄期时出现开裂，故难以通过调整水灰比的方式来增强陶粒混凝土抗压强度。参考文献：1中国公路学报编辑部.中国路面工程学术研究综述2020J中国公路学报，2 0 2 0,33（1 0）：1-6 6.2张红兵，马吉倩，王威娜.SBS-橡胶粉复合改性沥青原材料优选研究 J.公路工程，2 0 2 0，4 5（3）：2 1 6-2 2 2.3 尹业豪.基于制备工艺参数的SBS/CR复合改性沥青性能研究 J西部交通科技，2 0 1 8（6）：2 5-2 9.4刘勇，顾兴宇，李志刚，等.胶粉/SBS复合改性沥青性能评价及改性机理 J.江苏大学学报（自然科学版），2 0 1 9，4 0（1）：1 0 8-113.5Rasool R T,Song P,Wang S.Thermal Analysis on the InteractionsAmong Asphalt Modified with SBS and Different Degraded TireRubber/JJ.Construction&Building Materials,2018,182:134-143.6Jiao Y,Zhang Y,Fu L,et al.Influence of Crumb Rubber andTafpack Super on Performances of SBS Modified Porous AsphaltMixturesJ.Rod Materials and Pavement Design,2019,20(1):196-210.7Myhre M.Rubber recycling JJ.Rubber Chemistry and Technology,b)在各龄期水泥用量对强度的重要性系数均大于砂率，随着龄期增加，水泥的重要性系数逐渐降低，砂率的重要性系数则呈现出先增大后减小的趋势，在龄期为2 8 d时，两者的影响持平参考文献：1 王帅.陶粒混凝土的试验研究 D.天津：天津大学，2 0 1 2.2杭美艳，曲树强，张冰.粉煤灰陶粒高性能轻骨料混凝土试验研究 J.混凝土与水泥制品，2 0 1 2（9）：1 4-1 7.D0I:10.19761/j.1000-4637.2012.09.004.3祁会军，张慧爱，李彦岗，等.粉煤灰陶粒混凝土的研究 J.水泥工程,2 0 2 2(1)：2 6-2 8,6 2.4刘增晨.高强轻集料混凝土的配制与性能研究 D.天津：天津大学，2 0 1 6.5董喜平，李红云，邹春霞.混杂纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究 J.硅酸盐通报，2 0 1 4，33（1 1)：30 2 6-30 31.D0I：10.16552/ki.issn1001-1625.2014.11.055.6张永霞。基于陶粒吸水返水特性的轻骨料混凝土性能研究 D福州：福州大学，2 0 1 3.7周明.内养护混凝土的研究现状 J.江苏建材，2 0 1 5（5）：1 6-1 8.8陈志刚.轻骨料混凝土微观结构分析J.科技风，2 0 1 0（9）：125,134.2002,75(3):429-474.8M Mouri,N Sao,H Okamoto.New Continuous Recycling Technologyfor Vulcanized RubberJJ.Poster Session,2000,28:269-273.9向丽.废橡胶粉/SBS复合改性沥青的机理和性能研究 D.青岛：中国石油大学（华东），2 0 1 1.10】杨凯，邢明亮，田俊壮，等.SBS与SBR胶粉复合改性沥青性能研究 J.公路，2 0 1 6.6 1(1 0)：2 0 6-2 1 1.11王志刚，杜英，向丽，等.废橡胶粉/SBS复合改性沥青制备研究 J石油炼制与化工，2 0 1 0，4 1（4）：2 7-30.12李关龙，王枫，匡民明，等.SBS/废胶粉复合改性沥青的性能 J华东理工大学学报（自然科学版），2 0 1 6，4 2（1）：2 1-2 7.13】宋亮，王朝辉，舒诚，等.SBS/胶粉复合改性沥青研究进展与性能评价 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