基于MSCR的胶粉_SBS复合改性沥青储存稳定性研究.pdf

2023年6 月石油沥青PETROLEUMASPHALT第37 卷第3期基于MSCR的胶粉/SBS复合改性沥青储存稳定性研究马亮（甘肃华灵建设工程有限公司，兰州7 30 0 30）摘要：通过常规试验、基于MSCR试验的离析率指标分析了胶粉处理方法、胶粉掺量以及密炼加工对8 种不同的胶粉/SBS复合改性沥青热储存过程中稳定性的影响，并利用光学显微镜观察微观结构进行验证。结果表明：经过密炼加工处理后，再生胶粉/SBS复合改性沥青储存稳定性显著提高，再生胶粉优于常规胶粉与SBS复合改性沥青。3种复合改性沥青的储存稳定性随胶粉掺量的增加而逐渐衰减。光学显微镜表明密炼加工会使得SBS与脱硫降解后的再生胶粉相结合从而改善改性沥青的热储存稳定性，并验证了基于MSCR试验提出的离析率指标对复合改性沥青储存稳定性的评价具有可行性。关键词：道路工程储存稳定性多应力蠕变恢复试验复合改性沥青脱硫胶粉荧光显微镜在国家经济建设迅速发展的大背景下，橡胶沥青主要以旧轮胎加工后的胶粉和基质沥青复合而成，能够消耗大量的废旧轮胎，真正实现废旧轮胎资源的高效利用。同时橡胶的掺入降低了沥青对温度的敏感性，与基质沥青相比，橡胶沥青具有更卓越的性能，应用于路面结构面层的前景广阔。然而现有橡胶沥青作用机理仍属于物理改性范围，细小的胶粉粒子在助剂的帮助下吸附沥青中的轻质油分产生溶胀并生成交联网络，无法从本质上改变胶粉与基质沥青热力学不相容性。研究指出 ：一方面，胶粉比沥青具有更高的密度，容易从沥青中析出，在沥青表面结皮；另一方面，橡胶沥青在高温环境中不断地搅拌将会产生降解或破坏，以至于在工程中经常出现分层以及与集料的黏附力不足等关键问题，极大的阻碍了橡胶优越性能的有效发挥。基于上述考虑，研究者提出事先对胶粉进行脱硫降解，降低沥青与橡胶之间的差异性：文献2 对比了普通橡胶沥青和脱硫橡胶沥青在不同储存时间条件下的稳定性试验，发现长时间高温剪切乳化后的脱硫橡胶沥青具备较好的存储稳定性。与此同时，徐思田等3 从动力学角度出发，考虑到橡胶颗粒密度通常大于石油沥青，而SBS的密度通常小于石油沥青，通过化学方式对橡胶颗粒进行部分活化处理，并利用密炼技术实现SBS/橡胶的复合，可综合改善胶粉、SBS与沥青的相容性，有望大幅提升橡胶沥青的品质及存储稳定性。综上可知，沥青的热存储对沥青的运用意义重大，而有效传统的沥青胶结料储存稳定性方法主要有离析试验法、显微图像法以及红外光谱法，其中离析试验是规范采用的试验方法，根据改性沥青顶部和底部的环球软化点之差来判定是否离析，该方法具有操作简单、成本低廉的优势。不少学者指出离析试验1.4 存在许多不足，如采用的试管过小、骤然冷却这一操作等与工程实际显然不同，可能无法良好地评价聚合物的离析存在。试验室沥青稳定性试验（LAST法）是对软化点离析试验的改进，可以随时用吸管取出顶部和底部的沥青试样，通过温度扫描试验测定收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 8。作者简介：马亮（19 8 3一），男，本科，工程师，主要从事公路施工与养护工作。E-mail：6 2 32 17 57 9 q q.c o m第3期顶底部样本动态剪切模量或相位角的比值来评价其稳定性。然而G*、的测试是在固定的应变水平、固定频率下进行，作用时间短，并且不同样本在不同时间内G*、发生的变化非常小，难以得到准确率较高的数据，因此需要新的存储稳定性的评价方法5胶粉/SBS复合改性沥青能充分发挥胶粉与SBS的优势，有助于今后沥青往高性能方向发展，但现有改性沥青储存稳定性评价方法并不能准确评价胶粉/SBS复合改性沥青的性能。为此，制备了8 种胶粉/SBS复合改性沥青，采用多应力蠕变恢复试验（MSCR）重新定义了离析率的概念来评价胶粉处理方法、胶粉掺量以及密炼技术对再生胶粉复合改性沥青热储存过程中高温稳定性的影响，并利用显微镜对典型复合改性沥青样品的微观结构进行分析，以验证离析率评价指标的可行性并了解再生胶粉SBS复合改性沥青的热储存稳定性能改进原理。1原材料与试验方法1.1再生胶粉及复合改性沥青的制备在再生胶粉的制备中，所用胶粉为卡车轮胎胶粉，胶粉的粒径为40 目，将其浅度裂解后脱硫降解制成再生胶粉。在复合改性沥青的制备中，将再生胶粉分别以2 0%、2 5%、30%的比例掺人基质沥青中，随后投人4%的SBS改性剂，通过高速剪切搅拌法制备复合改性沥青，从而获得较为均匀、稳定的分散体系，据此制备而成的样品为Z-20%、Z-25%、Z-30%。同样的通过高速剪切搅拌法，将普通胶粉与SBS沥青复合改性后制备的样品为J-20%、J-2 5%，其中因为J-30%样品在制备过程中出现过于黏稠、流动性较差等原因难以制备出沥青样品。另外一系列沥青为事先运用密炼加工技术，在力化学作用30 min后使得SBS与再生胶粉结合制备复合改性粒子，随后投人基质沥青，由此制备的沥青定义为M-20%、M-2 5%、M-30%沥青样品。1.2试验方案1.2.1基于离析试验的 MSCR试验采用现行规范6 中的聚合物改性沥青离析试验，将制备好的复合改性沥青注人竖立的试样铝管中，置于16 3的烘箱加热48 h，而后缓慢马亮.基于MSCR的胶粉/SBS复合改性沥青储存稳定性研究区域代表胶粉，如图1。图1显微镜成像2结果与讨论2.1离析试验分析研究制备的8 种沥青样本的离析试验结果如表1所示。可见，胶粉处理方法、胶粉掺量以及密炼加工均对复合改性沥青的储存稳定性有显著影响。经过密炼技术的再生胶粉SBS复合改性沥青的软化点差值最小，普通胶粉/SBS复合改性沥青的软化点差值最大。这可能是因为密炼加工的使用及胶粉的预脱硫处理均能促进胶粉的溶胀，提高胶粉与沥青的相互浸润，从而改善复合改性沥青的储存稳定性。在相同类型的复合改性沥青中，其软化点差值均随着胶粉掺量的增大而增大。这说明复合改性沥青中胶粉的掺量是有限的，当其超过2 0%15取出放人冰箱中冷却4h使其固化，取出截成3段，采用动态剪切流变仪待其回软后，取其顶部及底部两段试样进行MSCR试验，以两段样品的蠕变恢复率之差进行其热储存稳定性的分析。1.2.2荧光扫描试验采用落射式显微镜，光源从样品上方射入，观察胶粉在沥青中的分布情况。由于显微镜系统可以发出不同波段的激发光，在蓝紫光区段，不饱和烃中的不饱和键受激发后会发出相应黄色荧光，所以SBS吸收沥青中的轻质组分会呈现黄色。而富沥青质不会被激发出任何光，呈褐色，橡胶粉颗粒大部分呈黑色，但少部分由于与SBS形成结构相容而呈现亮度较弱的黄色。综上，本试验拟定采用蓝紫光作为激发光源，并为了提高最后的成像对比度选用了红色与黑色两种对比色进行图像采集，其中亮黄色区域代表SBS，黑色SBS改性剂、胶粉16后，难以保证每个胶粉颗粒都充分吸收沥青溶胀，因此软化点差值反而增大，储存稳定性下降。但J-20%与J-25%样品的上部软化点几乎一致，这可能是因为两个样品中的SBS掺量基本一致，而SBS改性剂的密度比沥青小，均向上端浮动，故而产生类似的软化点。表1沥青样品离析结果软化点/样品名称下端M-20%81.3M-25%82.9M-30%82.5Z-20%73.2Z-25%76.7Z-30%90.5J-20%86.2J-25%95.62.2基于离析试验的MSCR试验对复合改性沥青储存稳定性的评价考虑胶粉的弹性较大，在高温时的变恢复能力显著高于沥青，因此本研究采用蠕变恢复率将不同胶粉含量的试样段有效区别开来。通过动态剪切流变仪DSR进行MSCR试验，在3.2 kPa应力水平下，采用7 6 试验温度，根据上下段的形变恢复率之差分析复合改性沥青的热储存稳定性，并定义离析率R。为：(R3,2)上部二(R3.2)下部Rs=（R3.2）下部其中，SUM 8,(3.2,N)R3.2=108,(3.2,N)计算得到各沥青样品的离析率如表2 所示。由表2 中数据可知，其中离析率R，最小的是密炼后再生胶粉/SBS复合改性沥青，离析率最大的是普通胶粉/SBS复合改性沥青；而在同类胶粉，相同密炼方式下，当胶粉含量从2 0%增加到30%时，离析率显著增加。这与离析试验结果相同，表明基于MSCR试验的离析率指标表征改性沥青具有可行性。进一步地，不同样品的形变恢复率R值差异明显，说明MSCR试验石油沥青对储存稳定性的评价更加准确，对软化点离析试验的改进有效。然而并不是所有的沥青样品下部形变恢复率R值都大于上部，可能是由于平行试验次数不够多，试验存在误差，也有可能是SBS与橡胶颗粒形成了较多的相容结构。由于SBS密度较小，因而原来密度较大的橡胶颗粒与之结合后不再沉积于盛样管的下部，而是游散于中部与上部，从而导致样品上部的形变恢复率更佳。上端差值80.61.781.01.980.02.569.14.170.66.675.115.466.519.765.430.2(1)for N=1 to 10(2)81-810100812023年第37 卷表2 沥青样品离析率沥青样品R3.2M-20%-上部94.98M-20%-下部95.32M-25%-上部94.58M-25%-下部95.45M-30%-上部90.34M-30%-下部94.27Z-20%-上部61.8Z-20%-下部56.63Z-25%-上部67.47Z-25%-下部75.38Z-30%-上部64.47Z-30%-下部75.38J-20%-上部57.79J-20%-下部71.6J-25%-上部51.14J-25%-下部41.282.3复合改性沥青的荧光显微镜试验根据以上沥青样品的离析结果，选择具有代表性且离析率差值较为的明显的三种沥青样品M-25%、Z-2 5%以及J-25%进行微观结构探(3)究，其荧光显微成像如图2 所示。(a)J-25%上部Rs/%0.360.924.859.1111.7216.9219.2923.89200m第3期图2 掺量2 5%离析试验前后微观图马亮基于MSCR的胶粉/SBS复合改性沥青储存稳定性研究20(b)J-25%下部(c)Z-25%上部(d)Z-25%下部200m(e)M-25%上部(f)M-25%下部17从图2 可以看出，亮黄色的区域代表了SBS，而黑色的区域则代表着橡胶颗粒，褐色的则代表着沥青。由于各个物质之间产生了一定的交联，或多或少有一些结合，因而各个颜色之间存在渐变色。其中2（a）图中的黄色亮点是六幅图中最为明显的，且黑色、褐色色块较少，这也表明了普通胶粉/SBS复合改性沥青样品离析后，样品上部主要是密度较小的、未能与橡胶粉末或者沥青相结合的游离SBS，仅有少量褐色、黑色点缀其中。2（b）图中主要是红黑色调，多为大粒径胶粉代表的黑色色块。2（c）图中仍有黄色光斑，但是主要呈现橘红色，且胶粉代表的黑色色块较小且色彩偏浅，说明离析后的再生胶粉/SBS复合改性沥青上部中一定含量的再生胶粉与SBS互相牵引结合。2（d）图中黑色色块较多，但其中也夹杂着亮黄色光斑，这表明在样品的下端仍然存有自由游离的SBS且数量明显大于普通胶粉复合改性沥青的下部样品。2（e）、2（f）图中图像十分相像，亮黄色的SBS与黑褐色再生胶粉、红色沥青色块相结合，期间夹杂了一些较大的黑色色块。根据上述分析可知：（1）普通胶粉在SBS含量为4%的SBS改性沥青中的实际溶解度可能并没有达到2 5%的量，因此离析后的普通胶粉/SBS复合改性沥青上部几乎不存在黑色色块，且黄色光斑较大。这说明所使用的普通胶粉溶解度不高，在复合改性沥青中存在一部分的胶粉仅充当了填充物，而不能发生化学交联，未能真正起到复合改性的作用。（2）脱硫再生后的胶粉与普通胶粉相比可能产生了更多的自由基，与SBS发生了一些微弱的、部分的结合，并在沥青中分散。密炼后的再生胶粉/SBS复合改性沥青样品中，由于密炼时的高温高压以及强力剪切，使得SBS产生自由基，与脱硫降解后的胶粉自由基相结合，更为分散、均匀的分布在沥青样品中。（3）软化点离析试验认为当上下部软化点之差小于2.5时，改性沥青的储存稳定性较好。基于此，本研究通过对比离析试验及MSCR2m试验提出当采用离析率指标时，低于5%的样品具有较好的热储存稳定性。（4）胶粉/SBS复合改性沥青的热储存稳定18性主要在于SBS、橡胶颗粒与沥青能否形成一个较为均匀、分散且稳定的物理介质。从荧光显微图像上可以看出橡胶颗粒以及SBS颗粒的尺寸、SBS与胶粉之间的相互连结、物质之间的密度差等都会影响着沥青样品上下部的具体成分，从而影响着沥青样品的热储存稳定性。因而提高复合改性沥青的热储存稳定性可以从减小SBS与胶粉颗粒尺寸、增加SBS与胶粉之间的连接作用、均匀分散物质减少密度差等方法入手。3结论本研究主要通过MSCR试验测得离析后的不同胶粉添加类型、胶粉含量及密炼技术等工艺条件的8 种沥青样品在高温条件下的变恢复率R值，定义了离析率的计算公式，并用荧光显微镜探究沥青样品微观结构，从而得出以下结论：（1）胶粉含量的增大、密炼技术及胶粉的脱硫处理都会使离析后的沥青样品上下部恢复率R值差距减小。其中M类型沥青样品离析率值最低，表明该类样品热储存稳定性最佳。（2）通过荧光显微镜对三个典型样品进行Study on Storage Stability of Rubber Powder/SBS CompositeModified Asphalt Based on MSCR(Gansu Hua Gui Construction Engineering Co.,Ltd.Lanzhou 730030)Abstract:The effects of rubber powder treatment method,rubber powder content and mixing processingon the stability of eight different rubber powder/SBS composite modified asphalt during thermal storage wereanalyzed by conventional test and MSCR test based on the separation rate index,and the microstructure wasverified by optical microscope.The results showed that after the dense refining process,the storage stability ofrecycled binder powder/SBS composite modified asphalt was significantly improved,and the recycled rubberpowder was better than conventional rubber powder and SBS composite modified asphalt.The storage stabilityof the three composite modified asphalt gradually decayed with the increase of rubber powder content.Lightmicroscopy showed that the mixing process could combine SBS with desulfurized and degraded recycled rubberpowder to improve the thermal storage stability of modified asphalt,and verified the feasibility of evaluating thestorage stability of composite modified bitumen based on the separation rate index proposed by MSCR test.Keywords:road engineering;storage stability;multi-stress creep recovery test;composite modifiedasphalt;desulfurized rubber powder;fluorescence microscopy石油沥青微观结构分析，验证了离析率指标可行性，并通过对比离析试验与 MSCR试验结果认为在离析率低于5%时，该样品有着较好的热储存稳定性。参考文献1姬杨蓓蓓，陈华鑫，鲍燕妮改性沥青存储稳定性试验方法与指标J】：同济大学学报（自然科学版），2 0 0 6（0 8)：10 35-10 39.2何亮，黄晓明，马育，等橡胶改性沥青储存稳定性试验研究J东南大学学报（自然科学版），2011,41(05):1086-1091.3徐思田，谢艳玲，朱亚琴，等高胶改性沥青的性能及应用研究J：石油沥青，2 0 19，33（0 3）：54-59.4吕伟民，孙大权，石红星，等聚合物改性沥青稳定性评价新方法J】中外公路，2 0 0 1（0 4）：51-52.5余四新，李细伟，吴学文试验室沥青稳定性试验评价J】中外公路，2 0 0 9，2 9（0 1）：19 6-19 9.6JT G E2 0 2 0 11，公路工程沥青及沥青混合料试验规程【S：北京：人民交通出版社，2 0 11.MA Liang2023年第37 卷