無機黏土對SBS改性瀝青性能的影響

龐瑾瑜，杜素軍，暢潤田

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

眾所周知，石油瀝青具有優良的黏結性和可塑性，因而該材料被用于道路鋪裝而廣泛使用。然而隨著交通運輸的迅速發展，載重量顯著提高，瀝青路面因載荷能力較小而易損壞。聚合物改性后的瀝青能明顯延長瀝青路面的使用壽命，其高溫抗流淌、低溫抗開裂的能力均明顯提高，耐候性和耐老化能力也增強，且與石料的黏附能力較強[1]。常用的聚合物改性劑可分為彈性體和塑性體，前者主要包括苯乙烯類嵌段共聚物，如 SBS、SBR、SIS、SE/BS 等，這一類物質抵抗永久變形的能力較強，可以恢復到原來的形狀；塑性體主要有 PE、EVA、APP、EPDM 等，其抗永久性變形能力不如彈性體，但是具有早期強度[2]。其中，SBS改性后，瀝青具有高溫不軟化，低溫不發脆的特點，而且使用溫度范圍寬、力學性能好，從而成為目前國內外使用最廣泛的一種聚合物改性劑[3]。然而，SBS和瀝青的相對分子質量、化學結構和組成均存在很大的差別，容易出現離析分層現象[4-5]。

針對SBS改性瀝青儲存穩定性差的問題，科研工作者已開展了大量研究，從中可以發現，通過相容劑和穩定劑的加入可以明顯改善SBS改性瀝青的儲存穩定性[6-8]。近幾年，一些科研工作者基于無機黏土的獨特結構和性質，將其作為瀝青改性劑進行了研究，意外地發現這類無機物可以明顯提升瀝青路面的高溫性能、抗老化性以及耐磨性；隨后的研究中還發現，無機黏土可以降低基質瀝青與SBS之間的密度差，可以用作改性瀝青的穩定劑。隨著相關研究工作的進一步推進，已有一些研究者將無機黏土加入SBS改性瀝青中，但相關研究還不夠充分，有待進一步擴展。Ouyang等選擇混入高嶺土，發現該體系的高溫穩定性得到極大的提升，尤其是當高嶺土和SBS的添加比例在1∶3左右時，效果最明顯[9]。Galooyak等將蒙脫土作為交聯劑加入SBS改性瀝青中，目的在于將SBS分子之間相互剝離，從而使SBS更好地分散在瀝青中，這樣便可以提升改性瀝青的儲存穩定性；研究還發現，蒙脫土的摻量選擇合適時，其加入不會降低SBS改性瀝青的其他性能[10]?；谝陨涎芯楷F狀，本文中考察了3種無機黏土，硅藻土、膨潤土和蒙脫土，考察了它們在不同摻量下對SBS改性瀝青的性能影響，為這類新型的瀝青添加劑的推廣使用奠定一定的理論基礎。

1 實驗部分

1.1 原料

瀝青采用殼牌90號，其性能指標見表1。

改性劑為巴陵石化產的SBS YH-791，苯乙烯含量為30%。硅藻土、膨潤土和蒙脫土為佛山市南海官窯官中化工廠所贈小樣。

表1 殼牌90號基質瀝青的性能指標

1.2 改性瀝青的制備

將基質瀝青加熱至140℃，加入5%的SBS，在170～180℃、轉速3 000 r/min下剪切攪拌20 min，隨后加入無機黏土，在160～170℃、轉速3 000 r/min下剪切攪拌20 min，制得改性瀝青。其中，無機黏土的摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.5%。

1.3 性能測試

改性瀝青的軟化點、針入度、延度分別按照GB/T 0606—2011、GB/T 0604—2011、GB/T 0605—2011的規定進行測定。改性瀝青的儲存穩定性通過離析實驗進行考察，按照GB/T0661—2011的規定進行測定。

2 結果與討論

為了更好地比較不同含量、不同類型的無機黏土對SBS改性瀝青性能的影響，將軟化點、針入度、延度以及離析軟化點差對無機黏土摻量作圖，詳細結果見圖1～圖4所示，未加無機黏土的結果也在圖中分別示出。

由圖1可以看出，加入無機黏土之后，軟化點均顯著升高，大都超過70℃。硅藻土和蒙脫土均在摻量為1.0%時，軟化點最高，膨潤土則在1.0%摻量下的軟化點最高。隨著無機黏土摻量的增加，軟化點在達到最大之后降低，尤其是蒙脫土作為無機黏土時，降低幅度較大，但仍然高于60℃。軟化點大幅提升的原因可能是無機黏土和基質瀝青的某些組分及SBS發生交聯反應，同時降低相界面的界面張力，增加兩相之間的親和力，使改性瀝青中的聚合物相與基質瀝青相之間形成一層比較厚的相界面吸附層，增大瀝青的黏度，從而升高軟化點。

圖1 改性瀝青軟化點隨無機黏土摻量的變化情況

圖2示出了改性瀝青針入度隨無機黏土摻量的變化情況，3種無機黏土加入后，針入度隨摻量的增加其變化趨勢相同，針入度均先減小后略微增大，在摻量為1.5%時，針入度最小。此外，從圖中可以發現加入無機黏土后，針入度均比未加無機黏土的低，其中膨潤土降低針入度的能力最高，其次是硅藻土。結合軟化點結果，這3種無機黏土加入后，軟化點明顯增大，針入度則明顯減小，這便可以認為在無機黏土加入后，改性瀝青的高溫穩定性得到了明顯改善。

改性瀝青的延度隨無機黏土摻量的變化情況如圖3所示，延度大都先增加后減小，含有硅藻土和蒙脫土的改性瀝青在摻量為1.0%時達到最大值，含有膨潤土改性瀝青的延度最大值則在1.5%處；含有硅藻土改性瀝青的延度整體大于其他兩種無機黏土的樣品；加入無機黏土后，延度均較未加無機黏土時的小，只有硅藻土的摻量為1.0%時與該值相近。值得說明的是，雖然加入無機黏土之后，延度大都比未加無機黏土的低，但是這些數據仍滿足JTG F40—2004中改性瀝青技術指標的要求，且所制備樣品的延度均大于38 cm。

圖3 改性瀝青延度隨無機黏土摻量的變化情況

由圖4可以看到離析實驗中軟化點差隨無機黏土摻量的變化結果，軟化點差隨摻量的增加大都無序變化，且離析現象較明顯；只有硅藻土加入后，離析不很明顯，且在1.0%和2.5%摻量下的離析軟化點差小于1℃；隨著蒙脫土摻量的增大，離析現象不明顯，在摻量為2.5%時，滿足JTG F40—2004中的要求。硅藻土有望分布于SBS和瀝青的交聯網絡中，從而產生如下效果：a）硅藻土顆?？梢援a生一定的空間位阻作用，阻礙SBS分子鏈聚集，從而改善離析現象；b）硅藻土能通過分子間作用力，與SBS和瀝青形成許多交聯點，由于這些交聯點的存在，一方面改善SBS和瀝青之間的相容性，另一方面對SBS和瀝青分子鏈產生一定的約束力，從而提高SBS改性瀝青的高溫穩定性、溫度敏感性及綜合力學性能。因此，在SBS和瀝青的混合體系中加入適量的硅藻土，對于改善SBS與瀝青的相容性和改性瀝青的貯存穩定性等性能是有利的。

圖4 離析軟化點差隨穩定劑摻量的變化情況

3 結論

通過考察硅藻土、膨潤土和蒙脫土加入后，對SBS改性瀝青性能的影響，發現添加所選3種無機黏土后，a）在很小的摻量下便可顯著升高軟化點，并降低針入度，很大程度上提升了瀝青的高溫穩定性；b）延度略微降低，均大于 38 cm，滿足JTG F40—2004中的要求；c）出現離析現象，只有硅藻土和蒙脫土在一定摻量下具有良好的高溫儲存穩定性。鑒于目前施工中瀝青大都直接攪拌改性后使用，不存在高溫儲存的問題，而這3種無機黏土的加入可以明顯提升瀝青的性能，且制備簡便，對設備要求低，因此有望得到推廣應用。