基于不同稳定剂掺量对SBS改性沥青储存稳定性的试验研究

朱 坤,孟宪越,高 辉,王 琳,马在勇,耿丽娟,武瑞甜,罗航宇

(1.长春工程学院,长春 130012; 2.吉林省土木工程抗震减灾重点实验室,长春 130012;3.吉林省寒冷地区住宅工程建筑技术研究中心,长春,130012)

0 引言

改性沥青作为道路工程建设应用最广泛的材料,需求量巨大,但改性沥青的资源较少,较难获得,且其应用到路面工程的质量问题尚未得到充分解决,这就更加需要我们去改善现在已有的配合比方案,并择取最优方案来进一步解决各种路面问题。

SBS 改性沥青主要是通过在基质沥青中掺入SBS改性剂,经过搅拌等过程制备而成,能够达到改善沥青性能的目的。因为聚合物改性沥青很难与基质沥青充分融合,并且两者的相互联系也较为脆弱,这样就会对沥青的储存稳定性造成很大的影响,而且这类问题属于聚合物改性沥青的通有问题,因此,需要对改性沥青的储存稳定性进行改善。

1 改性沥青的制备流程

1)通过已有的改性沥青为研究基础,制备符合本试验标准的基质沥青。

2)将已经准备好的基质沥青加热至160 ℃,将其搅拌均匀,按体积掺量比为6%的基质沥青的量取SBS作为改性剂,按体积掺量比为3%的基质沥青的量取芳烃油作为增溶剂,混合于烧瓶中。

3)将已经取好的基质沥青、芳烃油以及SBS充分搅拌1 h。

4)搅拌完成后,将其放入烤箱中,静置烘烤30 min,通过烘烤使得SBS和芳烃油能够在基质沥青中充分溶解。

5)烘烤完毕,SBS和芳烃油充分地溶解在了基质沥青之中,然后倒入相应的容器内。改性沥青制备完成。

使用过氧化二异丙苯(DCP)、间亚苯基双马来酰亚胺(PDM)和过氧化氢异丙苯这3种稳定剂以不同比例制备SBS改性沥青。3种稳定剂样品如图1～3所示。

图1 过氧化二异丙苯

2 SBS改性沥青稳定剂的工作原理及作用

2.1 工作原理

改性沥青中都会掺入相应的相容剂和稳定剂,相容剂会使SBS在改性沥青中分布得相对均匀,但由于物理作用,SBS与沥青相互之间的作用力会下降,伴随着作用力的下降,使得掺入相容剂的SBS改性沥青在长期储存时,SBS与沥青之间产生相应的聚变以及离析现象。

图2 过氧化氢异丙苯

图3 间亚苯基双马来酰亚胺

2.2 稳定剂的作用

稳定剂的作用机理就是使SBS相应的分子之间以及分子与沥青之间产生起稳定作用的化学键,使得外加相容剂与沥青之间产生的物理作用,能够不再产生聚变以及相互离析的现象,使SBS改性沥青能够在稳定剂以及相容剂的作用下达到更佳稳定的效果。

SBS在改性沥青中所起到的稳定作用的主要产生方式在于稳定剂在SBS之间产生相应的交联反应,能够使SBS自身之间连接得更加牢固,另外一个主要的产生方式还在于SBS与沥青之间的接枝反应,同时,SBS在稳定剂的作用下,还可以形成自身的交联网络,相互联结,使SBS与沥青连接得更加紧密,并将其包裹在其中,阻止SBS与沥青在物理作用下分离。同时,SBS与沥青可以进行交互反应,但这种反应仅仅局限在接触面之间,而反应的生成物在表面可以起到活性剂的作用,降低表面张力,以有效防止SBS与沥青之间因为物理作用而产生的相互分离以及聚集的现象。

3 置备实验

试验的样品为不添加稳定剂和添加不同体积分数的稳定剂,分别以3%、5%、7%来进行相应的对照试验,具体试验样本见表1。首先将制备好的改性沥青的样品放入一定规格的铝管中,在高温163 ℃的条件下放置2 d,再继续将其放入-5 ℃寒冷的条件中冷却4 h,将铝管中的上下两端试件分别取出来进行软化点试验以及针入度测试。通过软化点的差值,进一步对过氧化二异丙苯、间亚苯基双马来酰亚胺和过氧化氢异丙苯这3种稳定剂以及其不同的掺量对SBS改性沥青储存稳定性的影响进行研究。聚合物改性沥青离析试验样品如图4所示。

图4 聚合物改性沥青离析试验样品

试验样本见表1。

表1 试验样本

4 试验结果分析

按照前文试验设计与试验方案完成聚合物改性沥青离析试验,试验结果见表2。

从表2的数据可以看出:样本A为不加入任何稳定剂的SBS改性沥青,经过聚合物改性沥青离析试验,其上下部软化点差值为5.6 ℃,>2.5 ℃,不满足规范要求。上部针入度为36.8 mm,下部针入度为26.1 mm,针入度差值已经达到10.7 mm。

表2 聚合物改性沥青离析试验结果

导致软化点出现这种现象的原因是在过热的情况下,SBS改性剂的内部分子运动速度加快,而改性剂的相对密度又比基质沥青小,就会出现上浮聚集现象。其顶部试样富含改性剂,相弹性增大导致软化点增大,由于底部富含沥青相从而使软化点减小黏性点增大,这就导致了下部软化点明显低于上部软化点。

影响针入度的因素是多种多样的,温度、重量、冷却时间都会影响针入度的数值,若冷却的时间不够充分,便会使针入度的数值降低,进而影响沥青的性能,而由于上浮聚集现象的产生,同样也使得上部的针入度明显大于下部的针入度。

软化点差值试验结果分析如图5所示。

图5 软化点差值变化

从图5中可以发现,DCP、PDM、过氧化氢异丙苯这3种稳定剂都可以有效地对SBS改性沥青的储存稳定性起到明显的促进和改善作用。DCP与PDM在掺量为3%和5%的软化点差值下降较大,但当掺量提升至7%时,软化点的差值同时也提高较大。过氧化氢异丙苯的软化点差值在0～7%都呈下降状态。

所以,结合前述图文描述,在稳定剂掺量为0的情况下,SBS改性沥青软化点的差值相对较大,而随着稳定剂逐渐掺入,软化点的差值也会相对减小,但是DCP、PDM这两种稳定剂需要添加到一个适合的掺量,如果高于5%,其软化点差值继而会变大。

针入度差值变化如图6。由图6可见,在稳定剂掺量为0～5%时,针入度差值会随着稳定剂掺量的增加而减小,而在掺量为5%～7%时,针入度差值会随着稳定剂掺量的增加而增加。由此可见,3种稳定剂在不同掺量状态下针入度差值以掺量为5%的过氧化二异丙苯为最佳,在其他掺量的条件下都处于较高的状态。

由前述条件可以得出,当DCP的掺入量为5%时,改性沥青的针入度差值最小,结合图5稳定剂掺量对软化点差值变化的对比,可以看出改性沥青针入度差值也可以反应改性沥青储存的稳定性,并且结合图5和图6可以得出,当稳定剂DCP的掺量为5%时,SBS改性沥青储存稳定性为最佳状态。

图6 针入度差值变化

5 结论

本文在确定了SBS改性沥青制备工艺的基础上,通聚合物改性沥青离析试验,使用过氧化二异丙苯、间亚苯基双马来酰亚胺和过氧化氢异丙苯这3种物质作为稳定剂,对SBS改性沥青的储存稳定性进行了研究,得到的主要结论:

1)添加过氧化二异丙苯(DCP)、间亚苯基双马来酰亚胺(PDM)和过氧化氢异丙苯的SBS改性沥青存储稳定性均优于未添加任何稳定剂的SBS改性沥青。过氧化二异丙苯、间亚苯基双马来酰亚胺和过氧化氢异丙苯均能有效改善其储存稳定性。

2)当这3种稳定剂掺量过少或者过多时,都会引起针入度的差值增大,同时也会引起DCP和PDM的软化点差值变大,而过氧化氢异丙苯的软化点会随着掺量的增大而减小。

3)当DCP的掺量为5%时,过氧化二异丙苯(DCP)的软化点差值以及针入度差值最小,所以,相较于其他两种稳定剂而言,过氧化二异丙苯(DCP)的掺量为5%时,其稳定性最佳。