橡胶改性沥青.docx
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橡胶改性沥青
橡胶改性沥青
纯粹的沥青不适合现代化的交通和道路。
这就有了工程师被迫改性沥青以提高沥青在使用期间性能的现象。
目前沥青的改性有两种方法：
化学改性和物理改性。
因此就有化学改性剂和物理改性剂。
在物理改性剂中最有趣的就是聚合物改性剂（热塑性塑料．橡胶和热固性塑料）。
橡胶是非常好的沥青改性剂。
在这项工作中，非硫化橡胶被加入了沥青中。
与基沥青相比，共混物具有较高的中间表现。
改进后的性能具有更低的渗透度和较高的软化点。
低温性能例如Ｆｒａｓｓ破点却并没有提高。
用来估计沥青性能的新公式利用传统的Ｆｒａｓｓ球和环实验来介绍。
与沥青不同的是，共混物的形态取决于橡胶的兼容性和流变性能。
在沥青混合物中聚丁二烯形成了连续相。
这是由于这种橡胶与沥青的相容性观察。
由于聚合物和沥青的相容性较小，丁苯橡胶和天然橡胶形成聚合物分散在沥青中。
伊朗高分子学报，１１１１（５），２００２，３０３—３０９
引言
纯粹的沥青不适合现代化的道路，在服务期间经历了太多类型的失败。
这就是对改性沥青领域感兴趣的原因。
经过很多实验室和现场测试后，很多材料被用来修改沥青的性能和属性。
两种类型的改性方法已经开发出来：
化学改性和物理改性。
在化学改性剂中，像是酸和金属氧化物都用来做改性剂。
由于沥青的结构非常复杂，用来修饰沥青的化学品并未商业化。
添加到材料中的物理改性剂不会与沥青发生任何化学反应。
因此，在物理改性中，沥青的化学结构是不会被该变的。
表格1橡胶的性能【13】
橡胶
绿色橡胶穆尼在１００℃的粘度（毫升１＋４）
含油量（％）
苯乙烯键（％）
最终延长度
（３５分钟固化）
PBR1220
SBR1502
SBR1712
SMR20
41-49
46.0-58.8
42-52
~90*
0
0
0
5
0
22.2-24.5
22.5-24.5
0
----
<350
<530
--
（*）由穆尼流变实验确定
除了对聚合物沥青，沥青的化学成分和性能据此变化。
聚合物的吸收能力或者是吸收某些沥青成分的能力，是聚合物负责对兼容性的观察。
像热固性塑料，热塑性塑料，热塑性弹性体和橡胶等不同的被用于改性沥青的聚合物，后者似乎更具有吸引力。
尽管热塑性弹性体如苯乙烯—丁二烯—苯乙烯或其氢化形式和弹性体如乙烯—醋酸乙烯共聚物都是好的沥青改性剂。
由于价格低廉，橡胶是改性剂的首选。
事实上，沥青应该在不同的温度和负载条件下保持气物理和流变特性常数不变，并且在搅拌温度下（165℃）转变成一种低粘度的低温流体。
这种类型的沥青叫“理想的沥青”。
在一个狠=很宽的温度范围内，常流变性能与橡胶的行为相对应［８］。
结论就是橡胶能够很好的改变沥青的性能。
因此，下面要介绍多种类型的橡胶沥青（PBR,SBR和groundtire橡胶乳胶等）［1-3，9-11］。
在目前的交流中，我们报告了国内三大合成橡胶和一个性能等级的本地精制沥青的性能和使用性能。
实验
物料
四种类型的橡胶被应用：
第一种是聚丁二烯（PBR120，阿拉克石油化工有限公司，阿拉克，伊朗），另外两个分别为苯乙烯—丁二烯随机嵌段共聚物（SBR1502和SBR1712，新华社伊玛目石化公司）和第四类天然橡胶（SMR20）。
表格1列出了不同橡胶的可用性能。
来自德黑兰炼油厂的A-40和60/70渗透级别的沥青被用作基沥青而且所有必要的修饰都列在表格2中。
程序
在混合前将橡胶切成小块混入沥青中。
混频器组件如图1所示。
为了将橡胶和沥青混合，混频器要加热到170℃然后再将预熔沥青转入。
在混频器开始工作之前调整到中速（700RPM），在最开始的5分钟之内将橡胶加入。
此后，要在较高的转速下（1200RPM）搅拌20分钟。
表格2德黑兰炼油厂60/70渗透级别沥青组成［14］。
饱和分（%）
芳香分（%）
极性芳烃（%）
沥青质（%）
38.1
39.38
35.43
10.26
在搅拌过程的结尾，搅拌机在低速运行时，用来做球和环实验以及渗透度的样品从搅拌机的排水阀中取出。
其余的样品放在金属罐中冷却，做Frass实验和光学显微镜实验的样品就从这部分混合物中取得。
常规沥青测试根据的是伊朗国家标准（2950，2951和3867）。
样品的形貌是从蔡司显微镜和光学显微镜中看到的。
a-主高速电机b-粉碎头c-螺旋搅拌机d-混合容器e-排水阀
图1调音台的示意图
沥青渗透指数的计算利用下面的公式：
在这个阶段我们只能使用常规测试的设备，所以没有办法去测定沥青的性能。
在过去，我们在战略公路研究和沥青软化点中发现了经验公式【1，5】。
下面列出的是第一部分的公式：
因此
另一种想法已经合并是为了能够在北美交通系统的温升标准和Frass打破点之间找到任何类型的相关性。
一些试验数据已经可用［1，5-7］。
因此，上述部分的第二个方程已经提出［12］。
因此，过去的一些方程完全能够用传统的沥青检测设备。
应该注意到的是，这些方程的结果与北美交通系统的数据不完全兼容。
因此，评价其正确性也可以用北美交通设备完成。
结果与讨论
常规测试
40穿透级别沥青和其混合物的常规测试结果总结在表格3中。
空白沥青的性能和使用性能也列在表格中。
在搅拌过程中这对于减少沥青的老化效应是有利的。
使用上面介绍的公式，我们用常规检测设备就能估测沥青的性能等级。
这是第一次在这里报道出来。
但这并不是精确的方法。
在有北美交通设备的情况下只能是粗略的估测沥青的性能。
然而，对于来自德黑兰炼油厂的40穿透级别沥青，估计是PG=70-16。
在混合的条件下，空白沥青显示了较低的普及率和较高的软化点。
与基沥青相比，这导致了渗透指数为负数，这不是有利的。
然而，由于Frass温度的上升，这种沥青的渗透指数已经更改为PG=76-10。
在表格3中我们可以看到，与原来的那些沥青相比，基沥青中只有PBR1220的软化点和Frass突破点提高，渗透度降低。
然而，这个组合的性能优于控制沥青。
例如，更高的渗透和软化点和更低的Frass点导致了积极的PI和PG=82-10。
与控制沥青相比，这些意见转化为低温敏感性和一个性能等级的提高。
表格3沥青性能
样品
25℃下的渗透（0.1mm）
软化点（℃）
Frass破点
（℃）
渗透指数
性能等级
40基沥青
控制沥青5%PBR1220
5%SBR1502
5%SBR1712
5%SMR20
39
20
32
38
24
26
54
60
65.2
67.4
62.1
64
-8
-5
-5.5
-7.6
-3.7
-5
-0.625
-0.769
0.969
1.733
0.157
0.435
70-16
76-10
82-10
82-10
82-4
82-10
令人吃惊的方面是，在SBR1712中观察到了很不好的性质。
事实上，这种共聚物并不是纯粹的共聚物，它里面含有一定的油量（5%）。
扩大橡胶的原因是在含有油的情况下橡胶更容易加工。
然而，这种添加剂在沥青中起不到积极的作用，使得沥青在低温下变得脆弱且导致了PG=82-4。
形态学观察有助于解释这一点，因为它就是解释形态部分。
沥青中的SBR1502团在高温回收的一致性结果引起了性能等级的改善（PG=82-10）（见表格3）。
这种混合的PI位于+1附近，这或多或少对铺路有好处。
通过一系列的观察，在这种混合物中最高的渗透和软化点彼此交融。
这可能导致形态部分组成的纯度发生变化。
天然橡胶是含有一定量杂质的高分子聚合物。
由于这些巨型橡胶分子分散在沥青中，这并不是容易的事。
然而，实验室中的高剪切混合器能够把SMR20分散在沥青中。
产生的混合是非常脆弱而且易碎的。
这应该是和最初沥青吸收了SMR20中的某些成分有关。
任何油的存在都会使沥青变得脆弱［5，6，9］。
这个结果是积极的PI（+0.435）和性能的PG=82-10级。
可以明确的看到，由于橡胶油的吸收，使得沥青在低温下变得脆弱。
为了克服这个缺点，可以使用一些石油馏分油，像是真空沥青油的底油，以弥补其损失。
图25%PBR基地沥青中的分散状态
图35%SBR1712在基地沥青中的分散状态
传统测试的结果和对60/70渗透级别基础和控制橡胶改性的的PG测试结果列在表格4中。
我们可以注意到，与40穿透级别的沥青相比，在低温条件下60/70基沥青有更好的性能。
然而，这种沥青的PI为负数，PG也不超过90。
在没有任何聚合物改性剂加入的情况下搅拌，控制沥青的性能与基沥青的性能是非常不同的。
表格460/70沥青及其改性形式的不同属性
样品
25℃下的渗透（0.1mm）
软化点（℃）
Frass破点
（℃）
渗透指数
性能等级
40基沥青
控制沥青5%PBR1220
5%SBR1502
5%SBR1712
5%SMR20
64
37
50
30
34
33
49.5
63
69.5
63
65
68
-12
-9
-8
-12
-7
*
-0.754
0.909
2.765
0.526
1.111
1.538
64-22
85-16
88-16
82-22
82-10
88-?
（*）测试是不可能做到的。
与40穿透级别的沥青相比在性能和使用性能等级几乎有相同趋势是：
观察这些沥青。
与控制沥青相比，新增的PBR1220在高温下提高了一个性能等级，在低温下仍然保持着对橡胶存在的敏感性。
这可能和对沥青亲和力强的PBR有关。
这反过来又导致在更高的Frass温度下或更低的温度下沥青变得脆弱。
SBR1520中包含一些芳香部分，可以吸收不同的沥青成分，导致沥青耐低温热裂解。
表格5橡胶和沥青的溶解度参数【1】
聚合物或沥青
溶解度参数
聚丁二烯
聚苯乙烯
天然橡胶
丁苯橡胶
沥青
8.4
9.1
8.1
8.4-9.1*
8.4-9.3
（*）实际值取决于苯乙烯键的含量%
然而，这种无规共聚是无法控制沥青改善沥青的高温性能。
与基沥青相比，如果是这种混合，在高温下PG能够提高三个层次的等级，而在低温下没有任何变化。
这是一个优势，并挑出最好的混合来制定。
意想不到的是，SBR1520在低温下性能恶化。
我们注意到，在高温下SMR20的性能有很好的提高。
比较表格3和表格4中的结果，更软的60/70沥青混合物有更高的软化点。
在表格4中，即使是控制沥青也有较高的软化点。
这清楚的显示了基沥青不同组分之间的差异。
形态学
如图2-5所示的测试橡胶沥青在介质中的分散状态。
我们观察到，PBR1520形成了连续相，而其它的分散在了沥青中（图2）。
这种差异实质上是和沥青中溶解度较高的PBR有关。
由于它们的溶解度参数（表格5），其它橡胶形成了聚合物包裹体（图3-5）。
在两种SBR之间有明显的差异。
SBR1502比SBR1712能形成更细的颗粒。
这可能主要是由于SBR的门尼粘度（见表格1）。
由于SMR20具有较大的流变性能，所以在沥青中，与其它的橡胶相比有较大的粒径。
这可能是由于在低温下聚合物改性沥青产生的低渗透和和橡胶在低温下产生的脆性。
图45%SRB1502在基础沥青中的分散状态
图55%SMR在基础沥青中的分散状态
结论
四种不同类型的橡胶包括合成橡胶都被加入到沥青中并且研究了其性能。
基于所得到的成果，聚丁二烯在沥青中形成了连续相，通过提高一致性使得在高温下沥青的性能提高。
SBR和其它的橡胶是不同的。
SBR1712能提高沥青的高温性能，但是也使沥青在低温下变得更脆弱。
这可能是因为共聚物中有添加剂的存在，例如炭黑等。
然而这种共聚物提高了沥青在高温下的性能。
SBR1502恢复基沥青的所有属性以提高其在高温下的性能。
天然橡胶会使沥青变硬，这使得沥青在高温下性能更好，但在低温下会变得更脆弱。
所有这些观测表明，除了适当的油，例如重型真空污水和真空底部，以弥补被聚合物吸收的部分沥青。
这将减少沥青的低温脆性。
这些橡胶软沥青共混物有较强的渗透和较高的软化点。
关于两个混纺系列的PG，第二个系列更好些。
建议的公式非常容易使用，在不使用昂贵的仪器的情况下就可以用来估计沥青的性能。
鸣谢
笔者非常感谢伊朗聚合物和石化研究所协助购买和捐出部分原材料和搅拌设备。
笔者还感谢萨迪克先生对于共混物研究的所有帮助。
参考
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2.沃尔特，艾德，热搅拌沥青的废物利用，ASTM特别技术出版1193，（1993年）.
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世界道路协会，PIARC，303号，三（1999年7月）。
4.烃类粘合剂，高等国营篷，魁北克，1月21-24日（1992年）。
5.卡迪和罗伊·C“残留的热解油对聚合物改性沥青性能的影响”，燃料，70,975-986（2000年）。
6.卡迪和罗伊C“综合沥青粘合剂：
再生聚乙烯改性剂对柏油路的影响”，民用工程，12,113-123（2000年）。
7.卡迪和约瑟夫“稳定铺平组成提高高温性能和低温性能”，美国专利6359033,3月19日（2002年）。
8.迪利和威斯布朗，塑料加工中的熔体流变：
理论与应用，范·莱茵霍尔德，纽约（1990年）。
9.约瑟夫，“聚合物改性铺路沥青“伊朗高分子研究所，研究项目报告编号798CH366（2001年）。
10.海特滋曼，“设计和制造含有胶粉改性剂的沥青”，运输铺路设备，1399号，1-8（1992年）。
11.安伯德尔曼和卡本特，“胶粉改性沥青和与水泥相互作用的机制”，运输研究记录，编号1661,106-113（1999年）。
12.约瑟夫，“新型高分子共混物改性沥青”，第一次全州建筑研讨会，玛时哈德，伊朗，10月16-17日，19-27（2001年）。
13.聚合物，石化商业有限公司（2000年）。
14.纳兹波尔，硕士论文，阿米尔卡比尔理工大学，德黑兰，伊朗，（1992年）.
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