复合改性沥青密封胶的组成优化及性能研究_夏慧芸.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.51 No.6June 2023华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）复合改性沥青密封胶的组成优化及性能研究夏慧芸 杨浩田 卢昌杰 宋莉芳 牛艳辉（长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064）摘要：改性沥青类密封胶修补效果优异、生产成本较低，已被广泛应用于裂缝修补，但仍存在黏结性、柔韧性和耐久性不足的问题。热塑性硫化硅橡胶（TPSiV）兼具有硅橡胶结构稳定、耐候性佳和热塑性聚氨酯高强度、高弹性等优势，表现出优异的黏结性、耐久性、柔韧性以及高低温稳定性。本研究以90#基质沥青为主要原料，首先采用糠醛抽出油（FEO）对TPSiV进行预溶胀处理，再采用高速剪切法，通过添加苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、废旧胶粉（CR）、CaCO3等改性剂，制备得到一系列高效复合改性沥青密封胶。系统研究SBS、TPSiV、CR掺量和CR粒径对改性沥青密封胶各项性能的影响，最终通过密封胶全套的路用指标对配方进行验证。采用软化点差值法表征了该密封胶的热储存稳定性，用荧光显微镜和扫描电子显微镜观察了TPSiV和TPSiV改性沥青的微观结构，采用傅里叶红外光谱（FTIR）对沥青改性前后的红外光谱进行了表征。结果表明：SBS掺量的增大显著提高了其高温性能，推荐掺量为3%；TPSiV提高了密封胶的柔韧性和粘结性，最佳掺量为3%；随着CR粒径减小，高温性能提高，低温性能下降，选择40目作为最佳粒径；随着CR掺量增加，改性沥青高温性能得到改善，最佳掺量为22%。该密封胶最佳配方SBS TPSiV CR CaCO3 FEO质量比5 3 22 5 3，满足储存稳定性要求；TPSiV具有粗糙的表面结构，表面附着有硅橡胶微粒，有利于后期与沥青粘附，且TPSiV在复合改性沥青中分散均匀，TPSiV复合改性沥青中化学改性和物理改性同时存在。关键词：热塑性硫化硅橡胶；沥青密封胶；道路裂缝；热储存稳定性；低温性能中图分类号：TU533文章编号：1000-565X（2023）06-0136-10沥青路面在服役过程中由于材料老化、车辆荷载和气候环境等影响，经常会出现裂缝病害，如不能得到及时修复，雨水极有可能侵入基层，降低基层承载力，甚至对道路整体结构造成损坏，极大地缩短道路使用寿命。和其他密封胶相比，改性沥青类密封胶具有易施工和成本低等优点，已被广泛应用于裂缝修补1-2。但该材料在修补后长期暴露于自然环境当中，受到紫外线、高温和氧气的交互作用导致其发生老化现象，如黏结性、耐老化性和柔韧性变差，从而影响其修补效果。因此，如何提高沥青类密封胶的黏结性、柔韧性和耐老化性是裂缝修补材料急需解决的关键问题之一3-4。沥青改性类密封胶主要由基质沥青、胶粉、各种聚合物、软化剂、填料等组成5-6。废旧胶粉doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220540收稿日期：20220822基金项目：浙江省交通厅科技项目（2021012）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（300102310301，300102311404）Foundation items：Supported by the Science and Technology Project of Zhejiang Provincial Transportation Department（2021012）and the Special Fund for Basic Scientific Research of Central Universities of Changan University（300102310301，300102311404）作者简介：夏慧芸（1981-），女，博士，副教授，主要从事交通功能材料研究。E-mail：第 6 期夏慧芸 等：复合改性沥青密封胶的组成优化及性能研究（CR）改性沥青具有良好的抗变形和抗裂能力。但CR与沥青的相容性较差，且CR的耐高温性不佳，从而缩短了CR改性沥青的使用寿命7-9。此外，由于CR吸收沥青的轻组分发生溶胀，因密封胶的流动性降低，实际使用效果受到影响6。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）是目前应用较成熟的改性剂，由于 SBS在沥青内部交联，形成稳定的三维网络结构，使得改性沥青兼具耐高温性和高弹性，但仍存在耐久性差的问题10-12。以SiOSi形成的硅橡胶材料具有优异的耐候性、耐高低温性能和防水性能13，已被用于裂缝修补。如美国Rashed14研发出一种有机硅改性沥青胶黏剂，应用于裂缝防水，大大提高了与沥青基层的粘结强度。Al-ani15研究了硅橡胶改性沥青的性能，与对照组相比，硅橡胶的改性不仅增加了马歇尔稳定性、空隙率，而且提高了沥青混合料的柔韧性。Akbulut等16制备并研究了硅橡胶改性沥青的性能，发现硅橡胶最佳掺量为3%，且改性沥青的柔韧性和耐久性都得到大幅提升。热塑性硫化硅橡胶（TPSiV）是硫化硅橡胶颗粒分散在聚氨酯基体中形成的具有“海-岛”结构的有机硅弹性体，皆具聚氨酯和硅橡胶的性能，因此TPSiV具有良好的耐高低温性、耐磨性、柔韧性、耐紫外光、黏结性和耐化学品特性，预期这些特点可以弥补SBS/CR复合改性沥青密封胶性能的不足17-18。综上，本研究通过添加TPSiV、SBS和CR，制备一种具有优异高温稳定性和柔韧性的环保道路沥青密封胶，在利用废橡胶制品的同时进一步发挥TPSiV的优异性能。采用软化点、锥入度、延度和黏度等指标对改性沥青密封胶的稳定性、高低温性能、黏结性等方面进行了评价，最后利用扫描电子显微镜（SEM）和红外光谱对密封胶进行了微观表征。1实验材料1.1实验原材料基质沥青：海韵牌90#道路石油沥青由山东京博石油化工有限公司生产，作为路面密封胶的基质沥青。试验过程参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程标准试验方法（JTG E202011）。基质沥青的技术指标见表1。线性SBS购自岳阳巴陵石化有限公司，型号为1301-1（YH791H），S/B嵌段比为30/70。CR购自中国陕西宏瑞橡胶有限公司，粒径分别为20、40、60和 80 目。TPSiV 购自美国道康宁公司，型号为4000-60A，基体为型聚氨酯，技术指标见表2。稳定剂为硫磺，软化剂为FEO，填料为硬脂酸改性纳米重质CaCO3。1.2复合改性沥青密封胶的制备首先用液氮将 TPSiV 淬冷后通过粉碎机粉碎10 min，再 用 标 准 筛 筛 分，得 到 最 大 粒 径 为0.16 mm 的破碎颗粒，将抽出油加入到粉碎后的TPSiV颗粒，高速剪切并在140 条件下保温30 min得到TPSiV改性剂。改性沥青密封胶的制备工艺如下：温度保持140，将250 g 90#基质沥青加热至流体状态；加入TPSiV改性剂，温度保持190，采用高速剪切机5 000 r/min剪切60 min；将SBS和胶粉先后加入沥青中，保持温度为 180，以 5 000 r/min剪切 60 min；加入硫磺稳定剂，先高速剪切5 min分散均匀，之后低速搅拌反应25 min；向上述样品中添加CaCO3颗粒，温度控制在160，以4 000 r/min的剪切速度剪切60 min；在170180 烘箱中发育180 min，制备得到硅橡胶改性沥青密封胶，制备工艺流程如图1所示。表190#基质沥青技术指标Table 1Technical index of 90#matrix asphalt指标软化点/针入度（25，100 g，5 s）/0.1 mm延度（15，5 cm/min）/cm针入度指数RTFOT质量变化RTFOT残留针入度比（25）RTFOT残留延度（10）/cmRTFOT残留延度（15）/cm试验结果44.3 90150-1.5-0.2%59.3%99.1标准值44 80100100-1.51.0-0.80.8576实测值实验方法T 06062011T 06042011T 06052011T 06042011T 06102011T 06042011T 06052011T 06052011表2TPSiV基本技术指标Table 2Basic technical specifications of TPSiV指标密度/（g cm-3）弯曲模量/MPa泰伯耐磨性/mg拉伸强度/MPa100%定伸应力/MPa断裂伸长率/%硬度（邵氏A，15 s）溶体流动速率/（g （10 min）-1）试验结果1.122.4895.22.26006220试验方法ISO 1183ISO 178ASTM D1044ISO 37ISO 37ISO 37ISO 868ISO 1133137第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）1.3试验方案本 研 究 的 改 性 沥 青 密 封 胶 基 础 配 方 SBS TPSiV CR CaCO3 FEO质量比为5 3 20 5 3，分别研究了SBS掺量、TPSiV掺量、CR粒径以及CR掺量对改性沥青密封胶软化点、锥入度、5 延度、弹性恢复率和黏度的影响。选取SBS掺量为沥青质量的1%、2%、3%、4%和5%，TPSiV掺量为沥青质量的 1%、2%、3%、4%和 5%，CR 粒径为 20、40、60和80目，CR掺量为沥青质量的16%、18%、20%、22%和24%，通过对比性能与成本确定CR粒径和SBS、TPSiV以及CR最佳掺量。最终通过全套加热型密封胶指标验证，得到TPSiV改性沥青密封胶配方，具体试验中各组分掺量配比如表3所示。本研究共制备单组分硅橡胶改性沥青、TPSiV/SBS/CR复合改性沥青密封胶和抽出油处理TPSiV后的TPSiV/SBS/CR复合改性沥青密封胶3种样品，对离析软化点进行了测试，并对比研究了3种样品的热储存稳定性。通过SEM和红外光谱测试TPSiV颗粒和硅橡胶复合改性沥青密封胶的微观结构以及与沥青的相互作用。2实验方法2.1密封胶路用性能5 延度和软化点试验方法参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）测试19。5 延度表征的是改性沥青在低温条件下的变形能力、软化点表征的是改性沥青高温性能。锥入度、弹性恢复率、流动值和低温拉伸根据路面加热型密封胶（JT/T 7402015）标准测试20-21。锥入度表征密封胶抗异物嵌入能力，弹性恢复率表征密封胶弹性性能，流动性表征密封胶的高温性能，低温拉伸同时表征密封胶低温柔性和粘结性。180 黏度采用上海盛世慧科公司生产 NDJ-1型旋转黏度计，取适量沥青放入试管中，试样在180 下进行黏度测试。采用 3 号转子，转速为50 r/min。180 黏度表征改性沥青施工和易性。2.2密封胶热储存稳定性热储存稳定性依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202019）中离析软化点差进行测试，将熔融的沥青倒入离析试管中，在163 下放置48 h，然后立即置于-10 条件下的冰箱中，保持温度静置4 h，设置温度要求在（-65），将离析管剪成 3等分，取顶部和底部的试样测试软化点22。2.3密封胶微观结构表征为了分析硅橡胶与沥青的相容性，本研究选用扫描电镜（SEM）对淬冷破碎TPSiV颗粒进行微观表征，分析TPSiV整体形状与表面形貌。扫描电镜设备为日本天美公司的日立SU8000。采用德国 Zeiss 公司生产的 Axiovert 200型荧光显微镜对TPSiV单组分改性沥青以及硅橡胶复合改性沥青的微观形貌进行观察，以蓝光为激发光源。表3密封胶配比方案优化Table 3Optimization of sealant ratio scheme份研究因素SBS掺量TPSiV掺量CR掺量基质沥青100100100100100100100100100100100100100100100SBS123455555555555TPSiV333331234533333CR20202020