SBR反应共混改性沥青制备及结构与热贮存稳定性能研究

论文摘要

聚合物改性沥青是近二十多年来发展起来的高等级道路材料,SBS、SBR改性沥青已被广泛应用于高速公路和机场跑道等高载荷和技术要求的使用环境。但传统的物理共混聚合物改性沥青不能满足使用要求,而通过化学交联反应进行改性,制备的沥青具有粘韧性好,高温性能好,抗车辙能力强,温度敏感性低,低温弹性好的特点,适用于在不同温度和高负荷环境下使用,克服了传统改性沥青性质不稳定,容易出现离析导致沥青性能变差的问题。本研究通过反应共混改性技术制备的SBR改性沥青低温玻璃化温度达到-35℃,低温弹性好,且高温性能也明显提高,抗车辙能力增强,能够适应温度范围在-35℃～69℃温度范围的使用要求。改性沥青热贮存稳定性好,不会出现离析现象。本研究选用不同牌号的重交沥青为基质沥青,使用线性SBS、星型SBS、丁苯橡胶SBR粉末为改性剂,进行了改性剂选择试验,并根据聚合物与沥青的相容性和改性效果,选择粉末丁苯橡胶PSBR-1500为主改性剂,开展改性沥青配方和制备工艺研究,成功研究开发出了符合交通部JTG F40-2004行业标准的SBR改性沥青配方及制备方法。本研究采用反应共混技术,通过筛选引入硫化剂、稳定剂和促进剂与SBR形成复合配方体系对基质沥青进行改性,在一定条件下引发高分子与沥青发生化学交联反应,形成了聚合物-沥青共聚物,并通过扩散、溶胀、吸附、交联等过程增强了改性剂与基质沥青的相容性,形成了均匀稳定的聚合物-沥青两相连续网状结构。制备的聚合物改性沥青的热储存稳定性良好,在高温（163℃）下贮存144h的软化点差为2.2℃,完全满足工业生产和使用要求。研究了配方对不同组成沥青的改性效果,讨论了沥青组成与性能的关系,结果表明,反应程度的强弱和机理对沥青组成的影响不同,硫化交联提高了沥青的胶质含量,而酸促进的硫化交联反应主要增加沥青质的含量,从而改善沥青的胶体结构,增强了沥青的热贮存和化学稳定性,沥青的高低温性能全面改善,本研究提供的改性配方具有很强的适应性,对性质差异很大的基质沥青均能得到满意的效果,达到改性沥青指标要求。本研究开发的改性沥青配方体系性能稳定,再现性好,可调性强,可根据沥青的软化点和延度对配方进行调整,制备出满足不同标准和使用要求的改性沥青。即使性质很差的基质沥青,如5℃延度为0的基质沥青（15℃延度为50cm ）,经改性后的5℃延度仍大于150cm（薄膜烘箱后达到75～150cm ）,玻璃化温度显著降低,达到-34.9℃,低温使用性能明显改善,不同沥青的玻璃化温度最低可达35.02℃。本研究采用IR、1H-NMR和13C-NMR、元素分析、GPC、DSC对改性沥青的结构与性能进行了分析表征,表明SBR与沥青之间确实发生了化学交联反应,形成了SBR-沥青聚合物,使改性沥青的分子量增大,改性沥青的高温粘弹性增大,玻璃化转化温度显著降低。用荧光显微镜和扫描电镜观察了改性沥青的微观形态结构随沥青制备配方及工艺变化的情况,结果显示热贮存性能稳定性好的SBR改性沥青形成了聚合物-沥青两项连续网络结构,反应共混改性增强了聚合物-沥青的界面强度,沥青则与聚合物通过交联、扩散、溶胀、吸附等过程以胶体状态均匀分布在网络周围。SBR在改性沥青中体系分散均匀,无离析现象发生,沥青的高温性能显著提高。本文系统研究了聚合物共混改性沥青在老化前后的动态流变性能。在基质沥青中加入一定量的SBR、XSBR、SBS,考察加入聚合物类型和加入量对基质沥青常规性能,以及-30～100oC范围内动态力学流变性能的影响。结果表明,加入粉末状的三种聚合物后改性沥青的常规性能,如薄膜烘箱前后的延度、软化点、粘韧性等都有明显改善,沥青的流变性能显著变化,改性沥青的复数模量G*和车辙因子G*/sinδ增大,高温下的tanδ降低,沥青对温度的敏感性降低,综合性能SBR>SBS≥XSBR。同物理共混SBR改性沥青相比,硫化剂和稳定剂的加入改善了低温下改性沥青的粘弹性能,使改性沥青的低温性能显著提高;同时沥青的高温性能也得到一定改善,粘度增大,沥青的复合模量提高,在高温区改性沥青的相位角和损耗因子变小（G*/sinδ=1000Pa下,抗车辙温度为70.86oC,tanδ小于5）,温度敏感性变小。本研究采用反应共混技术对SBR沥青改性,形成了独特的配方体系和制备技术,可根据基质沥青性质灵活调整配方组成,具有对不同基质沥青适应性强,改性效果好的特点。原料成本低,来源广泛,工艺过程无三废排放,符合绿色环保要求,有效解决了聚合物沥青热贮存稳定性差,易于分层的问题,且制备工艺简单,施工操作方便,应用前景广阔。本研究采用反应共混改性沥青制备技术解决了SBR改性沥青热贮存稳定性差的问题,研制的SBR改性沥青低温使用性能优良,高温性能也明显改善,拓宽了SBR改性沥青的使用温度范围。通过FT-IR、GPC、DSC分析,荧光显微技术和扫描电镜（SEM）进行形态结构观察,及剪切动态流变性能测试仪等手段,对改性沥青的形态结构和性能进行了表征和评价,系统研究了SBR改性沥青的流变性能,探讨了反应共混改性沥青的热贮存稳定机理。对SBR反应共混改性沥青制备技术、结构与性能分析,以及热贮存稳定性和动态流变性能的系统研究,目前尚未见国内外文献详细报道。

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摘要

Abstract

第一章反应性聚合物改性沥青制备技术及热贮存稳定性研究进展

第一节改性沥青概述

第二节聚合物改性剂和基质沥青的相容性

2.1 沥青的组成与性质

2.2 沥青的胶体结构

2.3 沥青的组分与相容性的关系

2.4 聚合物与沥青相容性的判断

第三节聚合物改性沥青的研究应用进展

3.1 改性沥青的种类与发展趋势

3.2 反应共混改性沥青技术的发展

第四节我国聚合物改性沥青的研究生产和应用

4.1 我国改性沥青的研究概况

4.2 SBR 改性沥青现阶段国内主要制备工艺

4.3 SBR 改性沥青的主要性能特点

第五节聚合物改性沥青研究的发展方向

5.1 提高改性沥青的热稳定性

5.2 研究聚合物改性沥青的结构形态

5.3 用重复蠕变试验评价沥青的永久变形能力

5.4 研究改性沥青的流变行为受到重视

5.5 通过反应共混技术改善沥青热贮存稳定性

5.6 聚合物和沥青的相容性和热贮存稳定机理研究

第六节改性沥青标准和评价方法研究

主要参考文献

第二章 SBR反应共混改性沥青的结构与性能及其热贮存稳定性研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同聚合物物理共混改性沥青性能评价研究

2.3.2 SBR 聚合物反应共混改性沥青试验研究

2.3.3 SBR 改性沥青配方优化及性能研究

2.3.4 稳定剂和酸性促进剂对SBR 反应共混改性沥青性能的影响

2.3.5 反应共混改性强度对不同产地基质沥青组成和性能的影响

2.3.6 SBR 反应共混改性沥青结构表征和性能测试

2.3.7 SBR 改性沥青显微形态结构分析

2.3.8 SBR 反应共混改性沥青化学热稳定性分析（TG-SDC 法）

2.3.9 SBR 反应共混改性沥青稳定机理探讨

2.4 小结

参考文献

第三章高分子聚合物改性沥青动态剪切流变性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.3.1 流变学原理

3.3.2 SBR 物理共混改性沥青动态力学性能测试

3.3.3 聚合物改性沥青动态流变行为研究

3.3.4 老化试验对沥青流变性能的影响

3.3.5 SBR 反应共混改性沥青流变行为研究

3.3.6 化学共混改性沥青的流变性能研究

3.3.7 改性沥青抗车辙能力的研究

3.3.8 SBR 改性沥青的荧光显微结构分析

3.4 小结

参考文献

致谢

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