基于结构重建的再生SBS改性沥青及其混合料性能研究

发布时间：2020-04-15 15:52

【摘要】：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青因其优越的低温抗裂性与高温稳定性已被广泛应用于公路建设。然而,受热、氧和紫外光等环境因素的影响,SBS改性沥青会发生老化,导致沥青路面出现病害。通过铣刨后对路面进行重铺,由此会产生大量的废旧SBS改性沥青混合料。这些废旧料若得不到有效利用,不仅会对生态环境造成极大的影响,而且会导致沥青和石料等资源的极大浪费。胶结料的老化是导致沥青混合料性能的劣化主因,而SBS改性沥青胶结料的老化则包括沥青的脱氢、氧化等反应引起的化学组分变化与聚合物改性剂降解引起的分子结构破坏。目前老化SBS改性沥青的再生主要是对沥青基体的组分进行还原,而对于改性剂分子结构的恢复尚未有有效手段,以致老化SBS改性沥青及其混合料性能难以得到很好的改善。因此,研究废旧SBS改性沥青混合料再生利用具有极其重要的意义。为全面恢复SBS改性沥青及其混合料的性能,本文提出采用反应性化合物对老化SBS分子结构进行重建的研究思路。论文首先研究了热、氧等老化条件下SBS分子结构的变化,探讨了SBS的老化机理;进而研究了反应性化合物1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BUDGE)与4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)对老化SBS分子结构的重建作用,并进行了机理分析;然后将沥青组分还原剂(FCC油浆)与环氧类或/和异氰酸酯类化合物复合形成反应再生体系(BUDGEs,MDIs与BUDGE-MDIs等),研究了反应再生对老化SBS改性沥青分子结构、物理与流变性能的影响;最后评价了反应再生SBS改性沥青混合料的路用性能。主要结论如下:(1)红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明,SBS在老化过程中会发生氧化降解,形成-OH、C=O、-COOH等含氧基团的降解产物。短期热氧老化仅使SBS主链结构中PB段发生断链,不会对PS段结构造成显著影响,而随着老化时间的延长,除PB段会继续发生断链外,PS段也会发生降解。凝胶渗透色谱(GPC)与热分析(TGA)测试显示热老化会导致SBS分子量明显减小,分子量分布变宽,热稳定性大大降低。(2)FTIR分析表明,BUDGE能与老化SBS发生反应,形成具有醚基与酯基结构的反应产物,而MDI则能与老化SBS发生反应,生成具有酰胺结构的反应产物。GPC测试表明,BUDGE或MDI与老化SBS反应生成的产物分子量均得到了较为明显的提高,分子量分布变窄,说明了BUDGE与MDI均能将具有反应活性的SBS老化产物连接起来,一定程度上使老化SBS的分子结构进行重建。(3)物理与流变性能测试表明,环氧反应再生体系(BUDGEs)可有效改善老化SBS改性沥青的低温延展性、柔韧性和耐疲劳性,但对其高温稳定性有较明显的降低,而异氰酸酯反应再生体系(MDIs)则有利于改善老化SBS改性沥青的高温稳定性,但对低温延展性、柔韧性与耐疲劳性的改善效果不明显。BUDGE-MDIs复合再生体系不仅可显著改善老化SBS改性沥青的低温延展性、柔韧性和耐疲劳性,又能较好地恢复其高温稳定性。(4)二次老化SBS改性沥青反应再生试验表明,BUDGE-MDIs对二次老化SBS改性沥青的再生效果有所减弱,但仍能对其低温延展性、柔韧性、抗疲劳性和高温抗变形性有较好的改善效果。采用BUDGE-MDIs对二次老化SBS改性沥青再生后,再生SBS改性沥青弹性模量处于较低水平,弹塑性转变速度明显减缓,当拉伸应变超过弹塑性转变点时,其逐渐向粘性形变转变。(5)再生SBS改性沥青混合料路用性能测试表明,BUDGEs和BUDGE-MDIs均能显著改善老化SBS改性沥青混合料的抗水损害性,且再生SBS改性沥青混合料经过二次水损害试验后仍具较好的抵抗荷载与抗水破坏的能力,尤其是BUDGE-MDIs再生体系能较好地改善老化SBS改性沥青混合料的低温抗裂性,并保持较高的高温稳定性。(6)再生SBS改性沥青混合料断面形貌观察表明,BUDGEs与BUDGE-MDIs均能提高老化SBS改性沥青胶结料与集料之间的低温粘结力,有效降低混合料在低温断裂时发生大面积胶结料脱落式的破坏。
【图文】：

分子结构图,分子结构,沥青路面

粘结性和柔韧性，将其与集料拌、低噪音等优点的柔性路面，因路的建设[1-3]。截至 2016 年底，面占 90%以上[4]。早期国内外外光、热、氧气、雨水等）的作、车辆大型化、严重超载等现象裂缝和剥落等病害，，沥青路面的了延长沥青路面的使用年限，筑路面。SBS 是一种由丁二烯性共聚物，分为线型结构与星型分子结构中的聚苯乙烯硬段（P联点（图 1-2），使 SBS 表现出橡，将其用于沥青改性，可显著改因此 SBS 改性沥青已被广泛应用

物理交联,路面

图 1-2 SBS 的物理交联结构Figure 1-2 Physical crosslinking structure of SBS SBS 能够显著改善基质沥青的高低温性能，但是随着服役时BS 与沥青基体一样也会受到外界环境的影响而发生自然老化沥青铺筑的路面路用性能劣化，以致在一定使用年限后，需的路面进行维修或重筑来恢复路面的服役性能，由此会产生性沥青混合料。近些年来，随着 SBS 改性沥青在公路建设中
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414

【参考文献】