第三卷 第九期 - 2008年三月二十八日
SBS改質瀝青添加硫磺助溶劑之基本特性
陳建旭*、黃建中

國立成功大學土木工程學系
E-mail:jishchen@mail.ncku.edu.tw

Paper published in Journal of Applied Polymer Science, Vol. 103, pp.2817-2825(2007)

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全世界所有鋪築的公路及市區街道中,大約有96%是以瀝青作為黏結材料(EAPA 1998)。瀝青為煉油工業的副產品,目前主要是作為熱拌瀝青混凝土之黏結料。鋪面以提供大眾運輸為目的,而鋪面破壞是影響公路使用年限的重要因素之ㄧ。利用高分子改質瀝青(polymer modified asphalt, PMA)於柔性鋪面中,具有降低鋪面永久變形與車徹等功能;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene, SBS)是一般最常用於改質瀝青的高分子材料;SBS最普遍的用量為相對於基底瀝青重量之3~6%。苯乙烯與丁二烯高分子彼此不相容,為SBS作為改質劑的主要優勢(Becker et al. 2003; McKay et al. 1995)。添加SBS的改質瀝青,能夠有效地改善傳統瀝青的溫度敏感性,高溫能夠抵抗車轍且低溫亦具有彈性性質(Schuler et al. 1985)。

儲存穩定性是SBS改質瀝青的關鍵性問題,瀝青拌和廠利用高分子材料與瀝青拌合後,一般會將改質瀝青儲存於離析沉澱作用;SBS改質瀝青為多相位的複合材料,尤其在高溫及缺乏攪拌狀態下之儲存,易產生動力不穩定與相位分離的現象。由於SBS與瀝青不相容,因此SBS改質瀝青於高溫下的儲存穩定性通常是不佳的。Pfeiffer與Van Doormaal (1936)的研究結果顯示添加硫磺能夠顯著改善天然瀝青、苯乙烯橡膠或乳膠改質瀝青的儲存穩定性。為增加路面的使用年限,有必要模擬PMA之力學行為並進一步了解硫磺對PMA工程性質之影響,然而,目前並無任何理論可以用來解釋硫磺與PMA反應之機制;實際上,目前公路工程界仍不清楚SBS與硫磺添加劑之性質是如何有效地產生較佳的材料性能。了解SBS與硫磺於材料行為中所扮演的角色是適當選擇PMA作為最佳黏結料的關鍵,因此本論文是根據微力學模式與根據PMA黏彈特性而發展的理論方法。

相位相容性

圖1 添加不同比例硫磺於7%SBS-l改質瀝青之微觀情形
高分子材料與瀝青之間的相容性是影響改質瀝青PMAs工程性質的關鍵,本研究透過穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)描述材料之連續相與分散相之微結構性質。圖1(a)為沒有添加硫磺改質劑之SBS改質瀝青之原始微觀結構示意圖;圖中較亮的部份為SBS高分子改質劑,深色的部分表示為基底瀝青;圖1(a)中顯示SBS改質瀝青顆粒分子較大,代表SBS改質瀝青之顆粒分子大多結合在一起,由圖中亦可知添加7%SBS之高分子改質瀝青,高分子材料呈一連續相,而瀝青呈分散的球狀,即SBS基底材料將瀝青顆粒分散,表示SBS不易分散於瀝青材料中。SBS高分子材料與瀝青之不相容性,顯示未添加助溶劑之SBS改質瀝青有較差的儲存穩定性。

添加1%、3%、5%硫磺助溶劑之SBS改質瀝青微結構,如圖1(b)至1(d)所示;由圖中可知瀝青顆粒直徑隨著硫磺含量提高而逐漸減小,顯示硫磺能促進SBS均勻地分散於瀝青中,其顆粒大小分佈由1~0.01μm不等。SBS顆粒直徑變小,表示硫磺能顯著地改善SBS與瀝青之相容性,此分散及助溶的過程稱之為硫化現象(vulcanization)。硫化現象通常是應用在橡膠/塑膠(rubber/plastic)的混合物中,藉以提高混合物的特性。根據上述研究結果可知SBS改質瀝青添加硫磺助溶劑有益於SBS改質瀝青的穩定性與相容性,顯示硫磺能改善PMA的穩定性。

物理特性與儲存穩定性

圖2至圖5為硫磺含量對PMA物理特性與儲存穩定性之影響。環球法(ring-and-ball, R&B)軟化點溫度與針入度值為瀝青材料作為鋪面績效評估的重要指標。圖2顯示PMA軟化點溫度(TR&BM)隨著SBS含量增加而增加,即SBS對瀝青有加勁效果;由圖2可知TR&BM亦隨著硫磺含量增加而增加,表示硫磺能夠改善SBS改質瀝青的高溫特性;若固定比較SBS含量為3%時,沒有添加硫磺的PMA軟化點明顯低於添加5%硫磺的改質瀝青,表示硫化作用能夠顯著提高SBS改質瀝青的軟化點。圖3顯示PMA之針入度值隨硫磺含量增加而降低;而圖4顯示SBS改質瀝青之彈性回復率隨硫磺含量增加而增加。依據ASTM D5892規定PMA之彈性回復率最低值必須大於60%,由圖4可知添加3%硫磺含量是可以符合規範要求。圖2至圖4之試驗結果顯示添加硫磺能提高SBS改質瀝青的工程性質。
圖2 不同含量硫磺添加於SBS-r改質瀝青之軟化點變化情形
圖3 不同含量硫磺添加於SBS-r改質瀝青之針入度變化情形



圖5為PMA中硫磺含量對試管頂層、底層軟化點差值的關係,顯示沒有添加硫磺的情形下,頂層與底層軟化點差值隨著SBS含量增加而逐漸變大,SBS含量低的PMA有較佳的穩定性。當SBS含量超過5%以上,試樣頂層與底層的TR&BM之差異是明顯的;PMA經穩定性試驗後之頂層與底層的TR&BM差異不得超過5℃,以確保沒有大量的相位分離。添加超過3%的硫磺,可以控制PMA頂層與底層的軟化點差異值低於2℃;由上述結果可知添加硫磺能有效地改善SBS改質瀝青的儲存穩定性,圖1(c)至1(d)之分散微觀結構可以映證此一穩定性。
圖4 不同含量硫磺添加於SBS-r改質瀝青之彈性回復率
圖5 硫磺含量對SBS改質瀝青軟化點差值的影響

結論

透過TEM觀察PMA微觀結構狀態,證實添加硫磺助溶劑可以使瀝青均勻的分佈於SBS基底材料中,讓高分子SBS與瀝青的混合能達到均質(homogeneous)的狀態;硫磺添加量為3~5%,其微結構會開始轉換成分散結構,硫磺添加量高愈能提昇SBS改質瀝青的相容性與穩定性。因為瀝青材料的膠體特性、高分子SBS的加勁以及瀝青與SBS之間的物理化學反應,可以改善PMA的工程性質,增進路面的使用壽命,減少維修經費。

參考文獻

Becker, M.Y., Muller, A.J., Rodriguez, Y.R. (2003). Use of Rheological Compatibility Criteria to Study SBS Modified Asphalt. Journal of Applied Polymer Science, Vol.90, pp.1772-1882.

European Asphalt Pavement Association (1998). Asphalt in Figures, The Netherlands, Breukele.

McKay, K.W., Gros, W.A., Diehl, C.F. (1995). The Influence of Styrene-Butadiene Diblock Copolymer on Styrene-Butadiene Styrene Triblock Copolymer Viscoelastic Properties and Product Performance. Journal of Applied Polymer Science, Vol.56, pp.947-958.

Pfeiffer, J.P.H. and Van Doormaal, P.M. (1936). The Rheological Properties of Asphaltic Bitumen. Journal of Institute of Petroleum, Vol.22, pp.414-440.

Shuler, T.S., Collins, J. H. and Kirkpartick, J.P. (1985) Asphalt Rheology: Relationship to Mixture. ASTM Special Technical Publication 941, pp.82-95.
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