高聚物改性乳化瀝青制備及路用性能研究

李俊禧 尹應(yīng)梅 張榮輝 孫曉龍

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院）

0 前言

我國(guó)華南地區(qū)夏季高溫多雨，雨水沿著混合料孔隙滲透入內(nèi)，在水、溫度和車輛荷載的共同作用下，混合料中的孔隙水產(chǎn)生反復(fù)作用的動(dòng)水壓力，使瀝青膜逐漸從集料表面剝離，降低瀝青與集料之間的黏結(jié)性能，加快瀝青路面的損壞[1]，為了延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命與提高其抗水損壞性能，普通乳化瀝青在改性之前難以滿足瀝青路面的使用要求，因此高性能改性乳化瀝青的生產(chǎn)制備成為未來(lái)瀝青路面研究發(fā)展的趨勢(shì)。目前，改性乳化瀝青常見的改性劑有SBS、SBR 改性劑等，SBS 與SBR改性技術(shù)與性能研究已發(fā)展較為成熟[2-4]，但單一改性劑難以兼顧改性乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、黏結(jié)特性、變形協(xié)調(diào)特性等性能的問(wèn)題, 難以滿足道路工程中高標(biāo)準(zhǔn)、多樣化的建設(shè)需求，因此采用多種改性劑進(jìn)行復(fù)合改性成為高性能乳化瀝青制備的突破口。聚氨酯作為一種新型瀝青改性劑受到廣泛關(guān)注，它是一種嵌段氨基甲酸酯聚合物，通常由長(zhǎng)鏈多元醇（如聚酯和聚醚）與異氰酸酯、擴(kuò)鏈劑反應(yīng)制得[5-6]，聚氨酯改性劑的加入可以提高普通瀝青的基本性能，延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命[7-8]，在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中，Carrera[9]研究了制備聚氨酯改性乳化瀝青的可行性，并指出改性劑摻量是影響其儲(chǔ)存穩(wěn)定性和流變性能的關(guān)鍵因素。Sun[10]通過(guò)傅里葉變換紅外光譜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)制備的聚氨酯改性瀝青的出現(xiàn)新官能團(tuán)，說(shuō)明制備聚氨酯改性瀝青過(guò)程中存在化學(xué)改性。韓繼成[11]采用聚氨酯預(yù)聚體與擴(kuò)鏈劑反應(yīng)制備改性瀝青，然后將改性瀝青乳化制備改性乳化瀝青，并探討了乳化劑對(duì)聚氨酯改性瀝青性能的影響。張豐雷[12]使用水性聚氨酯膠乳制備了一種水性聚氨酯改性乳化瀝青，進(jìn)行了改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與常規(guī)性能試驗(yàn)研究，仝鑫鑫[13]采用先乳化后改性的方法制備SBR 水性聚氨酯復(fù)合改性乳化瀝青，其研究表明SBR 對(duì)低溫性能改善明顯，水性聚氨酯可顯著提升高溫性能。以上研究成果都針對(duì)聚氨酯改性乳化瀝青開展了部分研究，其中先改性后乳化破壞了原改性瀝青的結(jié)構(gòu)，同時(shí)缺少乳化瀝青改性后微表處混合料性能研究。

因此，本文利用水性聚氨酯及SH 溶液兩種材料與乳化瀝青易于共混相容的特性制備改性乳化瀝青，并研究不同改性劑摻量對(duì)乳化瀝青蒸發(fā)殘留物基本指標(biāo)的影響，分析不同改性劑摻量下乳化瀝青與集料粘附性能的變化，擬得出水性聚氨酯及SH 溶液的建議摻量，最后采用濕輪磨耗試驗(yàn)和車轍變形試驗(yàn)評(píng)價(jià)改性劑對(duì)微表處混合料路用性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 改性劑

為了制備高性能的改性乳化瀝青，試驗(yàn)采用上海思沃化學(xué)有限公司生產(chǎn)的陽(yáng)離子水性聚氨酯乳液和蘭州大學(xué)自主研發(fā)的SH 溶液作為乳化瀝青的改性劑。所選水性聚氨酯外觀為半透明乳白色液體，具備良好的低溫成膜特性，只需將乳液中的水分排出即可固化成膜，無(wú)需添加固化劑或成膜助劑，同時(shí)干燥時(shí)間短，固化后與其他物質(zhì)粘結(jié)良好。所選SH 溶液是一種新型高分子材料，常用于固砂固土研究[14-15]，分子量約為20000，易溶于水，外觀為無(wú)色透明液體，密度為1.09 g/cm3，常溫下可固化，固化后再浸入水中將不與水發(fā)生反應(yīng)。

1.1.2 改性乳化瀝青

本試驗(yàn)選用Novabond 乳化瀝青、SBS 改性乳化瀝青、SBR 改性乳化瀝青三種改性乳化瀝青，改性乳化瀝青技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用試驗(yàn)設(shè)備包括WSY-026C 針入度試驗(yàn)儀，WSY-025F 軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀，LYY-10A 瀝青延度試驗(yàn)儀，高速剪切機(jī)，PTT-FA200 萬(wàn)分之一精度電子天平，SYD-0752 濕輪磨耗儀，SYD-0755 負(fù)荷輪碾壓試驗(yàn)儀。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 改性乳化瀝青制備

本文將預(yù)先稱量的水性聚氨酯及SH 溶液分別與乳化瀝青預(yù)混，使用玻璃杯攪拌30s，然后采用高速剪切機(jī)對(duì)預(yù)混好的乳化瀝青在室溫下以500r/min 低速攪拌5min，使改性劑與乳化瀝青充分混合，最后使用玻璃杯慢速攪拌1min 消除氣泡后得到所制備改性乳化瀝青。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，將制備好的不同改性乳化瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)，并進(jìn)行乳化瀝青和集料的黏附性試驗(yàn)，最后通過(guò)MS-3 型微表處混合料濕輪磨耗試驗(yàn)和車轍變形試驗(yàn)評(píng)價(jià)改性乳化瀝青的路用性能。

1.3.2 乳化瀝青與集料黏附性試驗(yàn)

乳化瀝青和集料的黏附性試驗(yàn)選用孔徑為13.2～16mm 的集料顆粒進(jìn)行。試驗(yàn)首先經(jīng)過(guò)集料篩分后，挑選部分較飽滿的集料顆粒，用清水沖洗干凈，放入烘箱中烘干。將集料顆粒準(zhǔn)備完成后，用細(xì)線將集料顆粒系好，使用電子天平稱量集料顆粒的質(zhì)量M1。按質(zhì)量比例添加水性聚氨酯或SH 溶液制備改性乳化瀝青，接著將集料顆粒浸入清水中1min，隨后立即放入改性乳化瀝青中浸泡1min，并在室溫中懸掛24h，等待集料表面改性乳化瀝青破乳凝固，稱量乳化瀝青包裹的集料顆粒的質(zhì)量M2。使用電磁爐將水煮沸至100℃，將集料顆粒浸入沸水中浸煮3min，再在室溫中懸掛24h，使集料顆粒表面的水分完全蒸發(fā)，稱量水煮后的集料顆粒的質(zhì)量M3。剝落率的計(jì)算式如式⑴所示：

式中：λ 為集料顆粒的剝落率，%；M1為未裹有乳化瀝青的集料顆粒質(zhì)量，g；M2為已裹有乳化瀝青的集料顆粒質(zhì)量，g；M3為試驗(yàn)后集料顆粒的質(zhì)量，g。

1.3.3 微表處混合料路用性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混合料級(jí)配采用MS-3 型級(jí)配中值設(shè)計(jì)，首先在集料中加入定量的水進(jìn)行攪拌，使集料表面浸潤(rùn)，然后將制備的改性乳化瀝青加入集料攪拌30s，用制備好的混合料攤鋪濕輪磨耗與車轍試件，攤鋪后將試件放入60℃烘箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)16h，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行即可進(jìn)行微表處濕輪磨耗試驗(yàn)和車轍變形試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 改性乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用以乳化瀝青質(zhì)量為基準(zhǔn)添加改性劑摻量，并依照試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)試驗(yàn)方式測(cè)得改性劑對(duì)不同乳化瀝青蒸發(fā)殘留物基本性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3。

由圖1、圖2 和圖3 分析可知，隨著水性聚氨酯的摻量增大，三種改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)明顯上升，延度明顯下降，Novebond 乳化瀝青的針入度變化不明顯，SBS 改性乳化瀝青與SBR 改性乳化瀝青針入度呈先增加后降低的趨勢(shì)，在摻量為3%時(shí)達(dá)到最大值。由此可知：水性聚氨酯對(duì)Novebond 乳化瀝青、SBS 改性乳化瀝青、SBR 改性乳化瀝青的改性效果相似，水性聚氨酯改性提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性，卻降低了瀝青的低溫抗裂性。

表1 乳化瀝青基本性能指標(biāo)

圖1 改性劑摻量對(duì)Novebond 乳化瀝青性能影響

圖2 改性劑摻量對(duì)SBS 改性乳化瀝青性能影響

圖3 改性劑摻量對(duì)SBR 改性乳化瀝青性能影響

在SH 溶液對(duì)三種乳化瀝青的改性結(jié)果中，隨著SH溶液摻量的增大，改性乳化瀝青的針入度上升，軟化點(diǎn)逐漸下降，延度呈先上升后下降的趨勢(shì)，Novebond 乳化瀝青與SBR 改性乳化瀝青的延度在SH 溶液摻量為3%時(shí)達(dá)到最大值，SBS 改性乳化瀝青在2%摻量時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著摻量的增加，延度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。SH 溶液改性提高了瀝青的低溫抗裂性，降低了瀝青的高溫穩(wěn)定性。

圖4 改性劑摻量對(duì)剝落率影響

2.2 乳化瀝青與集料黏附性試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)分別采用不同摻量的水性聚氨酯與SH 溶液進(jìn)行改性乳化瀝青的制備，并采用水煮法進(jìn)行乳化瀝青與集料黏附性試驗(yàn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4（a）、（b）分析可知，隨著水性聚氨酯與SH 溶液摻量的增加，集料經(jīng)過(guò)水煮后瀝青的剝落率不斷減少，說(shuō)明水性聚氨酯與SH 溶液的加入都能有效地提高乳化瀝青與集料的黏附能力與抗水剝落能力，在0%～3%的改性劑摻量時(shí)，瀝青的剝落率減少的趨勢(shì)逐漸增大，而改性劑摻量超過(guò)3%時(shí)，其抗剝落效果增長(zhǎng)變緩。由圖4（c）可以看出SBR 改性乳化瀝青剝落率變化不明顯，在試驗(yàn)過(guò)程中，由于SBR 改性乳化瀝青的固含量較低，集料浸泡后裹附的瀝青油膜非常薄，瀝青膜緊密地包裹著集料，水性聚氨酯與SH 溶液并不能有效地發(fā)揮作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，水性聚氨酯與SH 溶液的加入都能有效地提高乳化瀝青與集料的黏附能力與抗水剝落能力，且水性聚氨酯對(duì)瀝青抗水剝落性能的提高優(yōu)于SH溶液。隨著水性聚氨酯摻量的增加，瀝青與集料的抗水剝落能力提高，瀝青的軟化點(diǎn)上升，但瀝青的延度下降明顯，水性聚氨酯摻量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致瀝青的延度下降過(guò)大，低溫性能過(guò)低，綜合考慮水性聚氨酯對(duì)瀝青的基本指標(biāo)與抗水剝落能力的影響，建議水性聚氨酯的摻量為3%。隨著SH 溶液摻量的增加，瀝青與集料的抗水剝落能力提高，瀝青軟化點(diǎn)下降，瀝青延度呈先上升后下降的趨勢(shì)，并在2%～3%時(shí)達(dá)到峰值，由于SH 溶液摻量的增加能較好地提高瀝青與集料的粘附性能且提高摻量使瀝青延度達(dá)到峰值后下降的趨勢(shì)較緩，建議SH 溶液的摻量為4%。

2.3 微表處路用性能評(píng)價(jià)

在水和車輛荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面容易出現(xiàn)松散剝落現(xiàn)象，影響道路的安全和舒適性能[16]。為考察不同改性劑對(duì)微表處混合料抗水損害性能與抗車轍變形性能的影響，試驗(yàn)選用符合微表處技術(shù)要求的SBS 改性乳化瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，采用MS-3 型級(jí)配中值進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)級(jí)配如圖5 所示，通過(guò)1h 濕輪磨耗試驗(yàn)與負(fù)荷輪粘砂試驗(yàn)確定最佳油石比為7.2%，同時(shí)改性乳化瀝青兩種改性劑中水性聚氨酯摻量為3%，SH 溶液摻量為4%，濕輪磨耗試驗(yàn)和車轍變形試驗(yàn)結(jié)果見表2與表3，通過(guò)濕輪磨耗試驗(yàn)和車轍變形試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)不同改性劑對(duì)微表處混合料性能的改性作用，以此反映改性劑對(duì)微表處混合料的抗水損害性能與抗車轍變形性能的影響。

圖5 微表處設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

表2 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

表3 車轍變形試驗(yàn)結(jié)果

由表2 分析可知，水性聚氨酯改性微表處的濕輪磨耗值高于原SBS 改性微表處，但水性聚氨酯改性微表處從1h 到6d 磨耗值的變化率為41.3%，低于原SBS 改性微表處的48.0%，說(shuō)明水性聚氨酯改性微表處在長(zhǎng)時(shí)間浸水的情況下，其抗水損害能力比原SBS 改性微表處強(qiáng)。SH 溶液改性微表處1h 和6d 濕輪磨耗值都略低于原SBS 改性微表處，其1h 到6d 磨耗值的變化率為47.3%，與原SBS 改性微表處變化率相近，說(shuō)明SH 溶液提高了微表處的抗磨耗性能。

由表3 車轍試驗(yàn)可知，水性聚氨酯改性微表處和SH 溶液改性微表處的輪跡寬度漸變率與原SBS 改性乳化瀝青的試驗(yàn)結(jié)果相差較小，說(shuō)明水性聚氨酯和SH 溶液不改變微表處的抗車轍變形能力，原因是水性聚氨酯和SH 溶液固化后形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系，在重載壓力下與瀝青協(xié)同變形。

3 結(jié)語(yǔ)

從文中對(duì)不同摻量改性劑對(duì)乳化瀝青基本性能影響的變化規(guī)律，及MS-3 混合料抗磨耗性能試驗(yàn)分析，可得出以下結(jié)論：

⑴經(jīng)過(guò)水性聚氨酯改性后，改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)顯著升高，低溫延度顯著降低、針入度先上升后趨向平穩(wěn)，說(shuō)明瀝青的高溫穩(wěn)定性能得到較好地提高，但是低溫溫度抗裂性有所下降。

⑵經(jīng)SH 溶液改性后，改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)略微降低，延度先上升后下降，針入度上升，說(shuō)明瀝青的低溫溫度抗裂性提高，高溫穩(wěn)定性能略微下降。

⑶水性聚氨酯與SH 溶液的加入都能有效地提高乳化瀝青與集料的黏附能力與抗水損害能力，隨著改性劑摻量的增大，集料的瀝青剝落率降低，且水性聚氨酯對(duì)瀝青抗水損害性能的提高優(yōu)于SH 溶液。

⑷路用性能方面，水性聚氨酯改性微表處濕輪磨耗值略大于改性前，但其1h 到6d 磨耗值的變化率小于原微表處，SH 溶液改性微表處濕輪磨耗值略小于原微表處，說(shuō)明兩種改性劑均能改善微表處混合料的抗水損害性能，而兩種改性劑的抗車轍能力與改性前相差較小，表明兩種改性劑對(duì)微表處抗車轍能力生影響。試驗(yàn)表明兩種改性劑在道路防水應(yīng)用上有良好的前景，水性聚氨酯與SH 溶液對(duì)乳化瀝青及其混合料性能改善各具優(yōu)點(diǎn)，兩者復(fù)合改性進(jìn)行有待進(jìn)一步研究。