SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青性能的影響

王志超 呂艷艷 楊國明 鄒媛麗

摘 ?????要：考察了SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青乳化性能及蒸發殘留物基本性質、流變性質的影響，并對蒸發殘留物顯微結構形態進行了觀察。SBR的加入對改性乳化瀝青乳化性能影響較小。隨著SBR膠乳摻量的增大，蒸發殘留物軟化點升高、延度增大、針入度降低，通過流變分析，其高低溫性能均得到改善。在顯微鏡下，隨著摻量的增大，SBR顆粒在瀝青中分布逐漸密集，摻量達到5%后，出現聚集成網狀結構趨勢。

關 ?鍵 ?詞：SBR膠乳;改性乳化瀝青;乳化性能;殘留物性質;流變分析

中圖分類號：TQ 522.65 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1186-05

Abstract： The effect of SBR latex content on the emulsifying properties，the basic properties and rheological properties of modified emulsified bitumen were investigated. The microstructure and morphology of the evaporated residue were observed. The results showed that the addition of SBR had little effect on the emulsifying performance of modified emulsified asphalt. With the increase of the SBR latex content，the softening point of the evaporation residue increased，the ductility increased and the penetration decreased， and the high and low temperature performance both were improved. Under the microscope， with the increase of the SBR content， the distribution of SBR particles in the asphalt gradually increased. When the content reached 5%， the network structure appeared.

Key words： SBR latex; Modified emulsified asphalt; Emulsifying properties; Properties of the residue; Rheological analysis

隨著交通量日益增長，公路行業對路面要求越來越高。在很多情況下，普通乳化瀝青已經無法滿足瀝青路面的使用要求，因而對改性乳化瀝青需求逐漸增大。改性乳化瀝青作為一種新型的道路材料，與普通乳化瀝青相比，具有無可比擬的性能優勢，應用廣泛，在常溫下既可噴灑使用，用作封層、透層、黏結層等，又可與集料拌和，用于微表處、稀漿封層、碎石封層等[1，2]。其中，SBR膠乳改性乳化瀝青[2]具有改善乳化瀝青與集料的黏結性能、改善乳化瀝青高低溫性能、感溫性能、制備工藝相對簡單等優點，日益受到重視。國外研究人員通過研究SBR膠乳改性乳化瀝青的流變特性，發現在線性粘彈區，聚合物的加入明顯改善了改性乳化瀝青殘留物的剛度和彈性。而由于乳化劑、膠乳等材料性能的較大差異性，國內對于乳化瀝青殘留物的流變性能重視不足，乳化瀝青標準體系中也未增加殘留物流變性能的指標，無法為生產和應用提供技術理論支撐。

本文主要對SBR改性乳化瀝青進行了研究，考察了SBR膠乳摻量對乳化瀝青性能的影響。從粒度、黏度、穩定性三個方面考察了SBR改性乳化瀝青乳化性能;從三大基本指標考察了改性乳化瀝青蒸發殘留物基本性質，從瀝青動態力學角度[3]對瀝青蒸發殘留物的復數模量（G*）、儲存模量（G'）、損失模量（G''）、相位角（δ）等黏彈性指標進行了考察，以對其高溫性質進行評價;從低溫角度考察了改性乳化瀝青殘留物彎曲蠕變勁度及蠕變速率，以評價其低溫抗開裂能力;并從微觀角度對乳化瀝青殘留物顯微結構形態[4]進行了觀察，并與瀝青性質進行了關聯。

1 ?實驗部分

1.1 ?原料

基質瀝青為中海油綏中36-1 AH-70（后文簡稱中海70），其基本性質和組成如表1所示。皂液調制使用的是自來水和鹽酸，乳化劑及SBR膠乳均來自國內某公司。

1.2 ?改性乳化瀝青的制備

采用德國Hebert Rink膠體磨制備改性乳化瀝青。稱取一定量乳化劑加入到水中溶解，加入鹽酸調節pH值為2，加入一定量SBR膠乳，加熱至50 ℃待用。先用熱水預熱膠體磨，加入皂液，隨后在攪拌下慢慢加入已升溫至130 ℃瀝青，加入完成后，在膠體磨中乳化1 min，停機，取出乳化瀝青，并迅速降至室溫。

1.3 ?性能評價

根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的T0656-1993、T0623-1993規范分別測定乳化瀝青穩定性和25 ℃賽波特黏度，利用HX204快速水分測定儀測定乳化瀝青固含量。利用LS 13320型激光粒度儀對乳化瀝青的粒度分布進行分析。

根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的T0651-1993、T0604-2011、T0605-2011、T0606-2011規范進行乳化瀝青蒸發殘留物試驗，并分析乳化瀝青蒸發殘留物的針入度、軟化點和延度。

采用美國TA公司AR2000EX動態剪切流變儀對乳化瀝青蒸發殘留物的流變性質進行分析，取1 g瀝青置于25 mm平行板上，降低平行板高度至間距為1 050 μm，用熱刮刀修邊，降低距離至1 000μm，進行溫度掃描和頻率掃描實驗，控制應變10%，角速度10rad/s，溫度掃描范圍為58～88 ℃，頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s;采用美國cannon公司TE-BBR-F瀝青彎曲梁流變儀對乳化瀝青蒸發殘留物低溫性質進行分析，溫度為-18、-12 ℃。

采用奧林巴斯BX51型熒光顯微鏡觀察SBR在乳化瀝青蒸發殘留物中的形態，常溫下觀察，放大倍數為100倍。

2 ?結果與討論

2.1 ?乳化性能

在相同制備工藝下，控制SBR改性乳化瀝青固含量均在62%左右，如表2所示。從改性乳化瀝青1 d及5 d穩定性可以看出，制備的乳化瀝青穩定性較好，SBR膠乳的加入未對改性乳化瀝青的穩定性產生影響。這可以從乳化瀝青粒度分布中得到解釋，如圖1所示為靜置1 d后改性乳化瀝青顆粒分布圖，隨著SBR膠乳摻量的變化，粒度圖峰形變化不大，平均粒徑均在2μm左右，絕大部分顆粒分布在10μm以下，顆粒粒徑較小，因此乳化瀝青穩定性較好。而改性乳化瀝青黏度也未因SBR膠乳的加入而發生明顯變化。這表明摻量在本實驗范圍內時，SBR膠乳的加入未對改性乳化瀝青乳化性能產生明顯影響。

按規范制備改性乳化瀝青蒸發殘留物，并對其常規性能指標進行評價，結果如表3所示。軟化點、針入度、延度分別評價其高溫性能、軟硬程度和低溫性能。隨著膠乳摻量的增大，蒸發殘留物針入度降低，軟化點升高，在摻量為5%下，軟化點提高接近20 ℃，高溫性能改善明顯。在5 ℃下，基質瀝青低溫延度脆斷，在摻量達到3%以上后，延度均大于100 cm，SBR的加入極大地改善了乳化瀝青的低溫性質。這表明，SBR的加入對乳化瀝青的高低溫性能均有較大的提高。

2.3 ?乳化瀝青蒸發殘留物黏彈性能

物體在外力作用下既產生彈性變形，又表現出黏性流動變形的性質，稱為黏彈性性質，瀝青是一種典型的黏彈性材料。儲存模量G'表征材料在形變過程中由于彈性形變而儲存的能量，損耗模量G''表征材料在形變過程中因黏性形變而以熱的形式損耗的能量，|G*|為絕對模量[5]，車轍因子G*/sinδ反應瀝青材料的抗永久變形能力。

圖2為不同SBR摻量下G'和G''溫度掃描結果。由圖2可知，G'和G''隨SBR摻量的增加均呈增大趨勢，且在高溫區更加明顯。相同溫度下G''大于G'，說明在56～84 ℃范圍內，SBR膠乳改性乳化瀝青蒸發殘留物的黏性成分大于彈性成分，但隨著膠乳摻量的增加，兩者之間差距逐漸減。在同一SBR膠乳摻量下，隨著溫度升高，G'和G''均減小，且兩者之間的差距逐漸增大，說明其高溫性能得到較大改善（圖3）。

Superpave規范中定義了車轍因子G*/sinδ以表征瀝青的高溫抗車轍能力，G*/sinδ越大表示抗車轍能力越強。由圖4可知，隨著SBR膠乳摻量的增大，車轍因子增大，且隨著摻量增大，其抗車轍能力增加較多。

圖5為不同SBR膠乳摻量的乳化瀝青蒸發殘留物G'和G''隨頻率的變化。由圖5可知，在測定頻率范圍內，G'和G''均隨頻率增加而增加，相同頻率下，G''大于G'，低頻范圍內兩者相差較大，隨著頻率增加，兩者差距減小。摻量在3%、5%條件下其模量遠大于0%、1%條件下，高溫性質得到改善。

2.4 ?乳化瀝青蒸發殘留物低溫流變特性

用彎曲梁流變儀來測量瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的勁度。若瀝青材料的勁度太大，則呈現脆性，路面容易開裂破壞，而表征瀝青勁度隨時間的變化率m值越大，則意味著當溫度下降使路面產生收縮時，結合料的響應如同降低了勁度的材料，從而導致材料中的拉應力減小，低溫開裂的可能性也會隨之減小[6]。

圖6為不同溫度下SBR膠乳摻量對乳化瀝青蒸發殘留物彎曲蠕變勁度影響。如圖6所示，在同一溫度下，隨著SBR膠乳摻量的增大，其蠕變勁度逐漸減小，說明其柔性增加，抗開裂能力增強，但摻量增加到3%后，基本不再發生變化。當溫度降低，蠕變勁度均增大，但隨著摻量增大，增幅降低，低溫性質得到改善。

圖7為不同溫度下SBR膠乳摻量對乳化瀝青蒸發殘留物蠕變速率的影響。隨著SBR膠乳摻量的增大，m值逐漸增大，并且在-18 ℃下趨勢更加明顯，說明SBR的加入極大提高了瀝青在低溫下的抗開裂能力。

2.5 ?乳化瀝青蒸發殘留物微觀形態

SBR改善瀝青高低溫性能機理主要是物理共混作用[7]。在高溫下，SBR彈性模量大于瀝青彈性模量，SBR的這種加強作用提高了高溫下瀝青的性能。在低溫下，瀝青的流動性能降低，變脆變硬。SBR粒子分散于連續相的瀝青中，形成“分散相軟、連續相硬”的共混體系，從而具有較好的低溫抗裂性能[8]。

在未加入SBR膠乳前，由于所用乳化劑中含有一定熒光基團，出現少量熒光顆粒。隨著SBR膠乳摻量的增大，熒光性顆粒分布逐漸密集，當SBR摻量達到5%后，有部分SBR顆粒聚集生成較大的顆粒。從顯微鏡觀察來看，摻量在5%以下時，未發生相轉變，瀝青仍為連續相，SBR顆粒為分散相，較為均勻的分布在瀝青中。隨著SBR膠乳摻量的提高，SBR在瀝青中分布越來越密集，從而對瀝青高低溫性能的改善逐漸提高。

3 ?結 論

（1）SBR膠乳的加入未對改性乳化瀝青的乳化性能影響較小。在SBR膠乳摻量為5%以下時，乳化瀝青粒度、黏度、穩定性均未發生較大變化。

（2）隨著SBR膠乳摻量的增大，乳化瀝青蒸發殘留物軟化點升高，針入度降低，低溫延度大幅提高。

（3）SBR膠乳改性乳化瀝青蒸發殘留物動態力學分析表明，在同一溫度下，隨著SBR膠乳摻量的增大，G'和G''均增大，相位角減小，車轍因子增大，高溫性能提高;在同一SBR膠乳摻量下，隨著溫度升高，G'和G''均減小，且兩者之間的差距逐漸增大，隨著頻率增大，G'和G''均增大。

（4）在一定溫度下，隨著SBR膠乳摻量的增大，瀝青蠕變勁度降低，蠕變速率增大，改性乳化瀝青低溫性質得到改善。

（5）隨著SBR膠乳摻量的增大，SBR顆粒在瀝青中分布逐漸密集，摻量達到5%后，出現聚集成網趨勢。

參考文獻：

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