改性乳化瀝青高溫性能研究*

竇維禹 趙福利

(安徽省交通控股集團有限公司 合肥 230088)

0 引 言

乳化瀝青就地冷再生是一項綠色環保、節約資源的再生技術，充分利用舊料的使用價值，可以節約石料、減少資金投入.目前乳化瀝青就地冷再生技術常用于干線公路和高速公路的基層或者下面層，未使用到高速公路的更高層位，這是由于目前乳化瀝青冷再生技術常用的是普通乳化瀝青，形成的乳化瀝青混合料早期強度相對較低，高溫抗車轍性能較差，在夏季高溫、重載交通的高速公路上,易產生車轍變形.

韓春來[1]研究了SBS膠乳的制備方式，采取了用改性劑加入已經乳化的瀝青中的方式，主要從化學層面分析解決了改性劑SBS膠乳對于乳化瀝青的改性方式存在的問題.弓銳[2]對改性乳化瀝青的針入度、軟化點、延度這三大指標和蒸發固含量、篩上剩余量、儲存穩定性進行了深入研究，并進行了微觀機理試驗.陳果等[3]通過對比不同乳液與固化劑，最終選用A4型的水性環氧樹脂乳液，A4型固化劑，乳化瀝青以1∶1∶8(質量比)的比例制備水性環氧改性乳化瀝青，其以黏結性好、強度高、成型快和現配現用的優點用作修補料.將改性乳化瀝青中的水分移除的產物為蒸發殘留物，通常對殘留物進行性能測試來評價改性乳化瀝青的性能.郭詠梅等[4]采用非常規的重復蠕變試驗(較寬應力范圍)，試驗樣本為制備的不同種類改性瀝青，同時用一組基質瀝青作為對照組，得到不可恢復蠕變柔量后可評價各組改性劑對于基質瀝青粘彈性能與流變性能的改善程度.

文中針對目前普通乳化瀝青性能的不足，選用SBR、CR、丙烯酸、重慶某膠乳和北京某膠乳5種聚合物改性劑，研究其對乳化瀝青在高溫下的改善作用.

1 原材料

SBR、CR、丙烯酸以及重慶牌和北京牌5種膠乳均為聚合物膠乳，外觀為白色液體，通過高速剪切儀與乳化瀝青剪切均勻后均為棕褐色液體.重慶牌膠乳為水性環氧乳液，北京牌膠乳為NR乳液.其性能見表1～2.

表1 重慶牌膠乳

表2 北京牌膠乳

2 改性乳化瀝青殘留物的獲取

2.1 高溫蒸發法

Takamura[5]指出聚合物改性瀝青的內部結構會被高溫顯著改變，其性能也會受到一定程度的影響.并且由于改性乳化瀝青多用于冷加工，施工環境為常溫，高溫蒸發法獲取改性乳化瀝青殘留物的過程與實際應用過程也有一定差別.

2.2 常溫蒸發法

本文采用ASTM中提到的方法[6]：將約10 g制備好的乳化瀝青乳液倒入2 mm厚的硅膠模具中，先放置于25 ℃的烘箱中24 h，接下來的24 h將烘箱溫度調為60 ℃，取出后脫模即可得到瀝青低溫蒸發殘留物.后續為了使殘留物均勻化，按照EN方法，可將殘留物混合并控制溫度加熱，溫度應為瀝青的軟化點加80～100 ℃.

記錄兩種蒸發方式得到的乳化瀝青蒸發殘留物水分蒸發的過程，并測得其軟化點，實驗結果見表3～4.

表3 軟化點比較 單位：℃

表4 兩種蒸發方法殘留物含量記錄表

由表3可知，與常溫蒸發方式相比，采用高溫蒸發的方式無論對乳化瀝青還是改性乳化瀝青其軟化點均有一定程度的下降，這是因為短期的高溫加熱作用下，對瀝青產生的熱老化作用.由表4可知，采用常溫蒸發方式與高溫蒸發方式一樣都可以將瀝青乳液中的水分完全蒸發，兩種方法對于殘留物固含量的影響不大.

3 流變性能研究

為了確實試驗的膠乳用量，向普通乳化瀝青中分別加入實際固含量為1%，3%，5%，7%的SBR膠乳含量，分別測其PG分級的臨界溫度，試驗結果為表5.

表5 不同膠乳摻量的PG分級臨界溫度

由表5可知，從1%～5%其高溫性能逐漸上升，在繼續添加后其高溫性能開始下降.因此，確定膠乳實際添加量為5%.

采用五種不同的改性劑對乳化瀝青分別進行改性，由于SBR、CR、丙烯酸，以及重慶和北京兩地生產的膠乳的固含量見表6，丙烯酸乳液、CR膠乳和北京某膠乳的用量分別為10%，SBR膠乳的用量為7.81%，重慶某膠乳的用量為9.61%，可以保證加入瀝青乳液中的各種改性劑的實際固含量均為5%.

表6 膠乳固含量

3.1 PG分級試驗

根據Superpave瀝青結合料性能規范，可以用DSR流變儀對原樣瀝青進行震蕩試驗，測得其車轍因子G*/sinδ的值，將瀝青材料的G*/sinδ大于等于1.0 kPa作為臨界條件，來對原樣瀝青進行高溫分級，得到的溫度結果越高，說明材料的高溫穩定性越強.

根據 AASHTO T315-09(2000)對瀝青黏結劑進行高溫分級，見表7.最初，使用低溫蒸發技術蒸發乳化瀝青乳液獲得蒸發殘留物.然后，殘留物被夾在DSR機器的25 mm塊板之間，間隙為1 mm，頂板通過應變控制模式以10 rad/s的頻率振蕩.

表7 PG分級結果

由表7可知，各個試樣達到PG分級條件的溫度有所差異，從瀝青角度來看，SBR改性瀝青具有最好的高溫穩定性能.

3.2 重復蠕變恢復試驗

G*/sinδ指標忽略了瀝青產生變形后，其中部分變形逐漸恢復的特性，即瀝青在外力卸除后表現出的延遲彈性，于是采用多應力蠕變恢復(MSCR)試驗，來解決G*/sinδ評價指標的局限性[7].該實驗能模擬使實際使用過程中行車時車輛對路面的動態施壓作用，彌補了常規試驗的不足.

3.2.1試驗方法

試驗過程為：設置試驗溫度為64 ℃，在樣品上施加1 s剪切蠕變載荷，隨后通過卸載剪切應力進行9 s的恢復.瀝青樣品在兩個應力水平下進行蠕變測試，然后在每個應力水平下進行恢復.使用的壓力水平為0.1和3.2 kPa.在每個應力水平下測試10個蠕變和恢復周期.

3.2.2計算方法

(1)

(2)

(3)

式中：Jnr為不可恢復蠕變柔量；Jnr-diff為不可恢復蠕變柔量隨應力變化率；γu(N)為在壓力水平0.1或3.2 kPa下加載循環時不可恢復的應變；γp(N)為在0.1 或3.2 kPa的應力水平下加載循環時的最大應變.R為10次循環的平均彈性恢復百分比.

3.2.3改性乳化瀝青重復蠕變恢復試驗分析

重復蠕變恢復試驗結果見表8.MSCR的測試結果反映了瀝青材料的粘彈塑性性能.通過加載和卸載，在具有兩個應力水平的1 s蠕變階段和9 s恢復階段收集應變數據.在蠕變階段，應變水平隨著應力水平的增加而增加.在恢復階段，由于立即恢復的彈性應變和逐漸恢復的黏性應變，應變先快速恢復后緩慢恢復.Jnr和R分別為高溫穩定性和彈性.

圖1為使用不同改性劑改性過后的不同類型改性乳化瀝青MSCR試驗結果.

表8 重復蠕變恢復試驗結果

圖1 5種改性乳化瀝青蠕變恢復試驗結果

改性劑種類對于瀝青的蠕變恢復性能有較大的影響，使用了聚合物改性劑后在100還是3 200 Pa應力水平下不可恢復部分的值與普通乳化瀝青相比均有大幅減小.也就是說，五種改性乳化瀝青對應的不可恢復蠕變平均差值Jnr-difff增大，蠕變恢復后不可恢復蠕變柔量Jnr減小，瀝青材料承受荷載、抵抗變形的的能力增強.瀝青膠結料不可恢復的永久性塑性變形小，代表彈性恢復性能好，高溫穩定性越強，抗車轍能力越好，車輛行駛作用下產生的剪切變形越少.因此，在低應力水平下改性劑于乳化瀝青抗車轍性能的改善效果：重慶牌>丙烯酸>CR>SBR>北京牌.在高應力水平下改性劑于乳化瀝青抗車轍性能的改善效果：重慶牌>SBR>CR>丙烯酸>北京牌.

普通乳化瀝青在外力卸除后會恢復部分變形量，不能恢復的部分為永久變形.恢復百分比R反映了瀝青材料的彈性大小.當使用改性劑對乳化瀝青進行改性后，聚合物改性乳化瀝青永久變形量減小，瀝青的彈性和延遲變形得以提高.因此在低應力比的條件下，改性劑對于乳化瀝青彈性性能的改善效果：重慶牌>丙烯酸>CR>北京牌>SBR.在高應力比的條件下，改性劑對于乳化瀝青彈性性能的改善效果：重慶牌>CR>SBR>丙烯酸>北京牌.

在同樣的溫度下，不同改性乳化瀝青在0.1 kPa加載時的恢復百分比高于在3.2 kPa加載時的恢復百分比，而Jnr與之相反，在0.1 kPa加載時低于在3.2 kPa加載時的不可恢復蠕變柔量Jnr.

4 結 論

1) 常溫蒸發獲取殘留物的方式乳化瀝青中水分自然揮發的過程較為接近，不會造成乳化瀝青殘留物的老化，更適用于乳化瀝青蒸發.

2) PG分級試驗表明，在同樣膠乳摻量的情況下，高溫改善效果由高到低分別是SBR>CR>重慶牌>北京牌>丙烯酸，這與軟化點試驗的結果一致，表明這兩個實驗在評價瀝青的高溫性能具有很好的相關性.

3) MSCR實驗表明，在低應力比下的條件下，乳化瀝青彈性性能和高溫穩定性的改善效果均是重慶牌>丙烯酸>CR>北京牌>SBR.在高應力比條件下，重慶膠乳改善高溫性能的效果最明顯，北京膠乳最差.