天然膠乳改性瀝青制備與基本性能

譚 荷，黃浩波，張海燕，何慧兵，賈曉鵬

（1 河北工程大學(xué)，河北邯鄲 056038； 2 江西省高速公路物資有限公司，江西南昌330000；3 中路交建（北京）工程材料技術(shù)有限公司，北京100088；4 江西省恒瑞交通科技有限公司，江西九江332000）

隨著我國交通道路行業(yè)的快速發(fā)展，對瀝青路面的要求在不斷提高，相應(yīng)地對材料要求也在提高。天然膠乳作為一種改性劑，其綜合性能優(yōu)異, 工藝成膜性能好,濕凝膠強(qiáng)度高, 容易硫化, 且所得制品具有彈性較大, 強(qiáng)度較高, 伸長率較大, 蠕變較小等特點(diǎn)。期望將天然膠乳與基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，有望改善瀝青的溫度穩(wěn)定性、塑性、儲存穩(wěn)定性等。Ramez A. Al-Mansob 等［1］研究了環(huán)氧化天然橡膠（ENR）改性瀝青的的常規(guī)性能（針入度、軟化點(diǎn)、粘度、儲存穩(wěn)定性）和流變性能，認(rèn)為ENR 改性瀝青的儲存穩(wěn)定性與ENR 的摻加量有關(guān)。曹榮吉等［2］通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了采用標(biāo)準(zhǔn)馬來西亞橡膠SMR20 進(jìn)行瀝青改性的可行性，確定了改性瀝青加工溫度宜控制在160 ～180 ℃、SMR 最佳摻量為4%、加入穩(wěn)定劑可以提高改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。本文通過常規(guī)瀝青實(shí)驗(yàn)（三大指標(biāo)）、熒光顯微試驗(yàn)、離析、瀝青薄膜加熱試驗(yàn)等［3-10］，研究天然膠乳改性瀝青的制備工藝及性能（實(shí)驗(yàn)均參照新版JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程）。

1 材料與工藝參數(shù)

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選用雙龍70#、SK90 基質(zhì)瀝青，其常規(guī)性能指標(biāo)見表1，天然膠乳選用市售的天然膠乳，測試的指標(biāo)見表2。

表1 基質(zhì)瀝青性質(zhì)Table 1 Base asphalt properties

由表1 可看出，雙龍70# 的軟化點(diǎn)高于SK90，針入度值低于SK90，故后面試驗(yàn)均采用雙龍70#。

表2 天然膠乳成分表Table 2 Composition of natural rubber latex

采用拉伸試驗(yàn)來評價(jià)天然膠乳原材料的力學(xué)強(qiáng)度。將成型好的試驗(yàn)樣品裁切成規(guī)范要求的啞鈴型試件（圖1），分別將其置于常溫和60℃的試驗(yàn)溫度環(huán)境中，待試 件溫度穩(wěn)定之后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 天然膠乳固化狀態(tài)Fig.1 The cured state of natural rubber latex

表3 天然膠乳拉伸試驗(yàn)檢測值Table 3 Detected value of natural rubber latex tensile test

1.2 天然膠乳改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在160℃烘箱中加熱，待瀝青烘化后，將瀝青放置在攪拌機(jī)中，在165 ～175 ℃條件下，將天然膠乳緩慢加入，在天然膠乳加入過程中，要避免凝固現(xiàn)象發(fā)生，然后在170 ～180 ℃條件下發(fā)育1h 左右。

1.3 工藝參數(shù)試驗(yàn)

1.3.1 制備溫度

將摻量為5% 的天然膠乳與基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，在摻量、穩(wěn)定劑等相同的條件下，只改變攪拌時(shí)的溫度，以145～155、155～165、165～175、175～185 ℃作為研究區(qū)間，通過基本實(shí)驗(yàn)指標(biāo)（表4）可得出在一定溫度范圍內(nèi)，最佳制備溫度為165～175 ℃。

表4 不同溫度下天然膠乳改性瀝青檢測值Table 4 Detected values of natural rubber latex modified asphalt at different temperatures

由表4 看出，除溫度外其他條件都相同，在天然膠乳緩慢膠乳過程中，隨著溫度的升高，軟化點(diǎn)也隨之升高，但是在180℃左右會(huì)降低，針入度大致呈上升趨勢，延度呈上升趨勢。軟化點(diǎn)和針入度在165 ～175 ℃呈現(xiàn)出較好的結(jié)果，延度雖然呈上升趨勢，但在165 ～175℃和175 ～185 ℃內(nèi)延度相差并不大，而且在溫度達(dá)到175 ～185 ℃時(shí)，瀝青會(huì)經(jīng)過一個(gè)漫長的過程，期間瀝青和天然膠乳會(huì)發(fā)生一定程度的老化，達(dá)不到理想的預(yù)期目標(biāo)。故取天然膠乳改性瀝青制備的最佳溫度為165 ～175 ℃。

1.3.2 穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑是一種保持高聚物塑料、橡膠、合成纖維等穩(wěn)定, 防止其分解、老化的試劑，可以減慢反應(yīng), 保持化學(xué)平衡, 降低表面張力, 防止光、熱分解、氧化分解提高儲存穩(wěn)定性。

在摻量、溫度等相同的條件下，制備有穩(wěn)定劑、無穩(wěn)定劑兩種樣品，通過基本實(shí)驗(yàn)指標(biāo)（表5）可看出，在有穩(wěn)定劑的情況下，三大指標(biāo)均比沒有添加穩(wěn)定劑較好；通過熒光顯微觀察（圖2）較直觀地可以看出，在有穩(wěn)定劑的情況下，天然膠乳分子分散較均勻。

表5 有無穩(wěn)定劑條件下天然膠乳改性瀝青檢測值Table 5 Detected value of natural latex modified asphalt with or without stabilizer

圖2 有無穩(wěn)定劑條件下熒光圖Fig.2 Fluorescence image with or without stabilizer

改性瀝青穩(wěn)定劑在一定的熱條件下產(chǎn)生活性基團(tuán)，與天然膠乳等聚合物分子鏈、瀝青活性基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)接枝，使天然膠乳與瀝青形成穩(wěn)定的膠體體系，從而提高改性瀝青的熱穩(wěn)定性，由圖2 可看出，穩(wěn)定劑可以使天然膠乳均勻分布在瀝青中，擴(kuò)大天然膠乳中橡膠相與瀝青的接觸面積，使其有更好的相容性，從而提高各方面性能。在表5 中，沒有穩(wěn)定劑的情況下，雖然針入度較好，但在實(shí)際運(yùn)用過程中，只要針入度滿足規(guī)范要求即可。

1.3.3 摻量

為更好地比較天然膠乳摻量對改性瀝青的影響，在穩(wěn)定劑等其他條件都相同的情況下，分別制備了天然膠乳摻量為3%、4%、5%、6%、7% 的天然膠乳改性瀝青樣品，檢測改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)，確定天然膠乳摻量在一定范圍內(nèi)，天然膠乳改性瀝青的最佳摻量為7%，見表6 和圖3。

表6 不同摻量下天然膠乳改性瀝青檢測值Table 6 Detected values of natural rubber latex modified asphalt under different content

圖3 離析試驗(yàn)的軟化點(diǎn)差ΔSPFig.3 The softening point difference ΔSP of the segregation test

由表6 看出，軟化點(diǎn)隨著天然膠乳摻量的增加呈上升趨勢，針入度和延度隨著天然膠乳摻量的增加呈下降趨勢，由圖3 可看出，隨著天然膠乳摻量的增加，軟化點(diǎn)差ΔSP 先下降后上升，等摻量為6% 時(shí)軟化點(diǎn)差ΔSP急劇上升，說明隨著天然膠乳的增加，天然膠乳改性瀝青的儲存穩(wěn)定性會(huì)下降，故天然膠乳最佳摻量為7%，要想增加天然膠乳的摻量可選用其他方法。當(dāng)天然膠乳的摻量較少時(shí)在瀝青中的分布數(shù)量相對較少，對基質(zhì)瀝青改性的效果并不明顯，當(dāng)天然膠乳的摻量較多時(shí)，會(huì)使天然膠乳改性瀝青的性能偏向天然膠乳，分子間布朗運(yùn)動(dòng)越大交聯(lián)固化越快，故只有在最佳摻量下，才會(huì)充分發(fā)揮天然膠乳和瀝青的優(yōu)勢，達(dá)到預(yù)期效果。

2 基本性能研究

2.1 瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

通過布洛克菲爾德黏度計(jì)（簡稱布氏黏度）旋轉(zhuǎn)法測定溫度為175 ℃時(shí)，選用21 號轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速為50r/min，測試不同天然膠乳摻量的布氏黏度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同天然膠乳摻量下布氏黏度檢測值Fig.4 Detected values of Brookfield viscosity under different natural rubber latex content

175℃布氏黏度隨著天然膠乳摻量的增加呈上升趨勢，表明天然膠乳摻量可提高瀝青的高溫性能。在摻量達(dá)到5% ～6% 時(shí)，布氏黏度急劇上升，說明摻量為5% ～7% 天然膠乳改性瀝青的高溫性能比天然膠乳摻量為3%～5%時(shí)要好。

2.2 瀝青薄膜加熱試驗(yàn)

將天然膠乳改性瀝青加熱到流動(dòng)性較好的條件下，分別在四個(gè)老化盤中倒入50±0.5 g 改性瀝青，在溫度為163±1 ℃的條件下，加熱5h 后，測其5℃延度與25℃針入度，結(jié)果見表7。

表7 不同摻量下老化瀝青檢測值Table 7 Detected value of aged asphalt under different content

由表7 可以看出，隨著天然膠乳摻量增加，薄膜加熱后的針入度數(shù)值呈上升趨勢，而延度大致呈下降趨勢、延伸性降低，在低溫環(huán)境中，天然膠乳和基質(zhì)瀝青材料本身偏向脆性易發(fā)生脆斷。瀝青老化過程中，瀝青組分大致按芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)的路線向重質(zhì)化的方向轉(zhuǎn)化，致使老化后瀝青的塑性下降。瀝青的極性分量均隨著老化而降低，極性分量的降低表明瀝青對水分子的吸附能力也有所減弱。

由圖5 在熒光顯微鏡下可明顯看出，天然膠乳改性瀝青在老化前后變化較大，通過分別取老化后天然膠乳改性瀝青上部1/3、中部1/3、下部1/3 進(jìn)行熒光顯微觀察，發(fā)現(xiàn)上部1/3、中部1/3 處的熒光顯微圖像和老化前的微觀效果相差較大。圖6 是老化后取底部1/3 處瀝青在放大倍數(shù)為400 倍和100 倍的熒光顯微鏡下觀察到的圖片，可以明顯看出，多數(shù)天然膠乳、穩(wěn)定劑出現(xiàn)在底部，說明天然膠乳和基質(zhì)瀝青只是簡單存在部分地吸附、相容，而并非完全熔融，隨著時(shí)間的變化穩(wěn)定性發(fā)生了變化，但具體是發(fā)生了簡單的物理變化還是化學(xué)變化還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

圖5 天然膠乳改性瀝青老化前后微觀效果Fig. 5 The microscopic effect of natural rubber latex modified asphalt before and after aging

圖6 老化后底部瀝青在不同放大倍數(shù)下微觀效果Fig.6 The microscopic effect of the bottom asphalt after aging under different magnifications

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了采用市售的天然膠乳進(jìn)行瀝青改性的可行性，確定了改性瀝青加工的工藝參數(shù)，通過常規(guī)瀝青試驗(yàn)和熒光顯微鏡試驗(yàn)確定了天然膠乳的最佳摻量和穩(wěn)定劑的作用，主要研究結(jié)論如下：

（1）天然膠乳改性瀝青的加工溫度宜控制在165 ～175 ℃，加入穩(wěn)定劑可以提高天然膠乳與瀝青的相容性，改善改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。

（2）針對研究中采用的原材料，最佳的天然膠乳摻量為瀝青質(zhì)量的7%，要提高改性瀝青的性能，需要進(jìn)一步提高天然膠乳的摻量。

（3）175℃布氏黏度隨著天然膠乳摻量的增加而增加，在一定范圍內(nèi)，天然膠乳摻量越多天然膠乳改性瀝青的高溫性能會(huì)越好。

（4）薄膜加熱試驗(yàn)后針入度變大，延度變小，粘度增大, 總體性質(zhì)變脆、變硬，在熒光顯微下看出老化前后熒光顯微效果相差極大，說明天然膠乳和基質(zhì)瀝青只是簡單存在部分地吸附、相容，而并非完全熔融，具體原因還需要進(jìn)一步研究。