SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青性能的影響

胡富貴, 田小革, 胡宏立, 李光耀, 郭常輝

(1.湖南建工交通建設有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.長沙理工大學 交通運輸工程學院, 湖南 長沙 410114)

常溫下乳化瀝青流動性較好,路用性能良好，施工簡單、環保[1],但在實際工程運用中,乳化瀝青存在破乳時間長、強度形成慢、體系不穩定等缺點[2],嚴重制約了其應用.近年來,隨著改性技術的提升,通過向瀝青中添加聚合物改性劑來改善瀝青相關性能的優勢愈發凸顯.目前常用的聚合物改性劑有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)膠乳、聚乙烯(PE)和乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)等.其中,SBR能夠改善瀝青黏結料的低溫性能[3],成為工程中常用的瀝青改性劑之一.

陳益平[4]對不同基質瀝青、不同SBR改性劑和乳化劑摻量下的SBR改性乳化瀝青進行路用性能分析,發現SBR膠乳摻量的增加使改性乳化瀝青蒸發殘留物增加、低溫性能增強,并且乳化劑的種類對改性乳化瀝青儲存穩定性有顯著影響.弓銳等[5]采用不同SBR膠乳改性劑制備出改性乳化瀝青,對比不同SBR膠乳品牌和摻量對改性乳化瀝青技術指標的影響,總結出SBR膠乳摻量對瀝青延度、軟化點和黏韌性的影響規律,得出最佳SBR品牌和SBR膠乳摻量;暢潤田等[6]通過測定改性乳化瀝青蒸發殘留物三大指標及流變行為曲線,研究了SBR膠乳摻量對乳化瀝青蒸發殘留物性能的影響,結果表明,在高溫和低頻區SBR膠乳對瀝青的彈性有一定程度的改善,隨著SBR膠乳摻量的增加,改善效果會有小幅提升.

本文以尋求SBR膠乳最佳摻量為目標,利用小型膠體磨制備得到不同SBR膠乳摻量的改性乳化瀝青(簡稱SBR改性乳化瀝青),通過對其進行針入度、軟化點、延度和儲存穩定性等常規試驗,以及不同溫度下的動態剪切流變儀(DSR)、彎曲梁流變儀(BBR)試驗,分析SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青各項性能指標的影響,并給出建議摻量,以期為實際工程應用提供參考.

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

基質瀝青采用東莞泰和瀝青有限公司產70#A級道路石油瀝青,具體指標如表1所示;改性劑采用濟南山海化工有限公司產SBR膠乳,具體指標如表2所示;乳化劑為季銨鹽1631,摻量(質量分數)為3.0%;穩定劑由聚乙烯醇(PVA)和無水氯化鈣按質量比1∶1復合而成,摻量為0.5%.另外采用質量分數為35%～37%的鹽酸為乳化劑提拱酸性環境.

表1 70#A級道路石油瀝青的主要技術指標

表2 季銨鹽1631與SBR膠乳基本性能

1.2 SBR改性乳化瀝青的制備

本文采用先乳化后改性[7]的制備工藝,利用小型膠體磨制備SBR改性乳化瀝青.具體制備流程如下：

(1)將基質瀝青置于135℃烘箱中3h左右,根據欲制備的乳化瀝青的總質量mE(g)和瀝青固含量Pb(%),按式(1)計算出所需瀝青的質量mb(g):

mb=mE·Pb

(1)

稱取質量為mb的瀝青,將其倒入135℃的瀝青罐中.

(2)按式(2)計算制備乳化瀝青所需要的蒸餾水質量mw.先向燒杯中倒入質量為mw的蒸餾水,將其加熱到70～85℃;然后將0.25%聚乙烯醇(PVA)溶劑加入到燒杯中,待PVA溶液溫度下降至65℃時,加入與PVA質量相同的無水氯化鈣,待其完全溶解后,即得到穩定劑;再加入一定質量(基質瀝青質量的3.0%)的乳化劑,利用鹽酸調節以上溶液(皂液)pH值,使乳化劑活性達到最佳值1.5～2.5.

mw=mE-mE·Pb

(2)

(3)開啟小型膠體磨,將準備好的皂液倒入其漏斗中,再將加熱至熔融狀態的基質瀝青沿漏斗邊緣緩緩倒入漏斗內,邊倒邊用玻璃棒攪拌,待基質瀝青全部倒入后,讓其在膠體磨中乳化約5min.

(4)乳化完成后,稱取設計摻量分別為瀝青固含物質量的0%、2%、4%和6%SBR膠乳,直接投入到乳化瀝青中,用玻璃棒不斷攪拌20～30min,使SBR膠乳均勻分散.將溫度計插入乳液中,待其內部溫度降至室溫后過篩,最后置于封閉容器中保存.

2 試驗方法及方案

乳化瀝青性能的好壞主要取決于破乳后的瀝青,由于破乳后的瀝青性能會受到乳化劑、穩定劑和改性劑等添加劑的影響,因此乳化瀝青殘留物的性質與基質瀝青可能會存在很大差別.為了較好地反映改性乳化瀝青的性能變化,制備SBR改性乳化瀝青,對其蒸發殘留物的針入度、軟化點、延度、儲存穩定性及高低溫性能進行測試,然后根據試驗結果,對改性乳化瀝青性能進行綜合評價.

2.1 常規性能試驗

依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,進行SBR乳化瀝青殘留物的針入度、軟化點、延度和儲存穩定性試驗,以評價其物理力學性能和儲存穩定性.

2.2 動態剪切流變試驗

采用DSR測定瀝青流變參數,按照美國國家公路與運輸協會AASHTO T 315—2002《Standard method of test for determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR) HM-22》規定的試驗方法,對SBR改性乳化瀝青進行不同溫度下的動態剪切試驗[8-9].根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，試驗溫度設定為51～71℃,選擇溫度掃描模式,溫度間隔為5℃,采用應變為12%的控制模式,試驗頻率為10rad/s,平行板尺寸為φ25×1mm.測得各改性乳化瀝青的復數模量(G*)和相位角(δ),并計算出相應的車轍因子(G*/sinδ).

2.3 彎曲梁流變試驗

采用美國CANNON公司產TE-BBR-F型BBR,按照AASHTO TP1規定的方法,對SBR改性乳化瀝青進行不同低溫條件(-12、-18、-24℃)下的彎曲梁流變試驗[9-11]，溫度控制在試驗溫度±0.1℃范圍內,試件尺寸為127.00mm×6.35mm×6.35mm.測得各SBR改性乳化瀝青在較低溫度下的蠕變勁度(S)和蠕變速率(m).

2.4 試驗方案

按照試驗室制備流程,將摻量為0%、2%、4%、6%的SBR膠乳分別添加到乳化瀝青中,對SBR改性乳化瀝青進行25℃針入度、軟化點、5℃延度和儲存穩定性試驗;通過高溫條件(51、56、61、66、71℃)下的DSR試驗和低溫條件(-12、-18、-24℃)下的BBR試驗[12],分析SBR改性乳化瀝青的高低溫性能指標與SBR膠乳摻量的變化情況;綜合考慮SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青各項性能指標的影響,確定出適宜的SBR膠乳摻量.

3 結果與分析

3.1 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青針入度、軟化點和延度的影響

各SBR改性乳化瀝青25℃針入度、軟化點和5℃ 延度的試驗結果,見表3.

表3 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青基本性能的影響

由表3可知：(1)SBR膠乳摻量的增加使得改性乳化瀝青的25℃針入度不斷減小,當SBR膠乳摻量從由2%增至4%時,針入度下降程度最大.(2)摻入SBR能提高改性乳化瀝青的軟化點,當SBR膠乳摻量為6%時,相比未摻加SBR膠乳的乳化瀝青軟化點升高了近20℃,表明SBR膠乳摻入對改性乳化瀝青的高溫性能有很大提高,原因可能是SBR膠乳的摻入及溶脹增加了瀝青分子的運動阻力,使得其在高溫下不容易發生變形.(3)5℃ 時,未添加SBR膠乳的乳化瀝青發生脆斷,加入SBR膠乳后延度明顯提高,當其摻量達到4%后,延度已經超過100cm,表明SBR膠乳的摻入極大地改善了改性乳化瀝青的低溫抗裂性能,原因是SBR顆粒吸收瀝青中的油分后充分溶脹,SBR顆粒之間容易形成連接網絡,使得瀝青的膠體結構逐漸由溶膠結構向溶-凝膠結構轉變,極大地改善了瀝青的彈性變形能力,宏觀上表現為瀝青延度的增加.

3.2 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青儲存穩定性的影響

乳化瀝青是一種油水混溶的不穩定體系,儲存過程中容易出現瀝青顆粒絮凝、聚結的現象,致使其在實際工程中的使用效果大大降低.不同SBR膠乳摻量的改性乳化瀝青1、5d的儲存穩定性試驗結果如圖1所示.由圖1可知：無論是1d還是5d,SBR改性乳化瀝青的儲存穩定性隨SBR膠乳摻量的增加而逐漸變差.其原因可能是SBR膠乳溶脹吸收了瀝青中的部分油分,油分的減少使得瀝青質與膠質這類大分子組分更容易聚結、絮凝,從而導致儲存穩定性下降;當SBR膠乳摻量高于4%時,改性乳化瀝青的軟化點差值明顯增加,尤其是5d時SBR膠乳摻量由4%增加到6%,其軟化點差增加了12.8%,表明過高的SBR膠乳摻量會對改性乳化瀝青的穩定性產生不利影響.

圖1 SBR改性乳化瀝青儲存穩定性Fig.1 Storage stability of SBR modified emulsified asphalt

3.3 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青高溫性能的影響

SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青在不同溫度下(51、56、61、66、71℃)的相位角,動態剪切模量及車轍因子的影響見圖2.

圖2 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青高溫性能的影響Fig.2 Effects of SBR latex contents on high temperature performance of modified emulsified asphalt

由圖2可知：(1)隨著溫度的升高,SBR改性乳化瀝青的δ逐漸增大,G*逐漸減小,G*/sinδ逐漸減小.這是因為當溫度升高時,瀝青材料內部彈性成分逐漸轉變成黏性成分,導致彈性成分比例逐漸減小,宏觀表現為瀝青由固態轉向為流動態;(2)在相同溫度下,隨著SBR摻量的增大,δ逐漸變小,G*逐漸增大,G*/sinδ逐漸增大,表明SBR膠的摻入可以提高乳化瀝青膠結料的抗變形能力.這是因為在高溫時,SBR顆粒相對于瀝青較硬,能夠阻礙瀝青的流動,另一方面,SBR顆粒吸收油分后充分溶脹,瀝青中油分含量的減少使得改性乳化瀝青的膠體結構逐漸由溶膠型向溶-凝膠型結構轉變,乳化瀝青蒸發殘留物中彈性成分的比例提高,使得其抵抗外界作用變形的能力增強.

在測試溫度范圍內,相位角的變化波動情況可以表征瀝青材料感溫性能的優劣.圖3為SBR改性乳化瀝青的相位角隨SBR膠乳摻量的變化情況.由圖3可知：SBR膠乳摻量為0%～4%時,改性乳化瀝青的相位角變化較為穩定;當SBR膠乳摻量由4%增至6%時,改性乳化瀝青的相位角變化值明顯變大,表明SBR膠乳摻入過多使得乳化瀝青的熱穩定性變差.

圖3 SBR改性乳化瀝青的相位角隨SBR膠乳摻量的變化Fig.3 Phase angle change with SBR latex content of modified emulsified asphalt

3.4 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響

SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響見圖4.由圖4可知：(1)相同溫度下,隨著SBR膠乳摻量的增大,改性乳化瀝青的S逐漸降低,但降幅逐步趨緩,且SBR摻量增至6%后,S略有回升,表明SBR膠乳摻量增加在一定程度上能夠改善其抗開裂能力.但在相同SBR膠乳摻量下,隨溫度降低,改性乳化瀝青的S均增大,表明溫度降低使得材料低溫性抗開裂能力變差,低溫開裂的可能性越來越大,但隨著SBR膠乳摻量的增大,改性乳化瀝青的低溫性質有所改善.(2)相同SBR膠乳摻量下改性乳化瀝青的m值均隨溫度的降低逐漸變小,表明溫度下降后材料變脆,從而容易發生低溫開裂的現象;相同溫度下,隨著SBR膠乳摻量的增大,改性乳化瀝青的m值逐漸增大,在-18℃時上升趨勢最為明顯,表明SBR膠乳的摻入提高了改性乳化瀝青在低溫下的抗開裂能力,而在-24℃時m值基本沒有變化,表明過低的溫度會降低SBR膠乳的摻入效果,同時也可以看出，在-12℃,SBR膠乳摻量為4%時,相應的m值達到峰值,往后略有降低,表明SBR膠乳存在一個最佳摻量.

圖4 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響Fig.4 Effects of SBR latex content on low-temperature performance of modified emulsified asphalt

有研究結果[12]表明：BBR試驗中60s時的m/S能夠更準確地反映材料低溫性能的優劣,m/S越大,表示材料低溫下抗開裂的能力越強.為了進一步了解SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響,對比了不同溫度下各SBR改性乳化瀝青的m/S,如圖5所示.

圖5 m/S隨溫度和SBR膠乳摻量變化曲線Fig.5 m/S varies with different temperatures and SBR latex contents

由圖5可知：不同SBR膠乳摻量下乳化瀝青的低溫指標m/S隨溫度的降低而減小,且降低的幅度也越來越小;在-12℃時,加入不同摻量的SBR膠乳可以明顯提高乳化瀝青的低溫性能;當溫度達到-18℃后,SBR膠乳摻量對乳化瀝青低溫抗裂性的影響較小.同時也可以看出,6%SBR膠乳摻量下乳化瀝青的m/S值小于其在4%摻量時的m/S值,表明SBR膠乳摻量超過4%,對改性乳化瀝青低溫性能的改善效果降低.

4 結論

(1)SBR膠乳摻量的增大使得改性乳化瀝青的針入度降低、軟化點升高、延度增大,表明SBR膠乳的摻加可以改善改性乳化瀝青的高低溫性能.

(2)SBR膠乳摻量的增大使得改性乳化瀝青的軟化點差值增大,表明SBR對乳化瀝青的穩定性產生不利影響.

(3)隨著SBR膠乳摻量的增加,改性乳化瀝青的高溫性能有很大改善;但當SBR膠乳摻量為6%時,改性乳化瀝青的熱穩定性降低.

(4)隨著溫度的降低,SBR膠乳摻量增大對改性乳化瀝青低溫性能的改善效果下降.當SBR膠乳摻量大于4%時,對改性乳化瀝青低溫性能改善效果降低.

(5)綜合考慮SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青各項性能的影響,SBR膠乳的建議摻量為4%.