SBS膠乳的制備及改性性能試驗

文 / 重慶市公路事務中心 韓輝 成都市本邦路橋新材料有限公司 何毅 趙西杰 王勁松

公路養護行業已成為道路行業發展重點，乳化瀝青的應用也大幅度提升；然而傳統乳化瀝青因設備制約，高低溫性能不理想。本研究從材料角度出發，開發出了SBS膠乳，擬從材料角度提高乳化瀝青高低溫性能。本文從SBS膠乳制備到SBS膠乳改性乳化瀝青的測試，確定SBS膠乳對提高高低溫性能的有效性，可以作為未來技術提升方向。

公路維修養護以及預養護已成為我國道路行業的重點發展方向。乳化瀝青由于其施工方便，環境污染小，開放交通快，能耗低等優點，已經得到廣泛應用。但傳統的乳化瀝青其粘結能力以及耐高溫性能均不理想，目前，中國主要采用SBR膠乳對乳化瀝青進行改性，SBR改性瀝青具有優良的高溫性能、低溫性能，但其提高乳化瀝青性能有限。因此國內出現了各種增加乳化瀝青性能的技術方向，如方案一提高設備性能，使膠體磨能生產粘度更高的改性SBS瀝青，從而提高乳化瀝青性能，該方案目前已經在國內廣泛使用，在微表處，同步碎石方案中都有廣泛應用；方案二水性環氧樹脂改性乳化瀝青，水性環氧乳化瀝青具有一般熱固性材料的特征，固化交聯后形成網絡結構，膠體彈性高，在荷載反復作用下和在低溫或140 ℃左右的高溫條件下不變形、不開裂、不熔融，黏結強度優于普通瀝青和SBR改性瀝青、橡膠瀝青等一般改性瀝青。近年來，水性環氧乳化瀝青開始在瀝青路面黏層、橋面鋪裝黏結層、白加黑路面黏層、微表處、霧封層、冷拌混合料、儲存式混合料和冷再生混合料等方面得到了一定的應用。SBS改性瀝青來制備的乳化瀝青，性能雖然優異，但工藝復雜，對乳化劑性能、材料配方和乳化設備要求較高，尤其是高SBS 摻量（≥5%）的改性乳化瀝青制備難度極大，因而大規模生產具有一定局限性。采用環氧乳液改性乳化瀝青，則價格高昂。

本文主要嘗試制備SBS膠乳，通過SBS膠乳改性乳化瀝青，從而提高乳化瀝青性能方向上進行探討。直接摻加SBS乳液雖環境友好，安全，但其分子量較大，呈顆粒狀，對其乳化及其困難，目前國內對SBS乳化研究也較少。本文采用全新工藝，制備出一種高性能的SBS乳液，能直接與傳統乳化瀝青混合使用，由于乳化瀝青與SBS乳液產生協同效應，干燥后的瀝青軟化點大大提高，同時改善了瀝青粘結性能。

膠乳制備

試驗原料

瀝青：中海70，陽離子乳化瀝青；乳化劑：ZQ非離子型（復配型自制）；溶劑：礦物油，環己烷；改性劑：SBS-791；穩定劑：CaCl2，聚丙烯酰胺，鹽酸。

試驗設備

瀝青乳化機：溫州興達機械制造廠。

制備工藝

制備SBS乳液工藝。首先將線型SBS顆粒與特種礦物油采用螺桿機進行混合溶脹；然后采用雙輥機進行剪切降解，降低其分子量，便于乳化；溶脹產物再溶解于環己烷中，添加乳化劑，在高速剪切滴加水乳化；最后蒸餾出溶劑，得到SBS乳液。

膠乳制備

取50gSBS-791放置于容器中，加入一定量的礦物油，放置2h，使得SBS充分溶脹；容器中的混合液，采用剪切機充分攪拌分散，攪拌均勻即可。

將攪拌均勻的混合物添加進雙輥機中剪切降解，降低分子量，并將入定量的環己烷，使其充分混溶；

在混溶中加入定量的ZQ復配自制乳化劑，在高速剪切下滴入定量的蒸餾水乳化，乳化機轉速為16000rpm,作用30min，得到乳液；

對于陽離子乳化劑，主要在酸性條件下使用。本實驗采用鹽酸調節乳化劑的PH值，將乳液PH值調整在6。

最后將乳液采用減壓蒸餾分出溶劑，得到SBS乳液。

膠乳性能試驗

乳化劑用量的影響

乳化劑的用量少，乳化效果不好，乳液中瀝青微粒粒徑大小不均，體系的存儲穩定性下降；用量多，成本增高，照成浪費。通過考察乳化劑用量對于存儲穩定性的影響，進而可以確定乳化劑的最佳用量。影響見圖1。

圖1

從圖1可知，乳化劑最佳用量為0.6%，在0.2-0.6范圍內，隨著乳化劑用量的增加，穩定性大幅度提高，當用量大于0.6時，穩定性幾乎保持不變。主要原因為，乳化劑用量較少時，乳化劑不能使水的表面張力充分降低，瀝青和水幾乎是直接接觸著的，乳化效果不好，穩定性差；隨著乳化劑量的增加，乳液趨于穩定狀態，在增加乳化劑的用量，乳液穩定性的變化不大。

穩定劑用量的影響

用單一乳化劑制備瀝青乳液，其乳液顆粒會粒徑大小不一，出現不穩定態，從而會產生絮凝、沉降等現象。

如果在單一乳化劑中添加穩定劑制備瀝青乳液，則可以得到顆粒均勻的乳液。穩定劑按種類包括無機穩定劑和有機穩定劑。其中穩定效果最好的無機類物質為氯化銨和氯化鈣。有機鹽類穩定劑有胺類、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉等，因此選擇適宜的穩定劑是保證乳化瀝青穩定的重要措施。

試驗在最佳乳化劑用量的條件下，分別考察無機穩定劑CaCl2、有機穩定劑聚丙烯酰胺及其1:1復配型對改性乳化瀝青存儲穩定性影響，見圖2。

圖2

圖2表明，有機類、無機類、復配類，膠乳儲存穩定都能起到明顯的作用。穩定性不隨穩定劑用量的增加而呈現升高的趨勢，而是存在一個最佳值。這主要是因為穩定劑能增加乳液顆粒的雙電層效應，增加電位和顆粒之間的相互排斥力，顆粒間的排斥力達到某一平衡時，顆粒間才可以達到穩定狀態，排斥力太大太小，都使得顆粒之間存在不穩定。

CaCl2、聚丙烯酰胺及復配型，最佳用量均為0.15%。聚丙烯酰胺的穩定效果，優于其他兩者。

固含量的影響

固含量越高，乳化效果越差，且穩定性不好。采用最佳乳化劑用量、最佳穩定劑用量，嘗試制備不同固含量的SBS膠乳，已確定最佳固含量。

從圖3可知，40%固含量以下，穩定性良好，固含量超過40，穩定性急劇下降。因此根據穩定性判斷，最佳固含量應在40%-50%之間。

圖3

膠乳改性乳化瀝青性能測試

采用制備好的膠乳和乳化瀝青按不同摻量復配，對復配后的三大指標測試如表1表2。

表1 SBS膠乳性能

表2 不同摻量SBS膠乳性能測試

從測試結果看出，摻量的提升對針入度，延度的影響不大，但對軟化點的提升較大。我們采用10%的添加比例對改性乳化瀝青進行全套數據測試如表3。

表3 改性乳化瀝青測試

混合料性能測試

根據目前國內微表處使用的情況，主要采用SBR膠乳，添加量為乳化瀝青的3%，在此基礎上，我們選用下述材料及配比進行混合料對比試驗。

從表4圖4數據可以看出，SBS膠乳相比與SBR膠乳能明顯提高冷拌混合料的內聚強度，從而提高了混合料的強度，耐久性。

表4

圖4

結論

經過試驗研究，確定了乳化劑最佳用量0.6%，選定了穩定劑種類聚丙烯酰胺及最佳摻量0.15%，并從膠乳穩定性角度出發，選擇了適宜的固含量45%；

從膠乳改性乳化瀝青及混合料性能來看，SBS膠乳對混合料的內聚強度有明顯提高，高溫性能提升明顯，彈性回復性能提升明顯。