常溫高黏改性瀝青的研制及性能研究

【摘" " 要】：為進一步提升稀漿類瀝青混合料的耐久性和路用性能，開發一種黏度高、穩定性良好的改性乳化瀝青——常溫高黏改性瀝青，采用先改性后乳化的工藝，在不同原材摻量下，分別對瀝青乳化前后的性能進行分析比較，確定采用8%SBS+2%增黏劑、乳化劑B1最佳摻量2.4%制備常溫高黏改性瀝青。通過拉拔試驗和濕輪磨耗試驗進一步驗證了常溫高黏改性瀝青黏結性能和拌和混合料抗磨耗性能遠超常規改性乳化瀝青。

【關鍵詞】：道路工程；常溫；高黏改性瀝青；乳化瀝青

Research on Development and Performance High Viscosity Modified Asphalt at Room Temperature

WANG Xinyao

（Tianjin Transportation Infrastructure Maintenance Group Co. Ltd.， Tianjin 300201， China）

【Abstract】：In order to further improve the durability and road performance of slurry asphalt mixtures， a high viscosity and good stability modified emulsified asphalt - room temperature high viscosity modified asphalt - was developed. The process of first modification and then emulsification was adopted， and the performance of high viscosity modified asphalt and before and after emulsified performance were analyzed and compared at different raw material dosages. It was determined that 8% SBS+2% viscosity enhancer was used for high viscosity modified asphalt， and the optimal dosage of emulsifier B1 was 2.4%. The adhesion performance of high viscosity modified asphalt at room temperature and the wear resistance of mixed mixtures were further verified through pull-out tests and wet wheel wear tests， which far exceeded conventional modified emulsified asphalt.

【Key words】：road engineering；room temperature; high viscosity modified asphalt; emulsified asphalt

我國公路建設已經逐步由“大規模建設”向“建養同步”轉變。通過對國省干線路況水平衰變分析，發現路面使用性能衰減較快，維修后的路面三年后不達優；因此對路面進行適時預防性養護十分必要。微表處技術作為一種提高原路面抗滑及抗水損害能力、延長路面壽命、美觀路容的預防性養護技術，近幾年得到了廣泛的應用；但其與原路面黏結效果較差、易脫落、噪聲大、表面功能衰減快、使用壽面較短，嚴重影響路面的安全性和舒適性，而解決稀漿類瀝青混合料系列問題的關鍵在于膠結料，即改性乳化瀝青的“升級”。目前常用的SBR改性乳化瀝青可極大增強混合料的低溫性能，但對提升高溫性能的作用有限[1]，且關鍵原材料需要進口，成本較高；SBS改性乳化瀝青對混合料高溫性能提升較大，但受常規制備工藝的影響，無法進一步提升SBS摻量且乳化后乳液穩定性較差，難以滿足使用要求。針對上述問題，開發一種黏度高、穩定性良好的改性乳化瀝青——常溫高黏改性瀝青。

1 高黏改性瀝青的制備

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

采用河北某廠家提供的70號A級道路石油瀝青。見表1。

1.1.2 SBS改性劑與增黏劑

SBS改性劑是一種熱塑性彈性體，是以苯乙烯和丁二烯為單位，采用陰離子聚合技術而得到的線形或者星形嵌段共聚物，本文選用線形SBS改性劑。增黏劑采用新型增黏劑，可顯著增強瀝青結合料與集料、瀝青混合料與原路面的黏結力，提高瀝青的低溫黏度，同時降低瀝青的高溫黏度，提高改性劑和瀝青相容性。

1.1.3 增延劑

采用A1型增延劑，可促進瀝青中飽和成分與瀝青質互溶，改善瀝青質的分散程度，增大瀝青的針入度、延度，降低瀝青軟化點和黏度。

1.1.4 穩定劑

穩定劑為含氮、氧、硫、磷等雜原子的化學交聯劑，具有較活潑的化學反應性能[2]，可使瀝青與SBS改性劑間發生化學反應并相互交聯。這類穩定劑的加入，可使整個體系形成網絡結構，提高SBS改性瀝青的耐熱性、耐候性、彈性及機械性能。

1.2 高黏改性瀝青的制備工藝

為保證高黏改性瀝青性能、兼顧成本，分別設置4組試驗以確定材料摻量。見表2。

分別制備高黏改性瀝青。首先將基質瀝青加熱，溫度控制在180～185 ℃，然后加入增延劑、SBS改性劑、增黏劑，以3 000～6 000 r/min的速度高速剪切40 min；最后加入穩定劑，以180 ℃左右溫度攪拌5～6 h。

隨著改性劑和增黏劑的增加，高黏改性瀝青的軟化點、5 ℃延度均有所增加。添加量為8%SBS+2%增黏劑時，軟化點可達92.5 ℃，5 ℃延度可達36 cm，保證高黏改性瀝青具有良好的高低溫性能；增黏劑對于提升高黏改性瀝青60 ℃動力黏度作用顯著，添加量為8%SBS+2%增黏劑時，動力黏度可達140 000 Pa·s以上，較高的動力黏度可以增加瀝青用量，使得瀝青混合料具有更大的瀝青膜厚度，改善瀝青集料界面的力學性能[3]，從而大大提高混合料的耐久性。見圖1-圖3。

確定SBS摻加比例8%、增黏劑摻加比例2%、增延劑摻加比例2%、穩定劑摻加比例0.2%制備高黏改性瀝青。

2 常溫高黏改性瀝青的制備

2.1 原材料

除了高黏改性瀝青外，常溫高黏改性瀝青制備材料還包括乳化劑、穩定劑、鹽酸。

2.1.1 乳化劑

由于高黏改性瀝青黏度和軟化點高的特性，對乳化溫度要求較高，須具有較高的乳化能力?？紤]到瀝青混合料拌和成型需要，乳化劑選擇陽離子快裂型乳化劑B1。

2.1.2 穩定劑

由于改性乳化瀝青中瀝青與水之間界面能的存在，導致整個乳液體系是一種很容易出現失穩現象的脆弱平衡體系；因此在制備改性乳化瀝青的過程中需要加入一定量的穩定劑，用來調節乳液的穩定狀態，延長乳液穩定儲存的時間。選用氯化鈣作為常溫高黏改性瀝青的穩定劑，通過增大瀝青微粒之間的斥力勢能，使得微粒相互凝聚的速率減小，提高乳液的穩定性[4]。

2.1.3 鹽酸

調節皂液pH值，保證乳液體系穩定。

2.2 制備工藝

采用改性乳化瀝青試驗機進行常溫高黏改性瀝青的制備。預先將瀝青泵、管道、膠體磨加熱，按比例稱取乳化劑，配制皂液，調節皂液pH值在1.5～1.8，溫度控制在80～85 ℃，將配制好的皂液倒入皂液罐中，將提前加熱的高黏改性瀝青倒入瀝青罐中，對皂液和瀝青進行加熱，使皂液溫度保持在80～85 ℃，瀝青加熱至190～195 ℃；根據比例對皂液和瀝青流量計進行設置（按瀝青固含量為60%設置）；分別對皂液和瀝青進行攪拌循環，二者經過膠體磨高速剪切，待乳液正常后冷卻得到成品乳化瀝青。

為確定乳化劑最佳摻量，采用外摻法，分別選取不同摻量的乳化劑，進行相關試驗，檢測其對常溫高黏改性瀝青性能的影響。

隨著乳化劑摻量的增加，常溫高黏改性瀝青蒸發殘留物軟化點和延度呈先增大后減小的趨勢，當乳化劑摻量為2.4%，蒸發殘留物軟化點和延度最大。見圖4和圖5。

乳化劑摻量的增加可顯著增強乳化效果，提高蒸發殘留物軟化點和延度，但是當摻量增加到一定程度時，過多的乳化劑會抑制乳化瀝青破乳后分子間的相互融合，從而導致蒸發殘留物軟化點和延度降低。此外，常溫高黏改性瀝青蒸發殘留物軟化點和延度均小于乳化前高黏改性瀝青的軟化點，主要是由于高黏改性瀝青經歷高溫乳化時SBS與瀝青離析，導致瀝青性能衰減。

隨著乳化劑摻量的增加，蒸發殘留物60 ℃動力黏度和儲存穩定性提高，當乳化劑摻量為2.4%以上后，兩者均趨于平衡。見圖6和圖7。

隨著乳化劑摻量增加，高黏改性瀝青的乳化效果顯著增強。當乳液體系達到均勻穩定的最佳狀態時，乳化劑摻量增加，對乳化性能和乳液穩定性影響不大。

乳化劑摻量過低時，可拌和時間較短，但是隨著乳化劑摻量的增大，可拌和時間呈先增大后降低的趨勢，乳化劑摻量為2.1%～2.4%時，可拌和時間＞120 s，說明乳化劑摻量過低時，乳化效果不好，破乳時間較快；隨著摻量增加，乳化效果逐漸增強，乳液體系趨于穩定，此時可拌和時間隨摻量的增加而縮短。見圖8。

綜上，乳化劑B1最佳摻量為2.4%。

3 常溫高黏改性瀝青性能評價

將乳化劑摻量為2.4%的常溫高黏改性瀝青與常規乳化瀝青進行比對試驗，從而進一步評價常溫高黏改性瀝青性能。

3.1 拉拔試驗

為評價黏結性能，進行拉拔試驗，檢驗層間拉拔強度。

1）將拉拔頭黏結在試件兩端，待養生后的乳化瀝青完全固化，將黏結好的試件置于（25±1）℃的環境下4 h。

2）調整拉伸速度為（10±2）mm/min，將黏結有拉拔頭的試件裝入拉力試驗機，開動試驗機拉伸至黏結破壞，整個過程從試件取出至試驗結束不超過2 min。

3）拉斷時，讀取最大拉力F作為試驗結果，精確到0.1 N；計算黏結面積，精確到1 mm2。

4）結果計算

（1）

式中：τTAT為拉拔強度，MPa；F為最大拉力，N；D為試件黏結位置直徑，mm。

25℃浸水1 h，常溫高黏改性瀝青拉拔強度為1.4 MPa，常規乳化瀝青拉拔強度為0.8 MPa。常溫高黏改性瀝青試件拉拔強度大于常規乳化瀝青，且強度超過1 MPa，具備更好的黏結性能。

3.2 濕輪磨耗試驗

選用粒徑3～5 mm、0～3 mm兩檔玄武巖集料，分別與常溫高黏改性瀝青和常規乳化瀝青拌和，進行濕輪磨耗試驗。見表3。

25 ℃浸水1 h和25℃浸水6 d兩種情況常溫高黏改性瀝青拌和混合料的磨耗值均小于常規乳化瀝青拌和混合料，說明常溫高黏改性瀝青拌和混合料抗磨耗性能好于常規常規乳化瀝青拌和混合料。見表4和圖9。

4 結論

1）作為制備常溫高黏改性瀝青的前期工藝，添加8%SBS+2%增黏劑+2%增延劑+0.2%穩定劑制備的高黏改性瀝青軟化點可達92.5 ℃、5 ℃延度可達36 cm，動力黏度可達140 000 Pa·s以上，保證常溫高黏改性瀝青具有良好的高低溫性能。

2）通過綜合比對，乳化劑B1摻量2.4%為最佳摻量，在保證常溫高黏改性瀝青乳液體系的穩定和充分的可拌和時間的同時，蒸發殘留物性能良好。

3）通過濕輪磨耗試驗和拉拔試驗，進一步驗證了常溫高黏改性瀝青拌和混合料抗磨耗性能遠超常規改性乳化瀝青，黏結性能也較常規改性乳化瀝青更為優異。常溫高黏改性瀝青將在瀝青路面養護領域發揮更好地作用。

參考文獻：

[1]王曉倩，陸江銀，邢" " 苗.綜述WRP、SBR、SBS改性瀝青制備方法和性能的比較[J].當代化工，2014，43（11）：2355-2357.

[2]李雪峰. 納米ZnO/SBS改性瀝青性能及共混機理研究[D]. 揚州：揚州大學，2006.

[3]孫" " 煒. 瀝青膜厚度對瀝青-集料界面力學性能的影響[D]. 合肥：合肥工業大學，2019.

[4]徐向陽.乳化瀝青的技術與應用[J].石油瀝青，2003，（3）：47-50.

收稿日期：2023-09-05

作者簡介：王新堯（1996 - ）， 男， 學士，遼寧葫蘆島人， 助理工程師， 從事瀝青路面材料研發與公路預防性養護技術研究工作。