基于宏觀性能與微觀性狀確定SBR膠乳在SBR改性乳化瀝青中的最佳添加量

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(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055； 2.北京首鋼國際工程技術有限公司總圖規劃事業部， 北京 100043; 3.包頭市公路局，內蒙古 包頭 014040)

1 前 言

改性乳化瀝青既保留了乳化瀝青的優點，又具有改性劑的特性，性能得到良好改善。SBR改性乳化瀝青因制作簡便，生產成本較低且性能優良，廣泛應用于瀝青路面修建養護中。因此，確定SBR改性劑的合理添加量對生產性能優良的SBR改性乳化瀝青至關重要。

近年來，國內外針對SBR改性乳化瀝青的相關研究[1-8]主要集中于其生產制備工藝及對乳化劑、穩定劑等添加劑的性能要求上，而對SBR改性乳化瀝青中膠乳的合理添加量主要根據蒸發殘留物三大指標等來確定，未有系統分析和研究。李自華[9]的研究表明SBR改性乳化瀝青比未改性的乳化瀝青具有更強的粘結性、抗變形性和抗剪能力。藺習雄[10]對乳化劑類型及用量、pH值，儲存溫度對SBR改性乳化瀝青穩定性的研究表明，只有同時兼顧這幾個因素時乳液的穩定性才能滿足規范要求。婁可可[11]通過熒光纖維系統參數化表征SBS改性瀝青的相態結構，其結果表明最大面積較其他參數更適合表征SBS改性瀝青的相態結構。周燦峰[12]對SBR改性乳化瀝青的生產工藝進行了研究，認為采用先改性后乳化的生產方法，SBR更易吸附瀝青中的油分，形成連續相。王朝暉[13]通過實驗、工廠化生產等環節考察了SBR膠乳、乳化劑及乳化瀝青相關助劑對改性乳化瀝青乳化效果以及改性乳化瀝青路用性能的影響，發現：SBR膠乳和相關助劑等分別對改性乳化瀝青具有一定的綜合效用，其中乳化劑的選型及添加量對乳化瀝青指標的影響較明顯。馮雷雷[14]通過實驗確定乳化溶液pH值為5～6、油溫為120℃、水溫為60℃的條件下，按SBR膠乳含量為3%、氯化銨為0.2%的組分配比，制備的改性乳化瀝青達到公路瀝青路面施工技術規范的質量要求，但對SBR膠乳最佳添加量的確定缺乏系統的實驗評價方法。

本文針對現有研究的缺陷，擬通過對SBR改性乳化瀝青粘度、儲存穩定性、粘附性實驗和微觀性狀分析，結合蒸發殘留物三大指標確定SBR最佳用量，以制備出具有較好溫度和組成穩定性、較好粘結力和抗水害能力的SBR改性乳化瀝青。

2 原材料的選擇和實驗設備

2.1 材料

①基質瀝青選用濱化牌70#重交道路瀝青，其性質見表1。②改性劑選用SBR膠乳，其性質見表2。③乳化劑選用慢裂型陽離子乳化劑，美德維實偉克生產的MQK-1M。④選用聚乙烯醇和無水氯化銨作為穩定劑。⑤采用外觀無色透明、潔凈、無雜質，pH值為6～8.5，硬度≯8度的蒸餾水作為溶劑。⑥選用鹽酸作為乳液pH值調節劑。

表1 基質瀝青的性質

表2 SBR膠乳的性質Table 2 Properties of SBR latex

2.2 實驗設備

實驗設備和儀器有：FM300型實驗室高剪切分散乳化機、針入度儀、瀝青延度試驗儀、瀝青軟化點試驗儀、掃描電鏡、差示掃描量熱儀(DSC)、電子天平、恒溫循環水浴箱等。

3 SBR改性乳化瀝青性能評價

3.1 粘度和5d儲存穩定性

為評價SBR膠乳用量對改性乳化瀝青性質的影響，選用2.0、2.5、3.0、3.5及4.0%五種不同膠乳量對改性乳化瀝青進行改性和性能分析。

恩格拉粘度是在規定溫度下，由恩格拉粘度計的流孔，流出50mL瀝青試樣所需時間與流出同體積水所需時間的比值，反映乳化瀝青黏度的大小。儲存穩定性是指在一定尺寸的玻璃管中，裝入改性乳化瀝青，靜置5d后，玻璃管上部和下部乳液固含量的差值。測試結果見圖1和圖2。

圖1 粘度與膠乳添加量的關系曲線圖Fig.1 Relationship between viscosity and latex content

圖2 5d儲存穩定性與膠乳添加量的關系曲線圖Fig.2 Relationship between 5d stability and latex content

由圖1可知，隨著SBR膠乳量的增加，粘度逐漸變大，因此，增加SBR膠乳用量可提高乳化瀝青粘度，提高其粘結性。圖2中SBR膠乳含量在2～4%之間，SBR改性乳化瀝青存儲5d后，上下部乳液固含量差值隨膠乳含量的增加而變大，其穩定性也逐漸變差。因此，SBR膠乳含量過小會導致乳化瀝青粘度不足，膠乳含量過大則乳化瀝青穩定性變差。

3.2 蒸發殘留物三大指標

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)的方法測試SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物的針入度、延度和軟化點，以此三大指標分析評價SBR膠乳對改性乳化瀝青性能的影響。將不同膠乳添加量SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物三大指標進行對比，結果如圖3～圖5所示。

圖3 軟化點與膠乳添加量的關系曲線圖Fig.3 Relationship between softening point and latex content

圖4 針入度與膠乳添加量的關系曲線圖Fig.4 Relationship between penetration and latex content

圖5 5℃延度與膠乳添加量的關系曲線圖Fig.5 Relationship between ductility and latex content

圖3中隨SBR膠乳添加量的增加，軟化點呈上升趨勢，這說明乳化瀝青的高溫穩定性提高；當SBR膠乳添加量在2～3%時，曲線切線斜率逐漸變大，軟化點上升速率較快；在3～4%之間曲線切線斜率逐漸變小，軟化點在此區間內上升速率變小，轉折點在3～3.5%之間。SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物針入度隨SBR膠乳添加量的提高而下降，表明乳化瀝青的高溫穩定性得到提高。其中針入度在膠乳含量2～3%之間時快速下降，膠乳含量3～4%之間時下降趨勢變緩。由圖5可看出，膠乳含量≥2%時，SBR改性乳化瀝青5℃的延度均為最大值200cm。通過以上試驗指標分析，初步認為SBR膠乳添加量控制在3～4%之間較合適。

3.3 粘附性

公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程中粘附性實驗采用水煮法，以裹附面積為評判標準，對瀝青與粗集料的粘附情況進行定性評價。借鑒王偉明、吳昕懷[11]的粘附實驗方法，本文采用如下實驗步驟對乳化瀝青粘附性進行評價。

(1)將13.2～19mm形狀接近立方體的集料烘干，冷卻至室溫后，稱取200g，用細線將集料顆粒逐個系好放入干燥器中備用。

(2)取兩個容量為2000mL的大燒杯，分別倒入1000mL的蒸餾水和1000mL經1.18mm濾篩過濾的SBR改性乳化瀝青試樣。

(3)先將集料顆粒放入盛蒸餾水中的燒杯中，浸水45s。然后立即提出集料放入到盛有SBR乳化瀝青的燒杯中，浸入乳化瀝青中45s。

(4)將裹覆瀝青的集料顆粒懸掛于實驗架上，下方墊紙一張，使多余的瀝青流掉，并在室溫下冷卻15min。

(5)待集料顆粒完全冷卻后，逐個浸入盛有煮沸水的大燒杯中央，調整加熱爐，使燒杯中的水保持沸騰狀態，但不能有沸開的泡沫。

(6)浸煮3min后，將集料從水中取出，冷卻24h后稱取剪掉細線后集料的質量M。

以集料單位面積上粘附的瀝青量和瀝青膜厚度來評價乳化瀝青的粘附性，單位面積集料上粘附的瀝青量按式(1)計算，瀝青膜厚度按式(2)計算。

(1)

(2)

式中：P為集料單位面積粘附的SBR改性乳化瀝青質量；S為集料的比表面積，單位為 m2/g，按現行施工技術規范規定計算得出，集料比表面積為0.39m2/kg；ρ為乳化瀝青蒸發殘留物的相對密度。按此方法分別對不同SBR膠乳添加量的SBR改性乳化瀝青進行粘附性實驗，實驗結果見圖6和圖7。

圖6 膠乳含量與集料單位面積粘附瀝青質量的關系Fig.6 Relationship between absorbed asphalt on unit area of aggregate and latex content

圖7 膠乳含量與瀝青膜厚度的關系Fig.7 Relationship between asphalt film thickness and latex content

由圖6和圖7可看出，隨著SBR膠乳添加量的增加，集料表面單位面積粘附的瀝青質量和厚度不斷增加，這說明增加SBR膠乳用量可提高乳化瀝青的粘附性。在圖6中，SBR膠乳添加量在2～3%時曲線快速上升，在3～4%時上升速度減緩。由圖7中可以看出SBR膠乳添加量在2.5～3.5%時，瀝青膜厚度增加趨勢較為明顯，在3.5～4%時，增加趨勢減緩。集料表面單位面積上吸附的乳化瀝青多、瀝青膜厚度大，表明其粘附性及抗剝落性越好。

綜合評價不同SBR膠乳添加量SBR改性乳化瀝青的粘度、5d儲存穩定性、粘附性以及蒸發殘留物三大指標，認為SBR膠乳添加量宜在3～3.5%之間。

3.4 微觀分析

3.4.1微觀結構掃描電鏡分析 制備不同SBR膠乳含量的改性乳化瀝青，各取少量滴于5塊載玻片上，并將五種試樣依次編號以便區分，然后將乳化瀝青密封、晾干，防止試樣表面落入灰塵，最后將制備好的試樣進行抽真空和鍍金處理，在5000倍的放大倍數下進行掃描電鏡觀察，如圖8所示。

膠乳含量為2%時樣品中存在稀疏的膠乳小顆粒，膠乳含量為2.5%的試樣中顆粒變多。膠乳含量為3%的樣品中膠乳顆粒密度明顯增大，顆粒很小。膠乳含量為3.5%的試樣與3%的試樣相比，膠乳顆粒變少，尺寸稍變大。膠乳含量為4%的試樣膠乳顆粒大且稀疏。綜上分析可知，膠乳含量在2～3%時，隨著膠乳含量的增加，膠乳顆粒的數量不斷增加，且顆粒較小。膠乳含量在3～4%時，膠乳顆粒數量減小，半徑變大。這說明當SBR膠乳含量為3%時，膠乳以小而密的形式存在于乳化瀝青中，與乳化瀝青接觸面積最大，即溶解度最大。當含量超過3%時，膠乳開始聚集，不能很好地分散在乳化瀝青之中。實驗結果表明SBR膠乳含量在3～3.5%時分布最佳。

3.4.2DSC分析 瀝青在溫度變化過程中的熱效應可以用差示掃描量熱試驗來測定。DSC譜圖吸收峰的位置和吸熱量可表征瀝青中組分發生聚集態的微觀變化，可以此評價瀝青的熱穩定性。一般地，吸熱峰越高，說明瀝青在該溫度區間發生變化的組分數量越多；吸熱峰越寬，表明發生變化的組分種類越多，瀝青越不穩定，反映在宏觀上是物理性質變化較大，如儲存穩定性差、溫度穩定性差異大等。五種試樣DSC分析曲線如圖9所示。

表3是根據DSC分析曲線整理的數據，反映不同膠乳含量時，改性乳化瀝青達到吸熱峰所需溫度和達到峰值所吸收的熱量。

圖8 不同膠乳含量改性乳化瀝青的掃描電鏡照片 (a) 2%; (b) 2.5%; (c) 3%; (d) 3.5%; (e) 4%
Fig.8 SEM image of different content of latex modified asphalt emulsion

圖9 不同膠乳含量改性乳化瀝青的DSC分析結果 (a) 2%; (b) 2.5%; (c) 3%; (d) 3.5%; (e) 4%
Fig.9 Different content of latex modified emulsified asphalt DSC curves

表3 不同膠乳含量試樣達到吸熱峰所需溫度和達到峰值時所吸收的熱量對比

分析DSC曲線發現，5種不同含量膠乳的乳化瀝青中，3.5%的試樣在82.07℃時出現吸熱峰值，較其他試樣出現吸熱峰的溫度低，并且吸熱曲線峰值也最低，這說明其發生變化的組分數量較少，即這一膠乳含量的SBR改性乳化瀝青較為穩定。同時3%的試樣在出現峰值處的寬度最窄，表明3%的SBR改性乳化瀝青較為穩定。相同實驗條件下，吸熱量越大，表明物質內能越大，物質越不穩定，以此原理對實驗數據和圖像進行分析，可認定SBR在3～3.5%之間吸熱量較小，乳化瀝青較為穩定。

綜合考慮宏觀和微觀分析結果，參考施工技術規范對拌和型SBR改性乳化瀝青的技術要求，同時考慮經濟因素，最終認為SBR膠乳用量在3～3.5%之間為最佳。

4 結 論

1.粘度試驗和5d儲存穩定性試驗表明，SBR膠乳添加量過大或過小均會影響SBR改性乳化瀝青的粘度和穩定性。結合不同膠乳含量SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物三大指標，初步認為SBR膠乳含量在3～4%較為合適，最終結合粘附性試驗指標及微觀試驗結果確定SBR膠乳含量在3～3.5%時為最佳。

2.SBR改性后的乳化瀝青延度得到顯著提高，粘度也得到相應提高，這說明SBR對乳化瀝青的低溫性能及粘結性和粘附性都有良好改善效果。

3.掃描電鏡觀察顯示SBR膠乳含量為3.5%時，膠乳以密而小的液滴較均勻地存在于乳化瀝青中，說明乳化瀝青對于SBR膠乳的最佳溶解度在3.5%左右。

4.DSC差示掃描量熱分析表明膠乳含量較大或較小時，SBR改性乳化瀝青達到吸熱峰所需溫度值和達到峰值所吸收的熱量均較大，說明SBR膠乳摻量存在一個最佳區間，這一區間為3～3.5%，此區間膠乳含量下的SBR改性乳化瀝青組分較為穩定，性能也易保持穩定。

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