楊同偉

(鄭州路橋建設(shè)投資集團有限公司，河南 鄭州 450000)

乳化瀝青以節(jié)能環(huán)保、綠色施工的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)及養(yǎng)護工程中，其具體應(yīng)用范圍諸如新建道路的粘層、透層和封層，以及橋梁的橋面防水粘接層等，還可制備冷補瀝青混合料用于微表處或處理路面坑槽等方面[1-2]。但在實際工程應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青從破乳到形成強度過程較為緩慢，且最終的強度和路用性能已無法滿足道路功能的需求，尤其是近年來交通量的迅速增長、重型車輛的增多，道路服務(wù)水平也在不斷提高，對乳化瀝青在道路中的使用性能也提出了更深層次的要求和挑戰(zhàn)[3-4]。

結(jié)合國內(nèi)外研究，目前主要是采用聚合物改性劑提高乳化瀝青的性能，常用的聚合物改性劑主要是三嵌段共聚物(SBS)、聚乙烯(PE)和丁苯橡膠(SBR)膠乳等，目前工程上應(yīng)用最多的是丁苯橡膠SBR改性乳化瀝青[5-6]。為提高乳化瀝青及其混合料的性能，有學(xué)者研究了SBR與水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青延度、軟化點的影響，并利用低溫劈裂試驗和車轍試驗對改性乳化瀝青混合料的性能進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)SBR與水性環(huán)氧樹脂顯著改善了乳化瀝青及其混合料的高低溫性能[7]；研究了SBR膠乳改性瀝青的制備工藝，以及SBR膠乳的品牌及用量對乳化瀝青高低溫性能的影響，結(jié)合改性乳化瀝青性能，給出了性能最優(yōu)的SBR膠乳及摻量，并推薦采用先乳化后改性的制備工藝[8]。

為了確定SBR膠乳的最佳摻量，為類似工程應(yīng)用提供參考，本文將從常規(guī)3大指標(biāo)和儲存穩(wěn)定性、DSR和BBR流變試驗等方面研究SBR膠乳摻量對于改性乳化瀝青各方面性能的影響。

1 原材料性能與改性乳化瀝青制備

1.1 原材料性能

采用泰普克70號A級基質(zhì)瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中相關(guān)試驗方法對其各項技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，各項性能均滿足要求，具體如表1所示；SBR膠乳改性劑選用美國維實偉克生產(chǎn)的型號為1468陽離子SBR膠乳，乳白色液體，其固含量為60%，pH值為3～5；乳化劑選用江蘇某新材料有限公司研制的JY-R4慢裂快凝型陽離子乳化劑，白色膏體，活性成分含量為65%，pH值為6～7，JY-R4摻量為2%；穩(wěn)定劑利用有機聚乙烯醇與無機無水氯化鈣復(fù)摻，其用量各占0.3%。

表1 泰普克 A-70#道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical index of TPK A-70# road petroleum asphalt

1.2 改性乳化瀝青制備

目前針對改性乳化瀝青制備主要分為3種方式，第1種是先制備SBR改性瀝青再進(jìn)行乳化，但由于改性瀝青加熱需要較高溫度，且黏度較普通瀝青大，對于膠體磨乳化機性能要求較高，且易造成膠體磨堵塞，乳化難度增大；第2種是在乳化過程中進(jìn)行改性，即將SBR膠乳與皂液均勻混在一起，該方法操作簡單，但剪切時間較長，且乳化瀝青易發(fā)生破乳而導(dǎo)致乳化失??；第3種是先制備乳化瀝青，然后將SBR膠乳加入乳化瀝青中攪拌均勻即可，操作過程簡單，可獲得穩(wěn)定的SBR改性乳化瀝青乳液[9]。經(jīng)過研究對比，本文最終選用第3種先乳化后改性的制備工藝。

本研究利用丹麥DEP0.3R乳化機制備乳化瀝青，首先將基質(zhì)瀝青在(135±5)℃烘箱中加熱至流淌狀態(tài)，取出倒入乳化機的瀝青罐中，并將調(diào)制好的皂液倒入乳化機皂液罐中，皂液調(diào)制方法：將一定量的潔凈自來水加熱至80 ℃左右，放入0.3%聚乙烯醇攪拌均勻，待溫度將至60 ℃時加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的無水氯化鈣和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%JY-R4乳化劑并充分溶解，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%的鹽酸將皂液pH值調(diào)節(jié)至2～3即可。乳化機顯示屏設(shè)置好參數(shù)后，可開啟乳化機制備乳化瀝青；然后取5份制備好的乳化瀝青分別加入2%、3%、4%、5%的SBR膠乳(占乳化瀝青固含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，并不斷攪拌30 min左右，使SBR在乳化瀝青中分散均勻，SBR改性乳化瀝青即制備完成，其制備工藝流程如圖1所示。

圖1 SBR改性乳化瀝青制備工藝流程Fig.1 Preparation process for SBR modified emulsified bitumen

2 乳化瀝青性能

2.1 儲存穩(wěn)定性

乳化瀝青是由瀝青、乳化劑、穩(wěn)定劑和水等組成的油水混合物，具有易凝聚破乳、儲存不穩(wěn)定的特點，為測試SBR改性乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性，將新制SBR改性乳化瀝青裝入儲存穩(wěn)定儀試管中，分別測試1、5 d儲存穩(wěn)定性試驗，取試驗管的上下支管內(nèi)的乳化瀝青進(jìn)行蒸發(fā)試驗，以殘留物含量差值作為評價指標(biāo)，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 SBR膠乳摻量對儲存穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of SBR latex incorporation on storage stability

從圖2可以看出，儲存1、5 d的乳化瀝青蒸發(fā)殘留物含量差值隨SBR膠乳摻量增加而逐漸增大，儲存1 d時，SBR膠乳摻量為5%對應(yīng)的殘留物含量，已不滿足規(guī)范1%的要求，說明SBR膠乳對于乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性具有不利影響。一方面原因可能是摻入的SBR膠乳在溶脹過程中吸收了瀝青中的輕質(zhì)油分，留下大分子的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)將會依靠分子間的作用力產(chǎn)生聚集，發(fā)生乳化瀝青破乳現(xiàn)象[10]所致；另一方面原因可能是SBR膠乳在瀝青中形成的相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也會對乳化瀝青的儲存穩(wěn)定體系造成一定影響。

2.2 常規(guī)性能

為研究SBR改性乳化瀝青對常規(guī)性能的影響，本文取新制備的SBR改性乳化瀝青進(jìn)行蒸發(fā)殘留物試驗，利用蒸發(fā)殘留物分別進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點和5 ℃延度試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 SBR膠乳摻量對蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能影響Tab.2 Effect of SBR latex mixture on the conventional performance of the evaporation residue

由表2可知，隨著SBR膠乳摻量增加，針入度在減小，軟化點和延度在增大；相對于不摻SBR膠乳的普通乳化瀝青，摻量5%SBR膠乳的乳化瀝青對應(yīng)的針入度降低了14%，而軟化點增大了14.1 ℃，延度增加了101 cm。另外，從整個變化趨勢來看，SBR摻量從0%增到4%時，3大指標(biāo)的變化幅值較大，當(dāng)其摻量大于4%后變化幅值明顯減小。說明SBR膠乳可以改善乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的粘性，增加乳化瀝青殘留物的延展性和抗裂性，對于乳化瀝青的高溫抗變形、溫度敏感性和低溫松弛特性具有顯著的改善作用。一方面是由于SBR膠乳加入后吸收了瀝青中的輕質(zhì)油分，增加了瀝青的粘性成分，制約了瀝青的流動性；另一方面，SBR加入后吸收油分產(chǎn)生溶脹反應(yīng)，并形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使瀝青膠體類型發(fā)生改變，即從溶膠型開始轉(zhuǎn)向溶-凝膠型。

2.3 高溫流變性能

動態(tài)剪切流變試驗(DSR)能夠很好地模擬瀝青路面在外界荷載作用下的動態(tài)變形效應(yīng)，它是利用試驗得到的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ進(jìn)行表征的，其分別代表了瀝青膠結(jié)料的粘性和彈性性能，復(fù)數(shù)剪切模量愈大，說明抵抗變形的能力愈強，而相位角愈大，相應(yīng)的粘性成分占比愈高，復(fù)數(shù)剪切模量與相位角正弦值的比值成為車轍因子，其表征了瀝青在一定溫度下所具有的抗永久變形能力[11]。本文采用動態(tài)剪切流變儀對SBR改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物進(jìn)行高溫流變性能評價，試驗選擇應(yīng)力控制模式，荷載頻率選擇1.59 Hz，溫度掃描范圍設(shè)置為40～80 ℃，從試驗結(jié)果中選取了52、56、60、64 和68 ℃這5個溫度對應(yīng)的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)對SBR改性乳化瀝青進(jìn)行評價，試驗結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 SBR膠乳摻量對相位角的影響Fig.3 Effect of SBR emulsion mixing on the phase angle

圖4 SBR膠乳摻量對復(fù)數(shù)模量的影響Fig.4 Effect of SBR latex incorporation on the complex number modulus

圖5 SBR膠乳摻量對車轍因子的影響Fig.5 Effect of SBR latex mixing on the rut factor

從圖3～圖5可以看出，隨著溫度升高，相位角δ逐漸增大，復(fù)數(shù)剪切模量G*和車轍因子在不斷減小。說明溫度升高時瀝青材料受熱軟化導(dǎo)致流動性增加，其實質(zhì)是一部分彈性成分轉(zhuǎn)換成了粘性成分；同時說明在較高的溫度下瀝青路面很容易產(chǎn)生渠化交通形成車轍。隨著SBR膠乳摻量的增加，在同樣的溫度下相位角有所減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子在增加，說明加入SBR膠乳可以一定程度抑制瀝青的彈性成分向粘性成分轉(zhuǎn)變，從而提高瀝青的高溫抗車轍變形能力，一方面是由于SBR膠乳在瀝青中形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制了瀝青的流動；另一方面，SBR膠乳吸收瀝青的油分發(fā)生溶脹反應(yīng)，降低了瀝青對于溫度的敏感性，提高了抵抗外界荷載的能力，從而改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性。

2.4 低溫流變性能

瀝青膠結(jié)料是影響瀝青路面耐久性的重要因素之一，因此，對于研究瀝青膠結(jié)料使用性能具有重要的意義。彎曲梁流變試驗是美國SHRP計劃中用于評價瀝青低溫性能的重要方法，主要是采用試驗加載至第60 s時的蠕變勁度S和蠕變速率m為評價指標(biāo)；而蠕變勁度S可以用于模擬瀝青路面在低溫狀態(tài)下，由于溫差變化而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，數(shù)值越大表明發(fā)生裂縫的可能性就越大；蠕變速率m則體現(xiàn)了瀝青試樣在低溫收縮應(yīng)力狀態(tài)下的松弛能力。SHRP規(guī)范中要求蠕變勁度S不應(yīng)超過300 MPa，蠕變速率m不低于0.3[12]。為了評價SBR改性乳化瀝青膠結(jié)料的低溫性能，本文采用蠕變勁度測定(BBR)法對SBR改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 SBR膠乳摻量對蠕變勁度的影響Fig.6 Effect of SBR latex incorporation on creep strength

圖7 SBR膠乳摻量對蠕變速率的影響Fig.7 Effect of SBR latex incorporation on the creep rate

從圖6和圖7可以看出，隨著SBR膠乳摻量的增加，SBR改性乳化瀝青殘留物的蠕變勁度S整體上在減小，蠕變速率m呈現(xiàn)增大趨勢，然而當(dāng)SBR摻量大于0.4%后，蠕變勁度略微升高，蠕變速率有降低的趨勢。此外，在SBR膠乳摻量一定時溫度降低會導(dǎo)致瀝青變得更加脆硬，蠕變勁度大幅增加，且蠕變速率急劇減小?？梢钥闯觯琒BR膠乳對于乳化瀝青低溫性能具有很好的提升作用，它能夠降低乳化瀝青的低溫脆性，增加柔韌性，從而提高乳化瀝青在低溫時的彈性恢復(fù)和應(yīng)力松弛特性。

研究表明[13]，蠕變速率(m)與蠕變勁度(S)的比值能夠很好地表征瀝青膠結(jié)料的低溫特性，其比值越大說明瀝青的低溫性能越好，為了進(jìn)一步分析SBR改性乳化瀝青的低溫性能，SBR膠乳摻量與其比值的關(guān)系表達(dá)如圖8所示。

圖8 SBR膠乳摻量和蠕變勁度與蠕變速率的關(guān)系Fig.8 Relationship between SBR latex mixture and m/S

從圖8可以看出，在3種試驗溫度下，其比值與SBR膠乳摻量的關(guān)系整體上是一致的，隨著SBR摻量的增加，其比值逐漸增大，在SBR摻量為4%時達(dá)到峰值；而在摻量為5%時有所減小，說明SBR膠乳在一定摻量內(nèi)能夠促進(jìn)乳化瀝青的低溫抗裂性。但SBR膠乳摻量過大反而會存在不利影響，具體原因有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語

(1)通過儲存穩(wěn)定性和3大指標(biāo)等常規(guī)性能試驗，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性雖然會受到SBR膠乳的不利影響。但SBR膠乳可明顯降低針入度、提高軟化點和延度，改善乳化瀝青的高溫抗變形、溫度敏感性和低溫松弛特性，摻量宜控制在4%以內(nèi)；

(2)通過DSR溫度掃描試驗，摻加SBR膠乳能夠提高乳化瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子，減小相位角，從而改善乳化瀝青的抗永久變形能力，提高高溫抗車轍性能；

(3)通過BBR彎曲梁試驗，發(fā)現(xiàn)SBR膠乳可在一定程度降低蠕變勁度，增大蠕變速率和m、S比值，增加乳化瀝青在低溫時的柔韌性，改善乳化瀝青的低溫抗裂性能和應(yīng)力松弛特性；但SBR摻量需控制在一定范圍內(nèi)，一般不宜超過4%。