橋面防水粘結(jié)層高粘復(fù)合改性劑的開發(fā)及性能分析

李豪，王笑風(fēng)，楊博，萬晨光，劉建飛

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

目前，較為成熟的乳化瀝青改性劑主要包括：水性環(huán)氧樹脂、SBR、SBS、EVA 和CR 等，但是隨著交通荷載的日益繁重，單一的瀝青改性技術(shù)難以滿足多種性能同時(shí)兼顧的問題，難以適應(yīng)多樣化、高性能的道路使用、養(yǎng)護(hù)需求。由多種單一性能膠乳復(fù)配而成的復(fù)合改性劑技術(shù)越來越得到廣泛應(yīng)用。

目前，市場上復(fù)合改性劑材料來源較少，性能參差不齊，對廠家有很高的依賴性，并且摻量較高，例如日本常用的TPS改性劑在固含量50%的基質(zhì)瀝青中摻量高達(dá)到13%，部分廠家在復(fù)合改性劑中加入水和增稠劑等組分，有效成分降低。本試驗(yàn)依托橋面防水粘結(jié)層工程，開發(fā)出一種橋面防水粘結(jié)層高粘復(fù)合改性劑，并對其進(jìn)行性能分析測試。

1 試 驗(yàn)

1.1 控制指標(biāo)

對于高粘改性瀝青作為橋面防水粘結(jié)層材料選擇軟化點(diǎn)、延度和60 ℃動(dòng)力黏度等作為主要控制指標(biāo)[1-2]，為避免防水粘結(jié)層材料沾粘后續(xù)施工車輛和熱拌瀝青混合料造成防水粘結(jié)層流淌，要求防水粘結(jié)層材料具備一定的軟化點(diǎn)；較高的延度保證防水粘結(jié)層材料低溫下具備不開裂的性能；60 ℃動(dòng)力黏度表示瀝青材料在外力作用下抵抗剪切變形的能力。同時(shí)作為橋面防水粘結(jié)層等路面結(jié)構(gòu)，粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系到路面的使用年限。由于載荷、環(huán)境等原因，不同地域的控制指標(biāo)差異很大。根據(jù)不同規(guī)范規(guī)定，同時(shí)結(jié)合河南地區(qū)橋面鋪裝的溫度區(qū)間在0～60 ℃以及超、重載現(xiàn)象嚴(yán)重的實(shí)際情況，對高粘改性瀝青作為防水粘結(jié)層材料具有嚴(yán)格的性能要求?；谝陨戏治觯哒掣男詾r青的部分性能控制指標(biāo)如表1 所示。

表1 高粘改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)原料

（1）基質(zhì)乳化瀝青：基質(zhì)瀝青為陽離子噴灑型中裂AH-70 瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 基質(zhì)乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)

（2）高粘復(fù)合改性劑：試驗(yàn)室自制，制備所需的原材料水性SBS、SBR 和CR 膠乳等均為市購。市場普通改性劑：聚合物改性乳膠，陽離子型，上海締富實(shí)業(yè)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）稱取試驗(yàn)方案所需質(zhì)量的水性SBS、SBR、EVA 和CR膠乳，在常溫下混合；開動(dòng)攪拌設(shè)備，設(shè)定轉(zhuǎn)速為800 r/min，充分?jǐn)嚢瑁频酶哒硰?fù)合改性劑。

（2）稱取試驗(yàn)所需質(zhì)量的基質(zhì)乳化瀝青和高粘復(fù)合改性劑，在常溫下混合；開動(dòng)攪拌剪切設(shè)備，設(shè)定轉(zhuǎn)速為800 r/min，充分剪切，制得高粘復(fù)合改性乳化瀝青。

（3）高粘復(fù)合改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)、延度和60 ℃動(dòng)力黏度等常規(guī)指標(biāo)根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測試。

（4） 高粘復(fù)合改性乳化瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度根據(jù)GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，復(fù)合件剪切和拉拔強(qiáng)度根據(jù)JCT 975—2005《道橋用防水涂料》進(jìn)行測試。

（5）高粘復(fù)合改性劑的粒徑分布、在瀝青中的分布狀況分別由激光粒度分析儀和熒光顯微鏡測得。

2 高粘復(fù)合改性劑組分比例優(yōu)化

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高粘復(fù)合改性劑由多種膠乳復(fù)配而成，考慮到不同原材料對瀝青的改性效果具有很大差異，選取不同的原材料摻量對主要性能的影響進(jìn)行正交試驗(yàn)。本研究以軟化點(diǎn)、5 ℃延度和粘結(jié)強(qiáng)度（23 ℃，1.0 kg/m2）作為考察指標(biāo)，通過初步試驗(yàn)選擇水性SBS、SBR 和CR 膠乳摻量（相對基質(zhì)乳化瀝青的摻量）為考察因素，采取L9（33）進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平見表3。

表3 高粘復(fù)合改性劑優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及極差、方差分析如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

2.2.1 對瀝青軟化點(diǎn)的影響

由表4 可知，3 種因素對軟化點(diǎn)的影響順序依次為SBS摻量＞CR 摻量≈SBR 摻量，即SBS 摻量對軟化點(diǎn)提升起主要作用。方差分析結(jié)果中，3 種因素F 值依次為FA＞FB＞FC，相對SBR 和CR，SBS 摻量影響較為顯著，與極差分析結(jié)果一致。這是由于SBS 是由聚苯乙烯段和聚丁二烯段組成的嵌段共聚物，聚苯乙烯段在聚丁二烯連續(xù)相中構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而嵌段共聚物作為整體在瀝青中又作為分散相形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能顯著提高瀝青的高低溫穩(wěn)定性能。

2.2.2 對瀝青延度的影響

由表4 可見，SBR 摻量對5 ℃延度的影響比SBS 摻量和CR 摻量明顯，SBS 摻量增加，大幅提高軟化點(diǎn)的同時(shí)，對5 ℃延度起到抑制作用。3 種因素對延度的影響順序?yàn)镾BR 摻量＞SBS 摻量＞CR 摻量，保證較理想延度需在提高SBR 摻量的同時(shí)嚴(yán)格限制SBS 摻量。

2.2.3 對瀝青粘結(jié)強(qiáng)度的影響

作為防水粘結(jié)層材料，重要的作用是將混凝土橋面板和瀝青混凝土面層連結(jié)成一個(gè)整體，確保在行車載荷環(huán)境下橋面鋪裝結(jié)構(gòu)不發(fā)生移動(dòng)。因此，具備足夠的粘結(jié)強(qiáng)度是橋面防水粘結(jié)材料的重要性能指標(biāo)。由表4 分析發(fā)現(xiàn)，SBS、SBR 和CR 摻量對粘結(jié)強(qiáng)度的影響依次為CR 摻量＞SBS 摻量≈SBR摻量，即CR 摻量起主要作用。方差分析中，F(xiàn)C＞FA＞FB，相對SBS 和SBR，CR 對材料粘結(jié)性能具有顯著影響，與極差分析結(jié)果一致。

2.2.4 高粘復(fù)合改性劑配比確定

根據(jù)高粘改性劑正交試驗(yàn)結(jié)果，SBS、SBR 和CR 各組分相對乳化瀝青摻量分別為2%、3%和2%時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)為80 ℃、5 ℃延度為67 cm、粘結(jié)強(qiáng)度（23 ℃，1.0 kg/m2）為0.84 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均較好，符合性能指標(biāo)要求。因此，初步確定高粘復(fù)合改性劑各組分配比為m（SBS）∶m（SBR）∶m（CR）=2∶3∶2。

3 高粘復(fù)合改性劑摻量的影響分析

按照確定的各組分配比，配制高粘復(fù)合改性劑，分別在基質(zhì)乳化瀝青中添加1%、3%、5%、7%、9%和11%的高粘復(fù)合改性劑，制備不同摻量的高粘復(fù)合改性瀝青樣品，進(jìn)行主要指標(biāo)的變化分析。根據(jù)各指標(biāo)變化趨勢確定改性劑合適的摻量。

3.1 改性劑摻量對瀝青軟化點(diǎn)的影響（見圖1）

由圖1 可見，隨改性劑摻量的增加，高粘改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)顯著升高，二者呈線性相關(guān)，其線性擬合曲線如式（1）所示。改性劑摻量為11%時(shí)軟化點(diǎn)高達(dá)90 ℃。

圖1 改性劑摻量對瀝青軟化點(diǎn)的影響

3.2 改性劑摻量對5 ℃瀝青延度的影響（見圖2）

由圖2 可見，隨著高粘改性劑摻量的增加，瀝青的5 ℃延度先增大后減小，摻量5%時(shí)延度達(dá)到最大，超過100 cm。高粘改性劑摻量較少時(shí)，難以起到改善作用；高粘改性劑摻量較高時(shí)，對延度起到抑制作用，并且難以成型試件。5 ℃延度迅速增加后又迅速降至接近為0。對5 ℃延度隨改性劑摻量變化趨勢進(jìn)行擬合如式（2）所示。

3.3 改性劑摻量對瀝青60 ℃動(dòng)力黏度的影響

（見圖3）

由圖3 可見，隨高粘改性劑摻量的增加，改性劑中的SBS、SBR 等聚合物交聯(lián)程度提高，瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度迅速增大，且增長速度越來越快。高粘改性劑摻量為11%時(shí)，60℃動(dòng)力黏度高達(dá)8×105Pa·s，改性瀝青具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，發(fā)生變形能力變小，對60 ℃動(dòng)力黏度隨改性劑摻量變化趨勢進(jìn)行擬合，見式（3）所示。

根據(jù)擬合公式（1）、（2）、（3），計(jì)算出改性劑摻量為5%～8%時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)為70～80 ℃、5 ℃延度大于60 cm、60 ℃動(dòng)力黏度為2.0×105～6.0×105Pa·s。表明改性劑摻量為5%～8%的高粘復(fù)合改性瀝青具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能等，滿足作為防水粘結(jié)層材料的性能要求。

4 不同灑布量下的粘結(jié)性能分析

剪切和拉拔試驗(yàn)是通過成型混凝土橋面板-防水粘結(jié)層-混合料面層的3 層次結(jié)構(gòu)試件，最大程度模擬真實(shí)橋面結(jié)構(gòu)。因此，選擇剪切和拉拔試驗(yàn)評價(jià)高粘乳化瀝青作為防水粘結(jié)層材料時(shí)的粘結(jié)性能。選擇改性劑摻量為7%的高粘改性瀝青進(jìn)行0.6、0.8、1.0 和1.2 kg/m2灑布量下的復(fù)合件剪切和拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)如圖4 所示，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 復(fù)合件的剪切和拉拔試驗(yàn)

由圖5 可見，隨高粘改性瀝青灑布量的增加，復(fù)合件的剪切和拉拔強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢。瀝青噴灑量為0.6～1.0 kg/m2時(shí)，剪切和拉拔強(qiáng)度隨瀝青灑布量的增加越來越高，均在1.0 kg/m2時(shí)達(dá)到最高，分別為1.2、0.6 MPa；瀝青灑布量超過1.0 kg/m2以后，隨瀝青灑布量的增加，強(qiáng)度逐漸降低。主要是由于當(dāng)高粘乳化瀝青噴灑量較小時(shí)，未將層間完全充滿，無法提供足夠的粘結(jié)力；而當(dāng)超過復(fù)合件所需灑布量時(shí)，多余的瀝青會(huì)在高溫下軟化，在層間形成類似潤滑劑作用，導(dǎo)致層間抵抗變形能力減弱，復(fù)合件的拉拔和剪切強(qiáng)度開始下降。

5 儲(chǔ)存穩(wěn)定性分析

膠乳中由于粒徑過大或粒經(jīng)分布不均，會(huì)導(dǎo)致膠乳體系產(chǎn)生奧斯瓦爾德熟化、膠乳顆粒發(fā)生團(tuán)聚、沉降等物理現(xiàn)象，而這些物理現(xiàn)象導(dǎo)致膠乳中的平衡體系遭到破壞現(xiàn)象[3-4]。高粘復(fù)合改性劑由多種不同體系高分子乳液復(fù)配而成，穩(wěn)定性對其尤為重要。通過激光粒度分析儀分析高粘復(fù)合改性劑粒徑分布，并和市場普通改性劑進(jìn)行對比，粒徑分布測試結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可見，高粘復(fù)合改性劑的D50為0.460 μm，小于市場普通改性劑D50粒徑（0.792 μm），粒徑越小，改性劑各組分滲透效果越好，易于分散，使高粘復(fù)合改性劑對乳化瀝青具有更好的改善性能。高粘復(fù)合改性劑粒徑為0.32～0.83 μm，遠(yuǎn)小于市場普通改性劑0.51～1.67 μm，相同條件下，高分子化合物乳液顆粒下沉速度和粒徑相關(guān)，乳液粒徑越大，儲(chǔ)存越不穩(wěn)定。與市場普通改性劑相比，高粘復(fù)合改性劑具有優(yōu)異的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

將儲(chǔ)存2 月的2 種改性劑進(jìn)行粒度分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這一規(guī)律：高分子復(fù)合膠乳粒徑分布范圍越窄，儲(chǔ)存穩(wěn)定性越好。粒徑較小的高粘復(fù)合改性劑幾乎未發(fā)生任何變化，粒徑較大的市售普通改性劑發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，粒徑最大達(dá)39 μm。

高粘復(fù)合改性劑中的SBS 組分在熒光顯微鏡下能夠激發(fā)出黃綠色的熒光，從而與乳化瀝青混合后，可有效分辨兩者的分布狀態(tài)。將貯存7 d 摻量50%的高粘改性乳化瀝青樣品進(jìn)行熒光顯微分析，結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可見，在放大10 倍條件下，高粘改性劑中的SBS組分在瀝青中均勻分布；在放大40 倍條件下，乳化瀝青和SBS乳液顆粒穩(wěn)定存在，顯示出高粘改性劑與基質(zhì)乳化瀝青具有優(yōu)異的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能。

6 結(jié) 論

（1）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，高粘復(fù)合改性劑中各組分的優(yōu)化配比為m（SBS）∶m（SBR）∶m（CR）=2∶3∶2。

（2）高粘復(fù)合改性劑相對乳化瀝青摻量為5%～8%時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)為70～80 ℃，延度大于60 cm，60 ℃動(dòng)力黏度為2.0×105～6.0×105Pa·s，滿足作為防水粘結(jié)層材料的性能需求。

（3）摻量7%的高粘改性瀝青噴灑量在1.0 kg/m2時(shí)具有最高的剪切和拉拔強(qiáng)度，分別為1.2、0.6 MPa。

（4）激光粒度分析儀和熒光顯微鏡測試發(fā)現(xiàn)，高粘復(fù)合改性劑粒徑比市場普通改性劑小，滲透效果更好，不發(fā)生團(tuán)聚，儲(chǔ)存穩(wěn)定性更好；且改性劑中的SBS 組分在乳化瀝青中瀝青中均勻分布，與乳化瀝青能夠穩(wěn)定混溶。