SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青性能的影響

胡富貴, 田小革, 胡宏立, 李光耀, 郭常輝

(1.湖南建工交通建設(shè)有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

常溫下乳化瀝青流動性較好,路用性能良好，施工簡單、環(huán)保[1],但在實際工程運用中,乳化瀝青存在破乳時間長、強度形成慢、體系不穩(wěn)定等缺點[2],嚴(yán)重制約了其應(yīng)用.近年來,隨著改性技術(shù)的提升,通過向瀝青中添加聚合物改性劑來改善瀝青相關(guān)性能的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯.目前常用的聚合物改性劑有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)膠乳、聚乙烯(PE)和乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)等.其中,SBR能夠改善瀝青黏結(jié)料的低溫性能[3],成為工程中常用的瀝青改性劑之一.

陳益平[4]對不同基質(zhì)瀝青、不同SBR改性劑和乳化劑摻量下的SBR改性乳化瀝青進(jìn)行路用性能分析,發(fā)現(xiàn)SBR膠乳摻量的增加使改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物增加、低溫性能增強,并且乳化劑的種類對改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性有顯著影響.弓銳等[5]采用不同SBR膠乳改性劑制備出改性乳化瀝青,對比不同SBR膠乳品牌和摻量對改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)的影響,總結(jié)出SBR膠乳摻量對瀝青延度、軟化點和黏韌性的影響規(guī)律,得出最佳SBR品牌和SBR膠乳摻量;暢潤田等[6]通過測定改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)及流變行為曲線,研究了SBR膠乳摻量對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能的影響,結(jié)果表明,在高溫和低頻區(qū)SBR膠乳對瀝青的彈性有一定程度的改善,隨著SBR膠乳摻量的增加,改善效果會有小幅提升.

本文以尋求SBR膠乳最佳摻量為目標(biāo),利用小型膠體磨制備得到不同SBR膠乳摻量的改性乳化瀝青(簡稱SBR改性乳化瀝青),通過對其進(jìn)行針入度、軟化點、延度和儲存穩(wěn)定性等常規(guī)試驗,以及不同溫度下的動態(tài)剪切流變儀(DSR)、彎曲梁流變儀(BBR)試驗,分析SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青各項性能指標(biāo)的影響,并給出建議摻量,以期為實際工程應(yīng)用提供參考.

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用東莞泰和瀝青有限公司產(chǎn)70#A級道路石油瀝青,具體指標(biāo)如表1所示;改性劑采用濟(jì)南山?；び邢薰井a(chǎn)SBR膠乳,具體指標(biāo)如表2所示;乳化劑為季銨鹽1631,摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為3.0%;穩(wěn)定劑由聚乙烯醇(PVA)和無水氯化鈣按質(zhì)量比1∶1復(fù)合而成,摻量為0.5%.另外采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～37%的鹽酸為乳化劑提拱酸性環(huán)境.

表1 70#A級道路石油瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 季銨鹽1631與SBR膠乳基本性能

1.2 SBR改性乳化瀝青的制備

本文采用先乳化后改性[7]的制備工藝,利用小型膠體磨制備SBR改性乳化瀝青.具體制備流程如下：

(1)將基質(zhì)瀝青置于135℃烘箱中3h左右,根據(jù)欲制備的乳化瀝青的總質(zhì)量mE(g)和瀝青固含量Pb(%),按式(1)計算出所需瀝青的質(zhì)量mb(g):

mb=mE·Pb

(1)

稱取質(zhì)量為mb的瀝青,將其倒入135℃的瀝青罐中.

(2)按式(2)計算制備乳化瀝青所需要的蒸餾水質(zhì)量mw.先向燒杯中倒入質(zhì)量為mw的蒸餾水,將其加熱到70～85℃;然后將0.25%聚乙烯醇(PVA)溶劑加入到燒杯中,待PVA溶液溫度下降至65℃時,加入與PVA質(zhì)量相同的無水氯化鈣,待其完全溶解后,即得到穩(wěn)定劑;再加入一定質(zhì)量(基質(zhì)瀝青質(zhì)量的3.0%)的乳化劑,利用鹽酸調(diào)節(jié)以上溶液(皂液)pH值,使乳化劑活性達(dá)到最佳值1.5～2.5.

mw=mE-mE·Pb

(2)

(3)開啟小型膠體磨,將準(zhǔn)備好的皂液倒入其漏斗中,再將加熱至熔融狀態(tài)的基質(zhì)瀝青沿漏斗邊緣緩緩倒入漏斗內(nèi),邊倒邊用玻璃棒攪拌,待基質(zhì)瀝青全部倒入后,讓其在膠體磨中乳化約5min.

(4)乳化完成后,稱取設(shè)計摻量分別為瀝青固含物質(zhì)量的0%、2%、4%和6%SBR膠乳,直接投入到乳化瀝青中,用玻璃棒不斷攪拌20～30min,使SBR膠乳均勻分散.將溫度計插入乳液中,待其內(nèi)部溫度降至室溫后過篩,最后置于封閉容器中保存.

2 試驗方法及方案

乳化瀝青性能的好壞主要取決于破乳后的瀝青,由于破乳后的瀝青性能會受到乳化劑、穩(wěn)定劑和改性劑等添加劑的影響,因此乳化瀝青殘留物的性質(zhì)與基質(zhì)瀝青可能會存在很大差別.為了較好地反映改性乳化瀝青的性能變化,制備SBR改性乳化瀝青,對其蒸發(fā)殘留物的針入度、軟化點、延度、儲存穩(wěn)定性及高低溫性能進(jìn)行測試,然后根據(jù)試驗結(jié)果,對改性乳化瀝青性能進(jìn)行綜合評價.

2.1 常規(guī)性能試驗

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,進(jìn)行SBR乳化瀝青殘留物的針入度、軟化點、延度和儲存穩(wěn)定性試驗,以評價其物理力學(xué)性能和儲存穩(wěn)定性.

2.2 動態(tài)剪切流變試驗

采用DSR測定瀝青流變參數(shù),按照美國國家公路與運輸協(xié)會AASHTO T 315—2002《Standard method of test for determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR) HM-22》規(guī)定的試驗方法,對SBR改性乳化瀝青進(jìn)行不同溫度下的動態(tài)剪切試驗[8-9].根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，試驗溫度設(shè)定為51～71℃,選擇溫度掃描模式,溫度間隔為5℃,采用應(yīng)變?yōu)?2%的控制模式,試驗頻率為10rad/s,平行板尺寸為φ25×1mm.測得各改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)模量(G*)和相位角(δ),并計算出相應(yīng)的車轍因子(G*/sinδ).

2.3 彎曲梁流變試驗

采用美國CANNON公司產(chǎn)TE-BBR-F型BBR,按照AASHTO TP1規(guī)定的方法,對SBR改性乳化瀝青進(jìn)行不同低溫條件(-12、-18、-24℃)下的彎曲梁流變試驗[9-11]，溫度控制在試驗溫度±0.1℃范圍內(nèi),試件尺寸為127.00mm×6.35mm×6.35mm.測得各SBR改性乳化瀝青在較低溫度下的蠕變勁度(S)和蠕變速率(m).

2.4 試驗方案

按照試驗室制備流程,將摻量為0%、2%、4%、6%的SBR膠乳分別添加到乳化瀝青中,對SBR改性乳化瀝青進(jìn)行25℃針入度、軟化點、5℃延度和儲存穩(wěn)定性試驗;通過高溫條件(51、56、61、66、71℃)下的DSR試驗和低溫條件(-12、-18、-24℃)下的BBR試驗[12],分析SBR改性乳化瀝青的高低溫性能指標(biāo)與SBR膠乳摻量的變化情況;綜合考慮SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青各項性能指標(biāo)的影響,確定出適宜的SBR膠乳摻量.

3 結(jié)果與分析

3.1 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青針入度、軟化點和延度的影響

各SBR改性乳化瀝青25℃針入度、軟化點和5℃ 延度的試驗結(jié)果,見表3.

表3 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青基本性能的影響

由表3可知：(1)SBR膠乳摻量的增加使得改性乳化瀝青的25℃針入度不斷減小,當(dāng)SBR膠乳摻量從由2%增至4%時,針入度下降程度最大.(2)摻入SBR能提高改性乳化瀝青的軟化點,當(dāng)SBR膠乳摻量為6%時,相比未摻加SBR膠乳的乳化瀝青軟化點升高了近20℃,表明SBR膠乳摻入對改性乳化瀝青的高溫性能有很大提高,原因可能是SBR膠乳的摻入及溶脹增加了瀝青分子的運動阻力,使得其在高溫下不容易發(fā)生變形.(3)5℃ 時,未添加SBR膠乳的乳化瀝青發(fā)生脆斷,加入SBR膠乳后延度明顯提高,當(dāng)其摻量達(dá)到4%后,延度已經(jīng)超過100cm,表明SBR膠乳的摻入極大地改善了改性乳化瀝青的低溫抗裂性能,原因是SBR顆粒吸收瀝青中的油分后充分溶脹,SBR顆粒之間容易形成連接網(wǎng)絡(luò),使得瀝青的膠體結(jié)構(gòu)逐漸由溶膠結(jié)構(gòu)向溶-凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,極大地改善了瀝青的彈性變形能力,宏觀上表現(xiàn)為瀝青延度的增加.

3.2 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響

乳化瀝青是一種油水混溶的不穩(wěn)定體系,儲存過程中容易出現(xiàn)瀝青顆粒絮凝、聚結(jié)的現(xiàn)象,致使其在實際工程中的使用效果大大降低.不同SBR膠乳摻量的改性乳化瀝青1、5d的儲存穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖1所示.由圖1可知：無論是1d還是5d,SBR改性乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性隨SBR膠乳摻量的增加而逐漸變差.其原因可能是SBR膠乳溶脹吸收了瀝青中的部分油分,油分的減少使得瀝青質(zhì)與膠質(zhì)這類大分子組分更容易聚結(jié)、絮凝,從而導(dǎo)致儲存穩(wěn)定性下降;當(dāng)SBR膠乳摻量高于4%時,改性乳化瀝青的軟化點差值明顯增加,尤其是5d時SBR膠乳摻量由4%增加到6%,其軟化點差增加了12.8%,表明過高的SBR膠乳摻量會對改性乳化瀝青的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響.

圖1 SBR改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性Fig.1 Storage stability of SBR modified emulsified asphalt

3.3 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青高溫性能的影響

SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青在不同溫度下(51、56、61、66、71℃)的相位角,動態(tài)剪切模量及車轍因子的影響見圖2.

圖2 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青高溫性能的影響Fig.2 Effects of SBR latex contents on high temperature performance of modified emulsified asphalt

由圖2可知：(1)隨著溫度的升高,SBR改性乳化瀝青的δ逐漸增大,G*逐漸減小,G*/sinδ逐漸減小.這是因為當(dāng)溫度升高時,瀝青材料內(nèi)部彈性成分逐漸轉(zhuǎn)變成黏性成分,導(dǎo)致彈性成分比例逐漸減小,宏觀表現(xiàn)為瀝青由固態(tài)轉(zhuǎn)向為流動態(tài);(2)在相同溫度下,隨著SBR摻量的增大,δ逐漸變小,G*逐漸增大,G*/sinδ逐漸增大,表明SBR膠的摻入可以提高乳化瀝青膠結(jié)料的抗變形能力.這是因為在高溫時,SBR顆粒相對于瀝青較硬,能夠阻礙瀝青的流動,另一方面,SBR顆粒吸收油分后充分溶脹,瀝青中油分含量的減少使得改性乳化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)逐漸由溶膠型向溶-凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,乳化瀝青蒸發(fā)殘留物中彈性成分的比例提高,使得其抵抗外界作用變形的能力增強.

在測試溫度范圍內(nèi),相位角的變化波動情況可以表征瀝青材料感溫性能的優(yōu)劣.圖3為SBR改性乳化瀝青的相位角隨SBR膠乳摻量的變化情況.由圖3可知：SBR膠乳摻量為0%～4%時,改性乳化瀝青的相位角變化較為穩(wěn)定;當(dāng)SBR膠乳摻量由4%增至6%時,改性乳化瀝青的相位角變化值明顯變大,表明SBR膠乳摻入過多使得乳化瀝青的熱穩(wěn)定性變差.

圖3 SBR改性乳化瀝青的相位角隨SBR膠乳摻量的變化Fig.3 Phase angle change with SBR latex content of modified emulsified asphalt

3.4 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響

SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響見圖4.由圖4可知：(1)相同溫度下,隨著SBR膠乳摻量的增大,改性乳化瀝青的S逐漸降低,但降幅逐步趨緩,且SBR摻量增至6%后,S略有回升,表明SBR膠乳摻量增加在一定程度上能夠改善其抗開裂能力.但在相同SBR膠乳摻量下,隨溫度降低,改性乳化瀝青的S均增大,表明溫度降低使得材料低溫性抗開裂能力變差,低溫開裂的可能性越來越大,但隨著SBR膠乳摻量的增大,改性乳化瀝青的低溫性質(zhì)有所改善.(2)相同SBR膠乳摻量下改性乳化瀝青的m值均隨溫度的降低逐漸變小,表明溫度下降后材料變脆,從而容易發(fā)生低溫開裂的現(xiàn)象;相同溫度下,隨著SBR膠乳摻量的增大,改性乳化瀝青的m值逐漸增大,在-18℃時上升趨勢最為明顯,表明SBR膠乳的摻入提高了改性乳化瀝青在低溫下的抗開裂能力,而在-24℃時m值基本沒有變化,表明過低的溫度會降低SBR膠乳的摻入效果,同時也可以看出，在-12℃,SBR膠乳摻量為4%時,相應(yīng)的m值達(dá)到峰值,往后略有降低,表明SBR膠乳存在一個最佳摻量.

圖4 SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響Fig.4 Effects of SBR latex content on low-temperature performance of modified emulsified asphalt

有研究結(jié)果[12]表明：BBR試驗中60s時的m/S能夠更準(zhǔn)確地反映材料低溫性能的優(yōu)劣,m/S越大,表示材料低溫下抗開裂的能力越強.為了進(jìn)一步了解SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青低溫性能的影響,對比了不同溫度下各SBR改性乳化瀝青的m/S,如圖5所示.

圖5 m/S隨溫度和SBR膠乳摻量變化曲線Fig.5 m/S varies with different temperatures and SBR latex contents

由圖5可知：不同SBR膠乳摻量下乳化瀝青的低溫指標(biāo)m/S隨溫度的降低而減小,且降低的幅度也越來越小;在-12℃時,加入不同摻量的SBR膠乳可以明顯提高乳化瀝青的低溫性能;當(dāng)溫度達(dá)到-18℃后,SBR膠乳摻量對乳化瀝青低溫抗裂性的影響較小.同時也可以看出,6%SBR膠乳摻量下乳化瀝青的m/S值小于其在4%摻量時的m/S值,表明SBR膠乳摻量超過4%,對改性乳化瀝青低溫性能的改善效果降低.

4 結(jié)論

(1)SBR膠乳摻量的增大使得改性乳化瀝青的針入度降低、軟化點升高、延度增大,表明SBR膠乳的摻加可以改善改性乳化瀝青的高低溫性能.

(2)SBR膠乳摻量的增大使得改性乳化瀝青的軟化點差值增大,表明SBR對乳化瀝青的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響.

(3)隨著SBR膠乳摻量的增加,改性乳化瀝青的高溫性能有很大改善;但當(dāng)SBR膠乳摻量為6%時,改性乳化瀝青的熱穩(wěn)定性降低.

(4)隨著溫度的降低,SBR膠乳摻量增大對改性乳化瀝青低溫性能的改善效果下降.當(dāng)SBR膠乳摻量大于4%時,對改性乳化瀝青低溫性能改善效果降低.

(5)綜合考慮SBR膠乳摻量對改性乳化瀝青各項性能的影響,SBR膠乳的建議摻量為4%.