SBS-SBR膠乳復合改性乳化瀝青流變性能

暢潤田

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國早期建設道路陸續進行維修養護階段，具有可以常溫施工、節約能源、減少環境污染等優點的乳化瀝青逐漸成為道路材料和技術應用、研究與發展的主流方向[1-2]。但是瀝青本身的技術指標無法滿足路面使用性能要求，聚合物苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）能夠顯著提高瀝青的高溫抗車轍、低溫抗開裂性、抗老化以及改善瀝青路面的耐疲勞性能，是目前筑路使用最廣泛的聚合物改性劑[3-4]。SBS聚合物可以在瀝青內部發生交聯，使體系的黏彈特征發生明顯變化[5-6]，對乳化設備、乳化條件和儲存條件都要求較高，若摻量太低，則不能滿足瀝青路面的性能要求。SBR膠乳與乳化瀝青相溶性較好，操作便捷，且SBR膠乳生產工藝簡單，但其改性效果略差。在此，將改性劑SBS與SBR膠乳同時用于乳化瀝青改性，充分發揮SBR膠乳與乳化瀝青較好的相溶性和其對瀝青低溫、抗水損性能良好的改性效果[7]，因而將兩者同時用于乳化瀝青改性，不僅有效解決SBS改性瀝青乳化困難的問題，SBS和SBR膠乳對乳化瀝青改性效果具有協同增效作用，使乳化瀝青各方面性能均有較為顯著的提升。

流變學作為力學的一個新分支，主要用于復雜結構材料的研究，可以表征高分子材料的分子量，能快速、有效地進行原材料、中間產品和最終產品的質量檢測和質量控制。流變學通過測試樣品復數黏度、復數模量以及相角隨著交聯反應進行所產生的相應變化，以評價樣品的黏性與彈性性質，其測定值主要取決于溫度和加載頻率，因而用于表征聚合物改性瀝青非常有效[5]。本文重點考察了乳化瀝青蒸發殘留物的流變行為，并以此為重要依據選出效果較好的改性方案。試驗選用shell 90號基質瀝青，先用摻量2%的SBS改性，采用陽離子乳化劑乳化形成瀝青乳液，添加相應摻量的SBR膠乳即制得改性乳化瀝青。流變性能測試結果顯示，在SBS摻量2%的基礎上，添加3%的SBR膠乳可以顯著改善乳化瀝青蒸發殘留物的模量和相角，且模量和相角曲線均呈現出明顯的平臺穩定區，說明此改性條件下，瀝青內部大分子交聯結構能夠形成非常穩定的空間網絡結構，達到提升瀝青路用性能的效果，并且這一結論與改性乳化瀝青蒸發殘留物的三大指標隨SBR膠乳摻量變化規律保持一致。

1 實驗

1.1 實驗原料

a）基質瀝青 shell 90號。其性能指標為軟化點46℃，針入度（25℃）80.3×0.1 mm，延度（15℃）大于100 cm。

b）乳化劑 進口乳化劑MQK-1D，慢裂快凝陽離子乳化劑，適用于微表處施工。

c）改性劑 SBS 巴陵石化產的YH-791（SBS1301），其中苯乙烯含量為30%。

d）改性劑SBR膠乳 高氏陽離子SBR膠乳，乳白色液體，有效含量為60%。

1.2 改性乳化瀝青的制備

1.2.1 SBS改性乳化瀝青的制備

將基質瀝青加熱至180℃，加入摻量2%的SBS，在170℃～180℃、轉速4 000 rpm下剪切攪拌50 min，使SBS均勻分散在瀝青中；乳化劑溶于水后，加入無機穩定劑氯化鈣后用鹽酸調節pH到2.0，加熱到60℃，倒入膠體磨中，將SBS改性瀝青緩慢倒入膠體磨中持續1 min，得到SBS改性乳化瀝青（設置乳化瀝青固含量60%），冷卻到室溫，加入SBR膠乳攪拌均勻，即得SBS-SBR膠乳復合改性乳化瀝青。

1.3 改性乳化瀝青性能測試

改性乳化瀝青儲存穩定性、蒸發殘留物三大指標以及混合料性能均按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的操作規程進行測試。

改性乳化瀝青蒸發殘留物的動態流變性能：復數黏度、儲能和耗能模量、相角隨頻率與溫度的變化關系曲線。采用美國TA公司生產的DSR（DHR-1），采用直徑為25 mm的平板，板間距離為1 100 μm，應變恒定，為0.4%。樣品安放好之后在待測溫度下恒溫30 min后進行測試。

2 實驗結果與討論

2.1 改性劑對乳化瀝青指標以及混合料性能的影響

通過蒸發殘留物實驗得出，SBS-SBR膠乳復合改性乳化瀝青固含量均在62%左右，三大指標以及5 d儲存穩定性實驗數據如表1所示。表中數據顯示，改性乳化瀝青5 d儲存穩定性隨改性劑種類和摻量的變化并沒有出現明顯的區別，且均滿足規范要求（小于5%）。只添加2%的SBS作為改性劑時，乳化瀝青蒸發殘留物的延度和軟化點分別為16.2 cm和55.7℃，并不能滿足施工技術要求，SBR膠乳的添加能夠明顯改善殘留物的性能，彌補低摻量的SBS改性瀝青性能的不足，且不會對乳化設備提出額外要求。隨SBR膠乳摻量的增加，針入度減小，軟化點和延度呈增大趨勢，因為經SBS和SBR改性后，瀝青相態結構發生變化，稠度變大，高低溫性能得到改善[8]。在SBS摻量2%的基礎上，當SBR膠乳摻量為1%時與不加時效果區別并不明顯，隨其摻量增加，瀝青三大指標的變化幅度較大，當摻量達到3%時，SBS與SBR膠乳復合改性瀝青高低溫性能有非常明顯的改善，低溫延度和軟化點分別達到30.5 cm和65.1℃，說明此改性條件下，SBS和SBR膠乳具有較好的復合改性效果。

表1 SBS-SBR乳膠對乳化瀝青常規指標的影響

2.2 改性劑對瀝青動態流變行為的影響

動態剪切流變儀（DSR）用于測試不同溫度和頻率下瀝青黏彈特性變化規律非常有效，黏性和彈性之間的關系常用來衡量瀝青膠結料抗永久變形和疲勞開裂能力[9-10]。動態剪切實驗主要測試瀝青試樣的動態黏彈參數，即復數模量G*、儲能模量G′、耗能模量G″以及相角δ等參數。

圖1和圖2為不同SBR摻量條件下，SBS-SBR膠乳復合改性乳化瀝青的復數模量G*分別隨溫度和掃描頻率的變化曲線。G*表征重復剪切情況下材料變形時總阻力大小[10]，能夠反應瀝青路面的抗車轍變形能力。從圖中可以看出，SBR乳膠的摻量對樣品復數模量變化規律沒有明顯影響，都是在低頻和高溫區達到最小值，高頻和低溫時達到最大值，與瀝青路面在實際應用中變化規律一致[11]；在溫度和頻率掃描范圍內，隨著SBR摻量的增加，樣品的復數模量不斷提高，尤其是SBR膠乳摻量達到3%時，G*的升高提高幅度更加明顯，說明在測試范圍內，SBR膠乳摻量越大，改性瀝青抗永久變形的能力越強[12]；隨SBR膠乳摻量的增大，樣品模量的衰減幅值明顯降低，說明SBR的加入可以降低低摻量SBS改性瀝青的溫度敏感性和抗車轍性能[13]，且摻量越高，改善效果越明顯。

圖1 不同SBR摻量條件下，SBS-SBR改性乳化瀝青復數模量G*隨溫度的變化曲線

圖2 不同SBR摻量條件下，SBS-SBR改性乳化瀝青復數模量G*隨頻率的變化曲線

圖3和圖4為不同SBR摻量條件下，SBS-SBR膠乳復合改性乳化瀝青的相角δ隨溫度和頻率的變化關系。相角代表樣品在外界作用下產生形變時應力和應變的相位差，衡量物質的形變恢復能力，能夠精確地評價改性瀝青膠結料的性能。相角δ越大，物質越接近黏流態，此時結構中分子鏈段運動困難，以致形變跟不上外力的變化，相應瀝青路面彈性恢復能力差[13]。圖中曲線顯示，改性瀝青相角δ隨改性劑SBR摻量的增加呈明顯的下降趨勢；對于溫度與頻率掃描曲線，當SBR摻量為1%時，相角降低幅度較小，說明在SBS摻量2%的基礎上，SBR膠乳摻太少時，并不能明顯改善改性瀝青的彈性性能；當SBR摻量達到2%時，相角下降趨勢非常明顯，而當摻量增高到3%時，相角不僅有明顯的下降，且曲線分別在溫度40℃～65℃之間和頻率較高處出現穩定的平臺區，表明改性瀝青內部存在復雜的大分子鉸鏈結構，從而使樣品在該溫度段對溫度和在高頻區對頻率的敏感程度大幅削減[14]，說明此時SBS和SBR膠乳復合使用在改性瀝青內部形成了較為完善的空間網絡結構，進而賦予改性瀝青良好的彈性性能[13]。

圖3 不同SBR摻量條件下，SBS-SBR改性瀝青相角δ隨溫度的變化曲線

圖4 不同SBR摻量條件下，SBS-SBR改性瀝青相角δ隨頻率的變化曲線

圖5和圖6為SBS摻量2%條件下，不同SBR摻量對應改性瀝青復數黏度η*隨溫度和頻率的變化規律。從圖中可以看出，復合改性劑SBS-SBR膠乳在高溫區和低頻段對乳化瀝青復數黏度η*變化規律影響更為明顯，在SBS摻量2%的基礎上添加3%的SBR膠乳后復數黏度η*較不添加SBR的樣品提高了一個數量級，說明此條件下復合改性劑SBS-SBR膠乳的高分子結構在瀝青內部形成穩定完善的三維網絡結構，提高體系的黏度。隨溫度升高，改性劑聚合物鏈狀結構柔性增加，且分子熱運動加強，導致分子間作用力減弱，因而所有樣品的η*均隨溫度上升呈下降趨勢。隨剪切頻率的增大，相應剪切力增大，樣品復數黏度逐漸減小，且改性劑摻量較大的樣品復數黏度下降幅值更加明顯，這是由于在外部切應力作用下，改性瀝青內部的大分子結構更容易松散，當頻率增大到一定程度后，大分子之間的交聯點可能被完全破壞，進而使黏度迅速下降[15]，因而改性劑摻量較大的樣品復數黏度受頻率的影響更明顯。

圖5 不同SBR摻量條件下，SBS-SBR改性瀝青復數黏度η*隨溫度的變化曲線

圖6 不同SBR摻量條件下，SBS-SBR改性瀝青復數黏度η*隨頻率的變化曲線

3 結論

在SBS改性乳化瀝青中加入適量膠乳SBR能夠有效解決SBS摻量不足改性效果差和摻量大難以乳化的問題。本文選取改性劑SBS摻量2%對基質瀝青進行改性，乳化后添加SBR膠乳的方法，適用于普通乳化設備，且顯著提升乳化瀝青的各項性能指標。蒸發殘留物三大指標和濕輪磨耗實驗結果顯示，在摻量2%的SBS改性瀝青基礎上，添加2%的SBR膠乳即可得到滿足規范的改性乳化瀝青，而當摻量增加到3%時改性效果的提升更加明顯。通過常規性能結果與動態流變行為曲線結合分析得出，隨SBR膠乳摻量的增加，改性效果明顯提升，當摻量為3%時，樣品內部能夠形成較為完善的空間網狀結構，進而保證改性瀝青具有更好路面使用性能。