基質瀝青和乳化劑對SBR 改性乳化瀝青性能的影響評價

楊婉怡，郭祥軍，朱偉濤，徐立廷，程興倉，彭 庚

（1.北京首發公路養護工程有限公司，北京 102613；2.殼牌（中國）有限公司，北京 100004；3.濮陽市公路管理局，河南 濮陽 457000；4.北京建筑大學 未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044）

引言

目前，在生產SBR 改性乳化瀝青過程中，SBR改性劑摻量多數采用經驗確定，并且在國內市場及國際市場中，品牌多樣、良莠不齊的基質瀝青及乳化劑使得SBR 改性乳化瀝青生產混亂且質量不夠穩定，嚴重制約了SBR 改性乳化瀝青的大面積推廣。因此，確定SBR 改性劑的合理摻量并找到適宜生產的基質瀝青及乳化劑組合，對于SBR 改性乳化瀝青的制備具有重要意義。

1 SBR 改性乳化瀝青原材料的選擇

SBR 改性乳化瀝青是常見的公路瀝青路面養護材料，其生產原材料包括基質瀝青、SBR改性劑、乳化劑、穩定劑和水等。

1.1 基質瀝青

基質瀝青在SBR 改性乳化瀝青中質量比達55%～70%，因此基質瀝青的優劣直接影響乳化瀝青的性能以及施工建設的工程質量。為比較國內外不同基質瀝青所制的SBR 改性乳化瀝青性能，選取具有代表性的國產A 型及進口B 型基質瀝青，其主要技術指標見表1。

表1 基質瀝青主要技術指標

1.2 乳化劑

乳化劑是影響改性乳化瀝青貯存穩定性的關鍵因素，由工程經驗確定乳化劑用量為1.6%。選用國內外具有代表性的國產A 型和進口B 型兩種不同品牌的慢裂乳化劑，其主要技術指標見表2、表3。

表2 國產A 型乳化劑技術指標

表3 進口B 型乳化劑技術指標

1.3 SBR 膠乳

SBR 即丁二烯和苯乙烯共聚物，是目前使用較為廣泛的瀝青改性劑，其與瀝青制備得到的丁苯橡膠乳膠改性乳化瀝青具有良好的耐久性及高溫穩定性。所用的SBR 改性劑有效含量為60%，主要技術指標見表4。

表4 SBR 改性劑主要技術指標

2 原材料對改性乳化瀝青性能的影響分析

2.1 不同SBR 摻量對改性乳化瀝青性能的影響分析

為分析不同SBR 摻量對改性乳化瀝青性能的影響并確定SBR 摻量，選用國產A 型基質瀝青、進口B 型乳化劑（摻量1.6%），在不同SBR 摻量下制備SBR 改性乳化瀝青，對比所得改性乳化瀝青蒸發殘留物的基本性能指標，結果見表5。

表5 不同SBR 摻量下改性乳化瀝青蒸發殘留物性能指標

由表5 可知，隨著SBR 摻量的提高，改性乳化瀝青針入度下降，這是由于SBR 的摻入提高使得SBR 顆粒在瀝青中由分散轉為連續，導致改性瀝青整體相態發生轉變，分子之間變得致密，瀝青黏度提高、自由能變小，針入度降低。改性乳化瀝青的延度在不同的SBR 摻量下均保持較高水平，并隨著SBR 摻量的提高逐漸增大，這表明SBR 改性后的乳化瀝青延度有較大的改善，并且SBR 改性劑摻量與延度呈良好的正相關。改性瀝青的軟化點隨SBR 摻量的提高而逐漸增大，當摻量達到4.0%時軟化點達到規范《公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40—2004）》要求。綜合考慮經濟因素及性能指標，確定SBR 的最佳摻量為4.0%。

2.2 不同油源基質瀝青對SBR 改性乳化瀝青性能的影響

為研究不同油源基質瀝青對SBS 改性乳化瀝青性能的影響，選用進口B 型乳化劑（1.6%摻量），SBR乳膠改性劑（4.0%摻量），并分別以國產A型基質瀝青、進口B 型基質瀝青為原材料瀝青制備SBR 改性乳化瀝青。通過對蒸發殘留物進行檢測試驗對比主要技術指標，結果見表6。

表6 不同基質瀝青的SBR 改性乳化瀝青性能指標

由表6 可知，選擇兩種不同油源的基質瀝青所制備的SBR 改性乳化瀝青均可得到滿足規范《公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40—2004）》要求，其中采用國產A 型基質瀝青制備的改性乳化瀝青，在固含量、針入度、延度、黏度以及貯存穩定性等方面均高于進口B 型，綜合性能更好。根據基質瀝青生產廠家的產品質量驗證報告及油源地基質瀝青成分含量分析，可能存在原因：進口B 型基質瀝青中瀝青質含量較高，在乳化改性過程中瀝青相的密度增大，因此其微粒在與乳液水相混合時不能較好的相容。

2.3 不同種類乳化劑對SBR 改性乳化瀝青性能的影響

為研究不同種類乳化劑對SBR 改性乳化瀝青性能的影響，選用SBR 乳膠改性劑（4.0%摻量），進口A 型基質瀝青，分別以國產A 型乳化劑、進口B型乳化劑為原材料制備SBR 改性乳化瀝青。乳化劑摻量為1.6%，對其蒸發殘留物進行指標試驗，對比其主要技術指標，結果見7。

表7 不同乳化劑的SBR 改性乳化瀝青性能指標

由表7 可知，選擇兩種不同種類的乳化劑進行生產試驗，均可得到滿足規范《公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40—2004）》要求的SBR 改性乳化瀝青，但采用進口乳化劑作為原材料的產品，在性能指標上略顯優勢，特別是延度和貯存穩定性較另一種更好。根據乳化劑生產廠家的產品質量驗證報告分析，可能存在原因：國產A 型乳化劑的黏度較差，因此導致改性乳化瀝青的乳化難度提高，膠體磨的生產循環過程中可能會有流速降低或堵塞不通等現象出現，影響乳液質量，因此性能不佳。

3 原材料對改性乳化瀝青混合料性能的影響分析

改性乳化瀝青在實際使用過程中的破乳、成型過程與室內對其進行試驗時的蒸發、凝結過程存在一定差異，對改性劑改性效果的評價也受此影響。為了更好地選擇更適宜生產SBR 改性乳化瀝青的基質瀝青及乳化劑，通過對不同原材料組合制備的改性乳化瀝青混合料進行濕輪磨耗試驗和負荷輪碾壓試驗，以此評價改性乳化瀝青的路用性能。

3.1 SBR 改性乳化瀝青性能指標

在4.0%SBR 乳膠改性劑摻量下，分別選取國產A型、進口B 型基質瀝青，國產A 型、進口B 型乳化劑，制備4 種不同組合的SBR 改性乳化瀝青（國產A+國產A、國產A+進口B，進口B+國產A、進口B+進口B），乳化劑摻量為1.6%。對四種SBR 改性乳化瀝青進行性能檢測，結果見表8 ～表11。

表8 改性乳化瀝青性能指標（國產A 瀝青+國產A 乳化劑）

表9 改性乳化瀝青性能指標（國產A 瀝青+進口B 乳化劑）

表10 乳化瀝青各項性能指標（進口B 瀝青+國產A 乳化劑）

表11 乳化瀝青各項性能指標（進口B 瀝青+進口B 乳化劑）

3.2 集料

集料在微表處混合料中體積占比80%以上，且其性能相對穩定，因此集料選擇對稀漿混合料整體路用性能和表面功能均有非常明顯的影響。所用集料為河北承德易縣玄武巖，共分為粗中細三擋，其指標見表12。按照質量比為粗∶中∶細=1 ∶1 ∶3 將集料均勻混合，最終得到集料級配合成見表13。

表12 集料性能指標

表13 合成級配

最終試驗結果見圖1，兩種石料的級配曲線均在微表處級配范圍的上下限區間內，且砂當量的平均值大于65%，符合規范《公路瀝青路面微表處設計與施工技術規范》（DB62T 3129—2017）要求的砂當量值。

圖1 集料級配曲線

3.3 改性乳化瀝青混合料性能

根據《微表處與稀漿封層技術指南》，通過采用4 種不同原材料組合的SBR 改性乳化瀝青拌和制備得到改性乳化瀝青混合料（油石比9.5%），并進行黏聚力、濕輪磨耗及負荷車輪黏砂試驗，試驗結果見表14。

表14 混合料技術指標

從試驗結果可以看出，國產A 基質瀝青+進口B 乳化劑組合所生產的SBR 改性瀝青混合料黏聚力最高，負荷載輪碾壓值最低，表示該組合下混合料集料與瀝青黏附效果較好。濕輪磨耗試驗結果表明，兩種試驗時間下該組合下混合料最低的磨耗值。此外，4 種組合的混合料1 h 到6 d 磨耗值的提高分別為：61.0%、56.8%、57.8%、66.4%，表明國產A 基質瀝青+進口B 乳化劑組合所生產的SBR 改性瀝青混合料的耐磨性能最佳，且耐磨性能不易隨著路面使用時間的增加而降低。因此，推薦的SBR 改性乳化瀝青的最佳組合為選用國產A 基質瀝青與進口B 型乳化劑（1.6%摻量），在4.0%膠乳摻量下制備SBR 改性乳化瀝青。

4 原材料對改性乳化瀝青混合料性能的影響分析

選取兩種基質瀝青及乳化劑兩兩組合配制SBR改性乳化瀝青，并對比其混合料路用性能以選出最佳組合。但目前市場中基質瀝青及乳化劑產地、品牌繁多，所推薦的原材料組合并不適用所有工程。為指導實際工程中材料選擇，通過分析原材料對改性乳化瀝青混合料性能的影響提出原材料選擇原則。

4.1 基質瀝青

對比基質瀝青指標及改性乳化瀝青指標可知，當乳化劑型號相同時，基質瀝青指標對改性乳化瀝青蒸發殘留物指標影響較大，基質瀝青針入度、延度、軟化點越高，改性乳化瀝青針法殘留物對應的指標也越高。由此可知，選擇三大指標良好的基質瀝青可以對改性乳化瀝青起到提高抗剪切能力、塑性能力以及抵抗高溫變形能力的作用。

對比基質瀝青指標及改性乳化瀝青混合料指標可知，當乳化劑型號、礦料級配、油石比相同時，基質瀝青對混合料黏聚力及負荷輪碾壓試驗結果影響較小，對濕輪磨耗結果影響較大。這表明基質瀝青對混合料水穩定性及耐磨性能有較大的影響，分析其原因發現，所選國產A 型瀝青的含蠟量遠低于進口B 型瀝青，蠟對瀝青路面的使用性能的影響主要體現在蠟會使瀝青與石料的黏附性降低，從而降低瀝青混合料的耐磨性能，在水侵蝕下易使路表面礦料顆粒剝離，即降低混合料的水穩定性。由此可知，選擇含蠟量較低的基質瀝青可以對改性乳化瀝青起到提高水穩定性、耐磨性的作用。

4.2 乳化劑

乳化劑對改性乳化瀝青的作用主要是利用其兩親性分子的結構特點，使得溶液中顆粒分散有序排列，從而起到乳化、分散的功能。所選兩種乳化劑皆為陽離子乳化劑，陽離子乳化劑一般為酰胺類乳化劑，因此總胺量對其乳化效果影響較大。由乳化劑基本指標對比可知，國產A 型乳化劑的固含量及總胺量明顯低于進口B 型乳化劑，即進口B 型乳化劑中有效成分含量更高。通過對比可知，當基質瀝青種類相同時，采用進口B 型乳化劑的改性乳化瀝青的三大指標較高，貯存穩定性較好，表明進口B 型乳化劑乳化效果更好，對應的改性乳化瀝青性能及穩定性更強。采用進口B 型乳化劑的混合料黏聚力及負荷輪碾壓試驗結果更佳，證明采用高固含量及高總氨量改性劑的改性乳化瀝青與集料之間黏附效果更好。除此之外，采用進口B 型乳化劑時，改性乳化瀝青及混合料其余各項性能皆有不同程度的提升。由此可知，選擇固含量、總胺量較高的陽離子乳化劑可以使乳化效果更好，提高改性乳化瀝青及混合料性能。

5 結論

（1）以SBR 改性劑摻量為唯一變量，綜合評價改性乳化瀝青蒸發殘留物的各項指標，優選得到最佳SBR 改性劑摻量為4.0%。（2）以基質瀝青種類為唯一變量，綜合評價改性乳化瀝青蒸發殘留物的各項指標，優選得到國產A 型基質瀝青制備的乳化瀝青性能更佳。（3）以乳化劑種類為唯一變量，綜合評價改性乳化瀝青蒸發殘留物的各項指標，優選得到進口B 型乳化劑制備的乳化瀝青性能更佳。（4）通過將國產A 型基質瀝青、進口B 型基質瀝青、國產A 型乳化劑以及進口B 型乳化劑兩兩組合，優選出使用國產A 基質瀝青與進口B 型乳化劑（1.6%摻量），在4.0%膠乳摻量下制備SBR 改性乳化瀝青的最佳組合。（5）綜合分析不同基質瀝青、乳化劑組合制備得到的SBR 改性乳化瀝青及瀝青混合料的各項性能，推薦在SBR 改性乳化瀝青生產過程中，采用針入度、軟化點、延度指標良好且含蠟量低的基質瀝青以及固含量、總胺量較高的陽離子乳化劑。