天然膠乳改性瀝青制備與基本性能

譚 荷，黃浩波，張海燕，何慧兵，賈曉鵬

（1 河北工程大學，河北邯鄲 056038； 2 江西省高速公路物資有限公司，江西南昌330000；3 中路交建（北京）工程材料技術有限公司，北京100088；4 江西省恒瑞交通科技有限公司，江西九江332000）

隨著我國交通道路行業的快速發展，對瀝青路面的要求在不斷提高，相應地對材料要求也在提高。天然膠乳作為一種改性劑，其綜合性能優異, 工藝成膜性能好,濕凝膠強度高, 容易硫化, 且所得制品具有彈性較大, 強度較高, 伸長率較大, 蠕變較小等特點。期望將天然膠乳與基質瀝青進行改性，有望改善瀝青的溫度穩定性、塑性、儲存穩定性等。Ramez A. Al-Mansob 等［1］研究了環氧化天然橡膠（ENR）改性瀝青的的常規性能（針入度、軟化點、粘度、儲存穩定性）和流變性能，認為ENR 改性瀝青的儲存穩定性與ENR 的摻加量有關。曹榮吉等［2］通過室內試驗研究了采用標準馬來西亞橡膠SMR20 進行瀝青改性的可行性，確定了改性瀝青加工溫度宜控制在160 ～180 ℃、SMR 最佳摻量為4%、加入穩定劑可以提高改性瀝青的儲存穩定性。本文通過常規瀝青實驗（三大指標）、熒光顯微試驗、離析、瀝青薄膜加熱試驗等［3-10］，研究天然膠乳改性瀝青的制備工藝及性能（實驗均參照新版JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程）。

1 材料與工藝參數

1.1 原材料

基質瀝青選用雙龍70#、SK90 基質瀝青，其常規性能指標見表1，天然膠乳選用市售的天然膠乳，測試的指標見表2。

表1 基質瀝青性質Table 1 Base asphalt properties

由表1 可看出，雙龍70# 的軟化點高于SK90，針入度值低于SK90，故后面試驗均采用雙龍70#。

表2 天然膠乳成分表Table 2 Composition of natural rubber latex

采用拉伸試驗來評價天然膠乳原材料的力學強度。將成型好的試驗樣品裁切成規范要求的啞鈴型試件（圖1），分別將其置于常溫和60℃的試驗溫度環境中，待試 件溫度穩定之后進行拉伸試驗，試驗結果見表3。

圖1 天然膠乳固化狀態Fig.1 The cured state of natural rubber latex

表3 天然膠乳拉伸試驗檢測值Table 3 Detected value of natural rubber latex tensile test

1.2 天然膠乳改性瀝青的制備

將基質瀝青在160℃烘箱中加熱，待瀝青烘化后，將瀝青放置在攪拌機中，在165 ～175 ℃條件下，將天然膠乳緩慢加入，在天然膠乳加入過程中，要避免凝固現象發生，然后在170 ～180 ℃條件下發育1h 左右。

1.3 工藝參數試驗

1.3.1 制備溫度

將摻量為5% 的天然膠乳與基質瀝青進行改性，在摻量、穩定劑等相同的條件下，只改變攪拌時的溫度，以145～155、155～165、165～175、175～185 ℃作為研究區間，通過基本實驗指標（表4）可得出在一定溫度范圍內，最佳制備溫度為165～175 ℃。

表4 不同溫度下天然膠乳改性瀝青檢測值Table 4 Detected values of natural rubber latex modified asphalt at different temperatures

由表4 看出，除溫度外其他條件都相同，在天然膠乳緩慢膠乳過程中，隨著溫度的升高，軟化點也隨之升高，但是在180℃左右會降低，針入度大致呈上升趨勢，延度呈上升趨勢。軟化點和針入度在165 ～175 ℃呈現出較好的結果，延度雖然呈上升趨勢，但在165 ～175℃和175 ～185 ℃內延度相差并不大，而且在溫度達到175 ～185 ℃時，瀝青會經過一個漫長的過程，期間瀝青和天然膠乳會發生一定程度的老化，達不到理想的預期目標。故取天然膠乳改性瀝青制備的最佳溫度為165 ～175 ℃。

1.3.2 穩定劑

穩定劑是一種保持高聚物塑料、橡膠、合成纖維等穩定, 防止其分解、老化的試劑，可以減慢反應, 保持化學平衡, 降低表面張力, 防止光、熱分解、氧化分解提高儲存穩定性。

在摻量、溫度等相同的條件下，制備有穩定劑、無穩定劑兩種樣品，通過基本實驗指標（表5）可看出，在有穩定劑的情況下，三大指標均比沒有添加穩定劑較好；通過熒光顯微觀察（圖2）較直觀地可以看出，在有穩定劑的情況下，天然膠乳分子分散較均勻。

表5 有無穩定劑條件下天然膠乳改性瀝青檢測值Table 5 Detected value of natural latex modified asphalt with or without stabilizer

圖2 有無穩定劑條件下熒光圖Fig.2 Fluorescence image with or without stabilizer

改性瀝青穩定劑在一定的熱條件下產生活性基團，與天然膠乳等聚合物分子鏈、瀝青活性基團發生交聯接枝，使天然膠乳與瀝青形成穩定的膠體體系，從而提高改性瀝青的熱穩定性，由圖2 可看出，穩定劑可以使天然膠乳均勻分布在瀝青中，擴大天然膠乳中橡膠相與瀝青的接觸面積，使其有更好的相容性，從而提高各方面性能。在表5 中，沒有穩定劑的情況下，雖然針入度較好，但在實際運用過程中，只要針入度滿足規范要求即可。

1.3.3 摻量

為更好地比較天然膠乳摻量對改性瀝青的影響，在穩定劑等其他條件都相同的情況下，分別制備了天然膠乳摻量為3%、4%、5%、6%、7% 的天然膠乳改性瀝青樣品，檢測改性瀝青的各項指標，確定天然膠乳摻量在一定范圍內，天然膠乳改性瀝青的最佳摻量為7%，見表6 和圖3。

表6 不同摻量下天然膠乳改性瀝青檢測值Table 6 Detected values of natural rubber latex modified asphalt under different content

圖3 離析試驗的軟化點差ΔSPFig.3 The softening point difference ΔSP of the segregation test

由表6 看出，軟化點隨著天然膠乳摻量的增加呈上升趨勢，針入度和延度隨著天然膠乳摻量的增加呈下降趨勢，由圖3 可看出，隨著天然膠乳摻量的增加，軟化點差ΔSP 先下降后上升，等摻量為6% 時軟化點差ΔSP急劇上升，說明隨著天然膠乳的增加，天然膠乳改性瀝青的儲存穩定性會下降，故天然膠乳最佳摻量為7%，要想增加天然膠乳的摻量可選用其他方法。當天然膠乳的摻量較少時在瀝青中的分布數量相對較少，對基質瀝青改性的效果并不明顯，當天然膠乳的摻量較多時，會使天然膠乳改性瀝青的性能偏向天然膠乳，分子間布朗運動越大交聯固化越快，故只有在最佳摻量下，才會充分發揮天然膠乳和瀝青的優勢，達到預期效果。

2 基本性能研究

2.1 瀝青旋轉黏度試驗

通過布洛克菲爾德黏度計（簡稱布氏黏度）旋轉法測定溫度為175 ℃時，選用21 號轉子、轉速為50r/min，測試不同天然膠乳摻量的布氏黏度，結果如圖4 所示。

圖4 不同天然膠乳摻量下布氏黏度檢測值Fig.4 Detected values of Brookfield viscosity under different natural rubber latex content

175℃布氏黏度隨著天然膠乳摻量的增加呈上升趨勢，表明天然膠乳摻量可提高瀝青的高溫性能。在摻量達到5% ～6% 時，布氏黏度急劇上升，說明摻量為5% ～7% 天然膠乳改性瀝青的高溫性能比天然膠乳摻量為3%～5%時要好。

2.2 瀝青薄膜加熱試驗

將天然膠乳改性瀝青加熱到流動性較好的條件下，分別在四個老化盤中倒入50±0.5 g 改性瀝青，在溫度為163±1 ℃的條件下，加熱5h 后，測其5℃延度與25℃針入度，結果見表7。

表7 不同摻量下老化瀝青檢測值Table 7 Detected value of aged asphalt under different content

由表7 可以看出，隨著天然膠乳摻量增加，薄膜加熱后的針入度數值呈上升趨勢，而延度大致呈下降趨勢、延伸性降低，在低溫環境中，天然膠乳和基質瀝青材料本身偏向脆性易發生脆斷。瀝青老化過程中，瀝青組分大致按芳香分→膠質→瀝青質的路線向重質化的方向轉化，致使老化后瀝青的塑性下降。瀝青的極性分量均隨著老化而降低，極性分量的降低表明瀝青對水分子的吸附能力也有所減弱。

由圖5 在熒光顯微鏡下可明顯看出，天然膠乳改性瀝青在老化前后變化較大，通過分別取老化后天然膠乳改性瀝青上部1/3、中部1/3、下部1/3 進行熒光顯微觀察，發現上部1/3、中部1/3 處的熒光顯微圖像和老化前的微觀效果相差較大。圖6 是老化后取底部1/3 處瀝青在放大倍數為400 倍和100 倍的熒光顯微鏡下觀察到的圖片，可以明顯看出，多數天然膠乳、穩定劑出現在底部，說明天然膠乳和基質瀝青只是簡單存在部分地吸附、相容，而并非完全熔融，隨著時間的變化穩定性發生了變化，但具體是發生了簡單的物理變化還是化學變化還需要進一步進行研究。

圖5 天然膠乳改性瀝青老化前后微觀效果Fig. 5 The microscopic effect of natural rubber latex modified asphalt before and after aging

圖6 老化后底部瀝青在不同放大倍數下微觀效果Fig.6 The microscopic effect of the bottom asphalt after aging under different magnifications

3 結論

通過室內試驗研究了采用市售的天然膠乳進行瀝青改性的可行性，確定了改性瀝青加工的工藝參數，通過常規瀝青試驗和熒光顯微鏡試驗確定了天然膠乳的最佳摻量和穩定劑的作用，主要研究結論如下：

（1）天然膠乳改性瀝青的加工溫度宜控制在165 ～175 ℃，加入穩定劑可以提高天然膠乳與瀝青的相容性，改善改性瀝青的儲存穩定性。

（2）針對研究中采用的原材料，最佳的天然膠乳摻量為瀝青質量的7%，要提高改性瀝青的性能，需要進一步提高天然膠乳的摻量。

（3）175℃布氏黏度隨著天然膠乳摻量的增加而增加，在一定范圍內，天然膠乳摻量越多天然膠乳改性瀝青的高溫性能會越好。

（4）薄膜加熱試驗后針入度變大，延度變小，粘度增大, 總體性質變脆、變硬，在熒光顯微下看出老化前后熒光顯微效果相差極大，說明天然膠乳和基質瀝青只是簡單存在部分地吸附、相容，而并非完全熔融，具體原因還需要進一步研究。