SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青制備與基本性能評(píng)價(jià)

賈倩茹，劉 琦，徐青宇，馬軍營(yíng)

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引言

通常，采用各種措施使自身的基本性能得到改善，在保持乳化瀝青自身特性的基礎(chǔ)上，具有更高瀝青性能的乳化瀝青，被稱為改性乳化瀝青。作為改性乳化瀝青的主要組成成分，乳化瀝青和改性劑的選擇和用量需要非常嚴(yán)謹(jǐn)，只有這樣，才能保證制備得到的改性乳化瀝青滿足性能需求。確定合適的改性乳化瀝青配方并采用適宜的制備方式，可以從源頭上保證改性乳化瀝青的質(zhì)量。

在乳化瀝青選擇中，慢裂快凝型陽離子乳化劑對(duì)瀝青性能影響較小[1]，制備得到的陽離子乳化瀝青可最大限度地滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。鑒于乳化工藝過程復(fù)雜，對(duì)乳化劑品種、用量、pH值、無機(jī)酸種類及水等都有嚴(yán)格的要求，需要通過反復(fù)室內(nèi)試驗(yàn)調(diào)試確定各試劑最佳摻配類型和摻配比例[2]。目前，試驗(yàn)環(huán)境難以達(dá)到制備完全均質(zhì)的乳化瀝青的標(biāo)準(zhǔn)，并且市場(chǎng)化的改性乳化瀝青均符合試驗(yàn)要求，因此采購正規(guī)生產(chǎn)廠家的成品用于試驗(yàn)研究。本研究采用先乳化后改性的制作方式，該方法要求使用膠乳狀的改性劑，采用機(jī)械攪拌法進(jìn)行改性[3]。

本文采用SBR丁苯膠乳對(duì)慢裂快凝型陽離子乳化瀝青進(jìn)行改性，通過對(duì)制備所得的改性乳化瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，確定改性工藝參數(shù)及改性劑的最佳摻量，為改性乳化瀝青的研究提供參考。

1 原材料

1.1 乳化瀝青

本研究采用佛山市創(chuàng)立信化工有限公司生產(chǎn)的慢裂快凝型陽離子乳化瀝青BC-1，B表示拌合型，C表示陽離子乳化瀝青。依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]對(duì)慢裂快凝型陽離子乳化瀝青的性能要求進(jìn)行相應(yīng)項(xiàng)目的試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目與結(jié)果見表1。

表1 乳化瀝青性能指標(biāo)

1.2 SBR丁苯膠乳

本研究采用新鄉(xiāng)市博旭公路工程有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為JY-SBR 65的陽離子丁苯膠乳。該膠乳改性劑為乳白色液體改性劑，有一定的黏性。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的性能要求[5]，本研究進(jìn)行了相應(yīng)項(xiàng)目的試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目與結(jié)果見表2。

表2 SBR丁苯膠乳性能指標(biāo)

1.3 改性乳化瀝青制備

乳化瀝青改性所用試驗(yàn)儀器設(shè)備的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，改性乳化瀝青應(yīng)符合拌合用乳化瀝青的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)方法見表4。

表4 改性乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)方法

2 改性乳化瀝青制備工藝的優(yōu)化

2.1 SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青制備工藝分析

本研究使用高速剪切機(jī)制備SBR丁苯乳膠改性乳化瀝青，在已有研究的基礎(chǔ)上，考慮試驗(yàn)過程中儀器和制備條件對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，對(duì)采用成品乳化瀝青制備改性乳化瀝青過程中的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。將SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的主要指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SBR丁苯膠乳摻量（占乳化瀝青摻量的百分比）、拌合溫度、拌合時(shí)間、拌合速度等制備工藝進(jìn)行分析和優(yōu)化，確定性能最佳的SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青制備工藝。

（1）SBR丁苯膠乳摻量。影響改性乳化瀝青路用性能最顯著的因素是SBR丁苯膠乳摻量的大小，SBR丁苯膠乳摻量的適量添加可明顯提高改性瀝青的路用性能。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）及相關(guān)文獻(xiàn)資料[6]，本研究設(shè)計(jì)SBR丁苯膠乳摻量取0、2%、4%、6%、8%，研究其對(duì)改性乳化瀝青蒸發(fā)殘余物指標(biāo)及儲(chǔ)存穩(wěn)定性能的影響，確定SBR丁苯膠乳摻量的最佳值。

（2）拌合溫度。對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性時(shí)，瀝青溫度的逐漸升溫會(huì)引起其黏性的下降，過高的高溫剪切會(huì)導(dǎo)致瀝青老化現(xiàn)象的發(fā)生。有研究表明，膠乳狀改性劑對(duì)陽離子乳化瀝青的改性，不需要加熱即可進(jìn)行剪切改性過程；本研究采用SBR丁苯膠乳改性劑對(duì)液態(tài)的乳化瀝青進(jìn)行改性預(yù)試驗(yàn)，現(xiàn)兩者在常溫下即可相融，故本研究設(shè)計(jì)的拌合溫度取室溫25 ℃。

（3）拌合時(shí)間。SBR丁苯膠乳改性劑對(duì)液態(tài)的乳化瀝青進(jìn)行改性時(shí)，拌合時(shí)間在1～5 min即可充分融合[7]，因此本研究設(shè)計(jì)拌合時(shí)間為5 min，保證膠乳和乳化瀝青充分融合。

（4）拌合速度。有研究表明[8～10]，當(dāng)改性劑為膠體狀時(shí)，剪切速度取1 000～2 000 r/min；當(dāng)膠乳狀改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青改性時(shí)，剪切速度從500 r/min緩慢提高到5 000 r/min；當(dāng)粉末狀改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青改性時(shí)，剪切速度從500 r/min緩慢提高到5 000 r/min；當(dāng)膠乳狀改性劑對(duì)陽離子乳化瀝青改性時(shí)，以500 r/min的剪切速度即可充分拌合。因此，本研究設(shè)計(jì)拌合速度為500 r/min，保證膠乳和乳化瀝青充分融合。

2.2 SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的制備

采用高速剪切法制備改性乳化瀝青，將乳化瀝青倒入鐵質(zhì)容器中，不啟動(dòng)控溫器加熱瀝青，設(shè)置高速剪切機(jī)剪切速度為500 r/min，然后用滴管加入已設(shè)定量的SBR丁苯膠乳改性劑（SBR丁苯膠乳摻量取0、2%、4%、6%、8%），設(shè)置高速剪切機(jī)的剪切時(shí)間為5 min。待改性過程完成后，將剪切好的改性乳化瀝青取出后冷卻至室溫，即得SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青。

2.3 SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)分析

SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青性能研究的基礎(chǔ)試驗(yàn)中，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有著重要影響。因此，需對(duì)SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行性能分析，用于確定SBR膠乳改性劑的最佳摻量；其試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 SBR丁苯乳膠摻量對(duì)改性乳化瀝青性能的影響

（1）由圖1（a）可知，隨著SBR丁苯膠乳改性劑用量的增加，改性乳化瀝青的篩上剩余量呈逐漸加速上升趨勢(shì)。這就意味著剪切過程促使乳化瀝青的絮凝和聚結(jié)減少，降低了瀝青顆粒物含量；但是，SBR丁苯膠乳摻量的增加能在一定程度上引起瀝青絮凝和聚結(jié)的發(fā)生，增大瀝青顆粒物尺寸，造成篩上殘余量增大。改性乳化瀝青的篩上殘余量應(yīng)滿足不大于0.1%的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)SBR膠乳摻量達(dá)到8%時(shí)，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的篩上殘余量值為0.07%，仍遠(yuǎn)小于0.1%，即其摻量對(duì)篩上殘余量這一技術(shù)指標(biāo)的影響不是主要影響因素。

圖1 SBR丁苯乳膠摻量對(duì)改性乳化瀝青指標(biāo)的影響

（2）由圖1（b）可知，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物含量隨SBR丁苯膠乳摻量的增加而略有增加。這是因?yàn)槿榛癁r青的蒸發(fā)殘余物含量為60.2%，SBR膠乳的固含量為65%，膠乳的固含量略高于乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物含量，所以隨著SBR丁苯膠乳含量的增加，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物含量會(huì)略有增加。改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物含量應(yīng)滿足不小于0.1%的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)SBR丁苯膠乳摻量的增加不會(huì)降低改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物含量值，即其摻量對(duì)蒸發(fā)殘余物指標(biāo)的影響不是主要的。

（3）由1圖（c）可知，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物針入度隨SBR膠乳摻量的增加呈現(xiàn)先降低后略增加的趨勢(shì)，但是SBR膠乳在6%摻量和8%摻量時(shí)的蒸發(fā)殘余物針入度改變量?jī)H為1.1%，變化很小，不能作為結(jié)論的依據(jù)。對(duì)比0～6%摻量的SBR丁苯膠乳對(duì)改性乳化瀝青蒸發(fā)殘余物針入度性能的影響可以看出，每增大1%的膠乳摻量，針入度增加1.7%左右，SBR丁苯膠乳摻量的增加能迅速提升SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的高溫性能。改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物針入度應(yīng)滿足45×0.1 mm～150×0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)SBR膠乳摻量在0～8%時(shí)，其針入度在60×0.1 mm～75×0.1 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是8%摻量時(shí)反向數(shù)值的出現(xiàn)，使得本研究推薦使用6%及以下?lián)搅康腟BR膠乳改性劑。

（4）由圖1（d）可知，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物延度隨SBR丁苯膠乳摻量的增加有明顯增加。不摻加改性劑時(shí)，延度僅為10 cm；當(dāng)摻量為2%時(shí)，延度即滿足大于20 cm的要求；當(dāng)摻量達(dá)到6%及以上時(shí)，延度大于150 cm。這表明SBR丁苯膠乳的摻加能夠明顯提高SBS丁苯乳膠改性乳化瀝青的低溫性能。因此，本研究推薦可摻加一定含量的SBR丁苯膠乳以改善乳化瀝青的低溫性能。

（5）由圖1（e）可知，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘余物軟化點(diǎn)隨SBR丁苯膠乳摻量的增加而逐漸呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，當(dāng)摻量達(dá)到6%及以上時(shí)，軟化點(diǎn)即達(dá)到改性乳化瀝青蒸發(fā)殘余物軟化點(diǎn)不小于53 ℃的要求。原因在于SBR丁苯膠乳能在乳化瀝青中以絲狀纏繞結(jié)構(gòu)的形式阻礙瀝青的流動(dòng)，其流動(dòng)性減小，進(jìn)而改善瀝青的高溫性能。

（6）由圖1（f）可知，當(dāng)SBR丁苯膠乳摻量為2%時(shí)，乳化瀝青的5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但當(dāng)摻量逐漸增加時(shí)，其儲(chǔ)存穩(wěn)定度有明顯增大的情況，這是因?yàn)楦男匀榛癁r青和SBR丁苯膠乳形成雙重力不穩(wěn)定體系，不穩(wěn)定性逐漸增加；由于SBR膠乳自身具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，所以SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青不穩(wěn)定性的提升效果并不是很明顯。8%的SBR丁苯膠乳摻量的改性乳化瀝青的5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定度超過5%的性能要求，其1 d儲(chǔ)存穩(wěn)定度也接近1%的界限。因此，為保證SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的性能穩(wěn)定性，本研究推薦使用6%及以下?lián)搅康腟BR膠乳對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性。

綜上可知，隨著SBR丁苯膠乳摻量的增加，增大了乳化瀝青的篩上殘余量和蒸發(fā)殘余物含量，降低了乳液的常溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性，對(duì)針入度、軟化點(diǎn)、延度三大指標(biāo)均有比較明顯的改善和提升。

3 結(jié)語

本文進(jìn)行SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的制備及基本性能研究，主要研究結(jié)論如下。

（1）優(yōu)化了SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的制備工藝：拌合溫度為25 ℃，拌合時(shí)間為5 min，拌合速度為500 r/min。

（2）通過對(duì)丁苯膠乳摻量為0、2%、4%、6%、8%的SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的篩上殘余量、蒸發(fā)殘余物和儲(chǔ)存穩(wěn)定度等性能分析，得到當(dāng)丁苯膠乳摻量為6%時(shí)，SBR丁苯膠乳改性乳化瀝青的性能指標(biāo)最優(yōu)的結(jié)論。