WER-SBR復合改性活性乳化瀝青性能研究

鄭木蓮，馬 賽，王 可，劉 俠，丁曉巖

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064；2.濟寧市鴻翔公路勘察設計研究院有限公司，濟寧 272100；3.山東高速集團有限公司，濟南 250098)

0 引 言

瀝青路面是我國公路的主要路面形式，隨著我國道路建設從“以建為主”過渡到“建養并重”的新階段，瀝青路面面臨的養護與維修壓力也日益劇增[1]。傳統的路面養護技術普遍存在資源浪費、環境污染等問題，相比之下，基于瀝青再生的環保型預防性養護技術更具優勢，該技術在養護路面的同時，還可以對舊路面老化瀝青進行再生利用，這不僅能延長路面使用壽命，還能實現資源循環利用，減少環境污染[2-3]。基于此，本文將研發的活性劑摻入丁苯橡膠(styrene butadiene rubber， SBR)改性乳化瀝青中，制備成SBR活性乳化瀝青[4-6]，前期試驗數據[7-8]表明，活性劑可以補充瀝青老化后缺失的組分，溶解和分散瀝青質，使得老化瀝青再生。然而，活性劑的主要成分是瀝青中的輕質組分，對溫度較為敏感，高溫下不穩定、易揮發，且SBR改性乳化瀝青本身存在高溫性能差、黏附性不足等問題，限制了SBR活性乳化瀝青在實際工程中的應用[9-10]。

為解決上述問題，采用熱固性樹脂類材料對SBR活性乳化瀝青進行復合改性，來提高其高溫穩定性和黏附性。近些年，水性環氧樹脂(waterborne epoxy resin， WER)憑借著力學性能優異、黏結力強且熱穩定性好等優點，被廣泛應用于改性乳化瀝青[11-12]。周衛峰等[13]使用不同摻量的WER對乳化瀝青進行單一改性，發現WER可以有效提高乳化瀝青的高溫性能。李秀君等[14]使用不同摻量的WER對不同種類SBR改性乳化瀝青進行復合改性，發現WER雖然能提高SBR改性乳化瀝青的高溫抗變形能力、耐磨耗和抗剝落性能，但也會降低其低溫延展性。范賢鵬等[15]將WER-SBR復合改性乳化瀝青應用到微表處養護封層中，結果表明WER可以顯著增強瀝青與集料的黏附性，提升微表處混合料的抗滑和耐磨性能。在WER改性乳化瀝青的研究中，主要根據針入度、軟化點、延度等基本性能指標確定WER的摻量，尚未考慮瀝青材料在低溫下的力學特性。然而，瀝青材料在低溫下的力學性能和蠕變特性會直接影響混合料的長期耐久性，所以此類評價方法缺乏一定的合理性和系統性。目前，關于WER改性SBR活性乳化瀝青的研究還較少。

基于此，本文采用WER對SBR活性乳化瀝青進行復合改性，通過針入度、軟化點、延度等基本性能試驗和動態剪切流變試驗、低溫彎曲蠕變試驗，綜合分析不同WER摻量對其高低溫性能的影響，并對WER-SBR活性乳化瀝青的黏附性和還原性進行評價，為WER-SBR活性乳化瀝青在環保型預防性養護技術中的推廣應用提供參考。

1 實 驗

1.1 乳化瀝青

制備乳化瀝青的原材料為SK-90#基質瀝青，選擇市面上相容性較好的乳化劑，利用室內膠體磨自制SBR改性乳化瀝青，乳化劑用量為0.4%(質量分數)，SK-90#基質瀝青的基本性能指標如表1所示，SBR改性乳化瀝青的基本性能指標如表2所示。

表1 SK-90#瀝青基本性能指標

表2 SBR改性乳化瀝青基本性能指標

1.2 活性劑

選用自行研發的三組分摻配型活性劑，其中包括活性成分(A)、增塑劑(B)以及滲透劑(C)，可以補充老化瀝青的輕質組分，有效活化老化瀝青，增強瀝青的低溫性能，且具有一定的滲透性。另外，該活性劑是經乳化后的水溶液，可以直接摻入乳化瀝青，制備成SBR活性乳化瀝青。活性組分的基本物理指標如表3所示。

表3 活性組分的基本物理指標

1.3 水性環氧樹脂及固化劑

選擇鳳凰牌E44型環氧樹脂，通過相反轉法利用室內變頻分散砂磨機(型號為SDF-550)制備WER乳液，WER具體技術指標如表4所示。

表4 水性環氧樹脂的技術指標

1.4 WER-SBR活性乳化瀝青的制備

將A、B和C按照一定比例分別進行稱量，然后置于恒溫水浴箱中保持溫度為70 ℃，隨后將其倒入燒杯，人工攪拌混合，將變頻分散砂磨機的轉速調至600～700 r/min，先將三種組分混合剪切1～2 min，然后將質量分數為5%的乳化劑溶解于70 ℃的蒸餾水中，用玻璃棒充分攪拌均勻。隨后將乳化劑水溶液緩慢加入到三組分混合物中，繼續剪切20～30 min，直到混合物溶液呈乳黃色為止。制備流程如圖1所示。

圖1 活性劑制備流程

將制備好的活性劑按比例加入準備好的SBR改性乳化瀝青中，用玻璃棒攪拌均勻得到SBR活性乳化瀝青，再將WER和固化劑按質量比10 ∶4的比例混合并攪拌均勻，倒入SBR活性乳化瀝青中。最后，用變頻分散砂磨機在常溫下攪拌5 min，轉速為300 r/min，即可得到WER-SBR活性乳化瀝青。制備流程如圖2所示。

圖2 WER-SBR活性乳化瀝青制備流程

1.5 WER-SBR活性乳化瀝青蒸發殘留物的制備

乳化瀝青是一種“水包油”材料，瀝青穩定地分散在水中，所以一般通過測試其蒸發殘留物的性能從而對乳化瀝青的性能進行表征和評價。乳化瀝青蒸發殘留物的制備方法通常分為高溫蒸發法和低溫蒸發法；高溫蒸發法可快速獲取蒸發殘留物，而低溫蒸發法則較為緩慢。研究表明，不同的蒸發條件和流程對蒸發殘留物的測試結果有較大影響，因此應謹慎選擇乳化瀝青蒸發殘留物的獲取方式。

對于WER-SBR活性乳化瀝青，為防止高溫蒸發過程破壞WER固化形成的三維交聯網狀結構，因此選擇修正后的低溫蒸發法來獲取蒸發殘留物。具體流程是：稱取一定質量的WER-SBR活性乳化瀝青澆筑在硅膠模具中，用玻璃棒把表面附著的氣泡清除，在通風陰涼處常溫放置24 h之后，在恒溫60 ℃的烘箱中放置48 h，之后將試件取出并翻面重新放入烘箱48 h，以確保水分完全蒸發且不破壞WER的固化體系。

2 結果與討論

2.1 WER對SBR活性乳化瀝青蒸發殘留物基本性能的影響

為分析WER對SBR活性乳化瀝青蒸發殘留物基本性能的影響，分別以SBR活性乳化瀝青質量的0%、5%、8%、10%、12%、15%、20%作為不同WER摻量制備WER-SBR活性乳化瀝青并獲取蒸發殘留物，進行針入度、軟化點和延度試驗并對試驗結果進行分析。為保證試驗結果的準確性，每組試驗樣品均進行三組平行試驗，蒸發殘留物基本性能試驗結果如圖3所示。

觀察圖3(a)可知，瀝青蒸發殘留物的針入度隨著WER摻量的增加而不斷降低，當WER摻量升至5%時，針入度顯著下降，之后隨著WER摻量的增加，蒸發殘留物的針入度降低幅度相對減小。由圖3(b)可知，蒸發殘留物的軟化點隨著WER摻量的增加逐漸升高，當WER摻量達到10%時，軟化點達到60 ℃以上。分析表明WER的摻入可以顯著提高SBR活性乳化瀝青蒸發殘留物的高溫穩定性，這是因為WER和固化劑通過交聯反應分散在瀝青內部形成交聯的三維網狀體系，其固化物是熱固性材料，具有較好的熱穩定性，因此可以提高瀝青材料的軟化點和稠度。由圖3(c)可知，當WER摻量高于8%后，瀝青材料的延度才隨著WER摻量的增加而逐漸降低，當摻量達到20%時，延度急劇下降到25.4 cm。這說明WER摻量達到一定比例之后，會降低SBR活性乳化瀝青的延展性。當WER摻量低于8%時，環氧樹脂的固化物無法在瀝青內部形成連續分布式的網狀結構，隨著WER摻量進一步增加，固化物的分布體系在瀝青內部逐漸成型，固化物逐漸將瀝青包裹起來，由于二者模量相差較大，導致SBR活性乳化瀝青的延展性劇烈下降，并呈現出脆性。在提高SBR活性乳化瀝青高溫穩定性的同時，為了保留其良好的低溫延展性，WER摻量應控制在10%～15%。

圖3 蒸發殘留物基本性能試驗結果

2.2 WER對SBR活性乳化瀝青黏附性的影響

對瀝青路面進行養護時，發現大部分舊路面的表面集料都有較大的磨損，且集料表面的瀝青已經脫落。所以，將WER-SBR活性乳化瀝青作為環保型預防性養護封層的膠結料時，還需要考察其與集料之間的黏附性。

不同于熱瀝青裹覆集料，乳化瀝青具有良好的流動性，所以只能在集料表面形成一層薄薄的瀝青膜，基本不存在自由瀝青。因此本文參考JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[16]中水煮法進行試驗，采用黏附性指數(即裹覆瀝青的質量殘存率)來評價乳化瀝青的黏附性。黏附性指數通過式(1)計算。

(1)

式中：a為黏附性指數，%；m1為集料的原質量，g；m2為集料裹覆瀝青后的質量，g；m3為水煮后集料的質量，g。

為保證試驗有更好的可觀察性，將規范中的水煮法改為動水浸煮法進行試驗，將水煮沸的同時用電動攪拌器在水面邊緣制造水波，試驗裝置如圖4所示。試驗中WER的摻量均為10%。沸水浸煮后集料的瀝青裹覆情況如圖5所示。

圖4 動水浸煮法示意圖

圖5 沸水浸煮后集料的瀝青裹覆情況

表5為不同改性乳化瀝青的黏附性，由圖5及表5可知：沒有摻WER的乳化瀝青在沸水浸煮過程中瀝青明顯從集料表面脫落，尤其在集料的棱角處，經過浸煮之后基本沒有瀝青覆蓋，集料表面的瀝青膜呈現細小蜂窩狀，黏附性指數分別只有62.51%和64.89%；而摻入WER的乳化瀝青在浸煮后，集料表面瀝青薄膜依然包裹完整，且肉眼可見表面光滑，色澤濃厚，黏附性指數也達到78.27%和81.23%。這說明WER的加入可以大幅提高SBR活性乳化瀝青的黏附性，也從側面體現出WER對混合料抗水損性能的提升。

表5 不同改性乳化瀝青的黏附性

2.3 WER對SBR活性乳化瀝青高溫流變性能的影響

為評價WER-SBR活性乳化瀝青在不同溫度下的高溫流變性能，本文采用動態剪切流變儀(DSR)對WER-SBR活性乳化瀝青進行溫度掃描，試驗頻率為10 rad/s，試驗溫度區間為52～82 ℃，以6 ℃為間隔采集數據。具體試驗方法參照AASHTO-TP5的規定進行。

分別制備WER摻量為0%、5%、8%、10%、12%、15%、20%的WER-SBR活性乳化瀝青蒸發殘留物，研究復合剪切模量(G*)和相位角(δ)隨溫度的變化，并采用車轍因子(G*/sinδ)來評價其高溫抗變形能力，動態剪切流變試驗結果如圖6所示。

圖6 動態剪切流變試驗結果

由圖6(a)可知，在同一溫度下，隨著WER摻量的增加，SBR活性乳化瀝青的復合剪切模量不斷提高，當摻量高于10%后，WER對SBR活性乳化瀝青復合剪切模量的影響進一步增大。一般來說，瀝青的復合剪切模量與高溫抗變形能力正相關，說明WER可以明顯提高SBR活性乳化瀝青的高溫抗變形能力。由圖6(b)可知，隨著WER摻量的增加，SBR活性乳化瀝青的相位角逐漸減小，表明WER能夠提高SBR活性乳化瀝青的彈性恢復能力。另外，不同WER摻量下，瀝青的相位角均隨著溫度的增加呈現先增大后減小的趨勢，這是因為活性組分中含有的增塑劑和滲透劑對瀝青內部溫度應力的響應有滯后效應。由圖6(c)知，相同溫度下，G*/sinδ隨著WER摻量的增加而增大，并且當WER摻量大于10%后，增長幅度陡然上升，說明WER能顯著提高SBR活性乳化瀝青的高溫抗車轍能力。分析結果表明，WER在SBR活性乳化瀝青內部形成的高度交聯式三維網狀結構，可以有效提升SBR活性乳化瀝青的高溫性能，這與蒸發殘留物的針入度和軟化點試驗結果一致。

2.4 WER對SBR活性乳化瀝青低溫蠕變性能的影響

采用低溫彎曲蠕變試驗(BBR)分析瀝青膠結料不同溫度下的低溫蠕變性能。

(2)

式中：S為勁度模量，kPa；P為外部恒載，980 mN；L為梁支架間距，102 mm；b為梁高，12.5 mm；h為梁寬，6.25 mm；δt為t時刻小梁跨中撓度，mm。蠕變速率(M)表示勁度模量(S)隨時間的變化率，是勁度模量-時間雙對數坐標圖上的斜率。試驗采用加載60 s時的S和M作為瀝青低溫蠕變性能的評價指標。不同溫度不同摻量下的勁度模量和蠕變速率分別如圖7和圖8所示。

圖7 不同溫度不同摻量下的勁度模量

圖8 不同溫度不同摻量下的蠕變速率

由圖7可知，在同一溫度下，隨著WER摻量的增加，S也隨之增加，這是因為呈三維網狀結構的分散在瀝青材料中的環氧樹脂固化物是熱固性物質，可以增強瀝青材料的強度和剛度，提高其勁度模量。在相同的摻量下，隨著溫度的降低S逐漸提高，且溫度越低S提高越多，這是因為溫度的下降使得瀝青逐漸由黏彈性體轉變為彈性體，模量也隨之提高。另外，隨著溫度的降低，不同摻量之間S的差距也在逐漸拉大。分析表明，WER可以提高SBR活性乳化瀝青的勁度模量，但過高的勁度模量反而會使瀝青緩解內部溫度應力的能力下降，降低材料的低溫蠕變性能，導致低溫抗開裂能力變差。對此，美國SHRP計劃提出了PG分級標準，規定瀝青材料的勁度模量應該在結合當地年平均最低溫度的條件下滿足S≤300，本文根據我國的氣候特征選擇-18℃作為勁度模量的溫度條件，得出WER的摻量應控制在15%以下。

由圖8可以看出，在同一溫度下，隨著WER摻量的增加，M隨之減小，當摻量超過15%后影響進一步增大，此時-12 ℃的蠕變速率降幅近14.11%。這是因為WER是熱固性材料，固化形成的三維網狀空間結構均勻分散在瀝青材料內部，像骨架一樣起到支撐作用，加之其本身模量高于瀝青材料，導致材料整體的應力松弛能力降低。在相同摻量下，隨著溫度的降低瀝青材料的M也會降低，這是因為材料在低溫條件下逐漸變硬，流動性降低，通過自身蠕變吸收內部溫縮應力的能力下降。隨著溫度的降低，不同WER摻量下SBR活性乳化瀝青的蠕變速率的差距也逐漸縮小，在溫度降到-24 ℃時，不同WER摻量的瀝青蠕變速率已經非常接近，說明隨著溫度的降低會減弱WER摻量對SBR活性乳化瀝青低溫蠕變性能的影響。根據前文DSR試驗結果，再結合美國SHRP的PG分級標準，WER的摻量應控制在10%～15%。

2.5 WER對SBR活性乳化瀝青還原性的影響

為研究WER的摻入對SBR活性乳化瀝青還原老化瀝青性能的影響，將摻入WER的SBR活性乳化瀝青噴灑在老化瀝青的表面，并設置對照組。隨后對老化瀝青的基本性能進行測試，并對試驗結果進行分析和對比。另外，為保證WER-SBR活性乳化瀝青的滲透深度，老化瀝青制備的試件須有1 cm的厚度，然后分別取0～0.5 cm，0.5～1 cm深度進行三大指標試驗，試驗結果如圖9所示。

由圖9可知，SBR活性乳化瀝青對老化瀝青的基本性能具有較好的恢復能力。在0～0.5 cm深度處，SBR活性乳化瀝青和WER-SBR活性乳化瀝青分別將老化瀝青的針入度從39.8 mm恢復至54.6 mm和53.9 mm，延度從0.3 cm增加至20.6 cm以及20.3 cm。SBR活性乳化瀝青將老化瀝青的軟化點從55.8 ℃降至53.9 ℃，而WER-SBR活性乳化瀝青則將軟化點提升為57.2 ℃，這是因為0～0.5 cm深度處，表面是老化瀝青與噴灑瀝青的混合物，混合物的性能會受到噴灑瀝青的影響，SBR活性乳化瀝青的軟化點低于老化瀝青，所以混合后的軟化點降低，而WER-SBR活性乳化瀝青的軟化點高于老化瀝青，所以混合后的軟化點升高。從試驗結果來看：兩種活性乳化瀝青在0～0.5 cm處都可以有效地恢復老化瀝青的性能；但是在0.5～1.0 cm深度處，由于滲透性能不足，活性乳化瀝青的活化能力在一定程度上被削弱，主要體現在延度方面對老化瀝青的還原效果不如0～0.5 cm深度處。另外，對比摻加WER前后的試驗結果可知，兩種瀝青對老化瀝青的還原能力基本一致，說明WER的摻入并不會影響SBR活性乳化瀝青的還原性。這主要是因為活性劑被乳化后與WER和乳化瀝青一樣均為水性，在破乳之前，三者均為“水包油”的穩定狀態互不影響，活性劑有足夠的時間向下滲透并發揮還原作用。

圖9 老化瀝青還原后的基本性能

3 結 論

(1)WER可以改善SBR活性乳化瀝青的高溫穩定性，增強其黏附性，但是會降低其低溫延展性。

(2)WER能夠明顯提升SBR活性乳化瀝青的高溫流變性能，并且摻量越高，性能提升越大。

(3)WER會降低SBR活性乳化瀝青的低溫蠕變性能，當摻量超過15%時，影響尤為明顯。

(4)WER對SBR活性乳化瀝青的還原性基本沒有影響。

(5)WER在SBR活性乳化瀝青中的摻量應控制在10%～15%。