SBR膠乳對(duì)乳化瀝青流變性能的影響

暢潤(rùn)田，杜素軍，裴 強(qiáng)，郭贏贏，龐瑾瑜

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

SBR膠乳對(duì)乳化瀝青流變性能的影響

暢潤(rùn)田，杜素軍，裴 強(qiáng)，郭贏贏，龐瑾瑜

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

通過(guò)測(cè)定改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物3大指標(biāo)以及流變行為曲線，研究了改性劑丁苯(SBR)膠乳摻量對(duì)乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能的影響。結(jié)果表明:在高溫和低頻區(qū)，改性劑SBR膠乳對(duì)瀝青的彈性有一定程度的改善，隨SBR摻量的增加，改善效果會(huì)產(chǎn)生小幅提升，這與三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)論一致。綜合分析得出膠乳的最佳摻量為3 %。

道路工程；乳化瀝青；改性劑；流變性能

0 引 言

乳化瀝青因具有節(jié)能環(huán)保、施工季節(jié)長(zhǎng)以及和易性好等優(yōu)點(diǎn)在公路鋪筑和路面養(yǎng)護(hù)方面得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。對(duì)于乳化瀝青，水分完全蒸發(fā)后，最終發(fā)揮黏結(jié)效應(yīng)的仍然是其中的瀝青，基質(zhì)瀝青無(wú)法滿足溫度反應(yīng)不敏感、低溫下不脆裂以及耐疲勞性等條件要求。改性乳化瀝青在保持乳化瀝青特點(diǎn)的同時(shí)，采用高分子聚合物對(duì)瀝青進(jìn)行改性，大幅度提高瀝青的高溫?zé)岱€(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性以及與石料黏附性等路用性能[3-4]。改性劑聚合物可以在瀝青內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，體系的黏彈特征會(huì)發(fā)生明顯變化[5]。

流變學(xué)作為力學(xué)的一個(gè)新的分支，主要測(cè)試樣品的復(fù)數(shù)黏度、復(fù)數(shù)模量以及相角隨著交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行所產(chǎn)生的相應(yīng)變化，以評(píng)價(jià)樣品的黏性與彈性性質(zhì)。其測(cè)定值完全取決于溫度和加載頻率，因此用來(lái)表征聚合物改性瀝青非常有效[6-11]。然而流變行為的測(cè)試方法在道路瀝青中的應(yīng)用十分有限，僅美國(guó)SHRP指標(biāo)中規(guī)定的車轍因子G*/sinδ涉及這方面的內(nèi)容。隨著動(dòng)態(tài)剪切流變儀被用于測(cè)定車轍因子指標(biāo)，流變行為的測(cè)試也慢慢地被道路行業(yè)中的研究者所重視。已有關(guān)于改性瀝青流變行為研究的報(bào)道，可考察瀝青改性效果及其內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成情況[7-9]。

流變學(xué)中常用Maxwell模型來(lái)描述線性黏彈性流體的理想模型，如式(1)[12]

(1)

式中：G′為儲(chǔ)能(彈性)模量；G″為損耗(黏性)模量；ω為角頻率；G0和τR分別為高頻時(shí)的平臺(tái)模量和弛豫時(shí)間。

隨角頻率ω增加，G′單調(diào)增加直至達(dá)到平臺(tái)模量G0，而G″先增加，達(dá)到最大值后又下降。相位角δ反映的是黏彈性材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)中彈性行為和黏性行為所占份額的關(guān)系，材料的δ越小，越接近0°，說(shuō)明其力學(xué)響應(yīng)越接近彈性行為；材料的δ越大，越接近90°，說(shuō)明其力學(xué)響應(yīng)越接近黏性行為。這些流變參數(shù)為更好地了解材料的性能提供了基礎(chǔ)。

筆者重點(diǎn)考察了乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的流變行為，并以此為重要依據(jù)對(duì)乳化瀝青配方進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。試驗(yàn)中選用進(jìn)口陽(yáng)離子乳化劑I1、SK 90#基質(zhì)瀝青，在SBR膠乳的摻量分別為0%，1%，3%條件下制備改性乳化瀝青。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)黏度η*，復(fù)數(shù)模量G*以及相位角隨溫度(30～90) ℃與荷載頻率(0～100)rad/s的變化曲線。并結(jié)合改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)，對(duì)改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

基質(zhì)瀝青：韓國(guó)SK 90#。

乳化劑：進(jìn)口陽(yáng)離子乳化劑I1為木質(zhì)素和妥爾油的混合乳化劑，慢裂，主要用于稀漿封層和冷再生。

改性劑：SBR膠乳，乳白色液體，有效含量為60%。

1.2 SBR改性乳化瀝青的制備

制備工藝：采用二次熱混合法，其中油水質(zhì)量比為1∶1，乳化劑I1摻量 2.2%，膠乳摻量分別為0%，1%和3%。將乳化劑溶于一定量的水中，加入SBR膠乳，攪拌均勻，調(diào)節(jié)pH達(dá)到2～3，之后加熱到55 ℃，倒入膠體磨中循環(huán)10 s，將125 ℃的瀝青緩慢倒入膠體磨繼續(xù)循環(huán)30 s得到改性乳化瀝青。隨后緩慢攪拌加熱，得到改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物。

1.3 性能測(cè)試

1)常規(guī)指標(biāo)：依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的25 ℃針入度，5 ℃延度以及軟化點(diǎn)。

2)動(dòng)態(tài)流變行為：復(fù)數(shù)黏度、儲(chǔ)能和耗能模量、相角隨頻率與溫度的變化關(guān)系曲線。采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的DSR(DHR-1)，采用直徑為8 mm的平板，板間距離為1 100 μm。樣品安放好之后在待測(cè)溫度下恒溫30 min后進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

表1為不同SBR摻量下乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)。

表1 三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出：SBR可以極大地提升樣品的低溫延展性。不添加SBR時(shí)，樣品發(fā)生低溫下脆斷現(xiàn)象，隨著SBR摻量的增大，低溫延度上升非常顯著，說(shuō)明瀝青的低溫抗裂性顯著提高。隨SBR摻量的增加，樣品軟化點(diǎn)逐漸升高；瀝青針入度逐漸下降，說(shuō)明瀝青的高溫穩(wěn)定性提高。根據(jù)以上分析得出，在乳化劑I1摻量確定的條件下，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的高低溫性能隨SBR膠乳摻量的增加有較明顯的提升。另外，SBR膠乳摻量增加，所消耗的乳化劑量也會(huì)相應(yīng)增加，因此，在乳化劑摻量一定的情況下，膠乳的摻量不宜太大。綜合以上因素得出，在所選用的制備工藝條件下，SBR的摻量為3%時(shí)較為合適。

圖1分別為不同膠乳摻量下,樣品蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)黏度η*隨溫度和頻率的變化關(guān)系曲線。

圖1 復(fù)數(shù)黏度η*隨溫度和頻率的變化Fig.1 Variation of η* as a function of temperature and frequency

從圖1(a)中可以看出，不同SBR摻量對(duì)應(yīng)樣品的復(fù)數(shù)黏度η*隨溫度的變化規(guī)律很相似。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，所有樣品的η*呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)能增加，分子間作用力減弱的緣故；在低溫區(qū)域，隨著膠乳摻量的增加，η*有微弱的下降，在溫度高于50 ℃時(shí)，所有曲線重合，說(shuō)明改性劑對(duì)蒸發(fā)殘留物η*隨溫度變化關(guān)系的影響不明顯。

圖1(b)為60 ℃下，不同SBR摻量對(duì)應(yīng)樣品蒸發(fā)殘留物的η*隨掃描頻率的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：樣品復(fù)數(shù)黏度η*隨頻率的升高整體呈下降趨勢(shì)，并且隨膠乳摻量的增加，樣品η*的下降趨勢(shì)更加顯著。在低頻區(qū)，樣品η*隨膠乳摻量增加而增大，高頻區(qū)，黏度η*隨膠乳摻量的增加而減小，這是改性劑SBR中的分子鏈在較低切應(yīng)力下相互纏繞，導(dǎo)致黏度增加，而當(dāng)剪切頻率增大到一定程度后，分子鏈的結(jié)點(diǎn)幾乎完全被破壞，因此體黏粘度下降更快[13]。

圖2為不同膠乳摻量下,儲(chǔ)能模量G′與損耗模量G″隨溫度和頻率的變化曲線。儲(chǔ)能模量G′是用來(lái)表征材料的彈性特征，其值越大，說(shuō)明材料的彈性強(qiáng)度越強(qiáng)；而損耗模量G″描述材料黏性特征的參數(shù)，其值越高，說(shuō)明材料的韌性越強(qiáng)[14]。

圖2 儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″隨溫度及頻率的變化曲線Fig.2 Variation of G′and G″as a function of temperature and frequency at different SBR content

圖2中模量主曲線變化規(guī)律很相似，均在低頻與高溫時(shí)達(dá)到最小值，而在高頻與低溫時(shí)達(dá)到最大值，與實(shí)際瀝青路面性能的變化規(guī)律一致[15]。

從圖2(a)中可以看到：隨溫度的升高，儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明材料的彈性和黏性特征均下降[14]，而在低溫區(qū)兩曲線非常接近，此時(shí)瀝青體系表現(xiàn)為黏彈體特性；隨溫度的升高，兩曲線的差距越來(lái)越大，這是由于隨著溫度的升高，體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)活動(dòng)能力增加，黏彈性減弱。隨溫度升高儲(chǔ)能模量下降并逐漸趨近于0，此時(shí)瀝青為黏性流體狀態(tài)[16]，值得注意的是，隨膠乳SBR摻量的增加，改性瀝青G′趨近于0的變化速度比基質(zhì)瀝青慢，G′趨近于0的溫度也從基質(zhì)瀝青的70 ℃提高到了83 ℃；在溫度高于45 ℃時(shí)，膠乳SBR改性瀝青的儲(chǔ)能模量比基質(zhì)瀝青略高，說(shuō)明此時(shí)改性瀝青的彈性增強(qiáng)，恢復(fù)形變的能力與基質(zhì)瀝青相比有了一定程度的提高[14]。

圖2(b)為60 ℃條件下樣品儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″隨頻率的變化關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)掃描頻率范圍內(nèi)G″高于G′，說(shuō)明在溫度為60 ℃時(shí)，所測(cè)頻率范圍內(nèi)樣品主要表現(xiàn)表現(xiàn)為黏彈體狀態(tài)；值得注意的是，在相同的測(cè)試溫度和載荷頻率下，SBR改性瀝青的儲(chǔ)能模量G′略高，在低頻段，G′隨改性劑摻量的增加呈小幅升高，說(shuō)明體系的彈性部分得到改善，即SBR的加入可以緩減行車荷載頻率變化對(duì)路面造成的破壞[17]，這也與黏度隨頻率變化趨勢(shì)相近。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在高溫區(qū)和低頻段，改性瀝青的彈性模量有一定程度的提高，但是提高幅度較小，說(shuō)明膠乳不會(huì)大幅改變?nèi)榛癁r青蒸發(fā)殘留物的流變性質(zhì)。

圖3為相角δ隨溫度和頻率的變化關(guān)系曲線。相角δ可表征材料的黏彈特性和機(jī)械損耗，可以更加精確地評(píng)價(jià)改性瀝青膠結(jié)料的性能。相角δ越大，材料結(jié)構(gòu)中鏈段運(yùn)動(dòng)越困難，形變跟不上外力的變化，相應(yīng)瀝青路面彈性恢復(fù)能力差。

圖3 相角δ隨溫度和頻率的變化曲線Fig.3 Variation of δ as a function of temperature and frequency

從圖3(a)中可看出，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度范圍內(nèi)，膠乳改性瀝青的相角δ小于基質(zhì)瀝青。在高溫區(qū)，基質(zhì)瀝青與改性瀝青的相角差相對(duì)較大，隨膠乳摻量的增加改性瀝青的相角δ也相應(yīng)降低，說(shuō)明改性瀝青的彈性有所增加[10]，尤其是在高溫區(qū)，這與改性瀝青在高溫區(qū)具有較大G′相一致。圖3(b)中，隨頻率的增大，樣品δ減小，因?yàn)楹奢d頻率越大，體系內(nèi)部的弛豫時(shí)間越短，形變恢復(fù)越快，因而相角減??；在變頻條件下，隨膠乳摻量的增加，樣品的相角相應(yīng)減小，表明樣品的彈性成分強(qiáng)于基質(zhì)瀝青，這將有利于瀝青在荷載作用下恢復(fù)形變[18]；另外，基質(zhì)瀝青的δ隨頻率的變化曲線較平滑，而改性瀝青的曲線變化并不規(guī)則，尤其是當(dāng)SBR摻量為3%時(shí)，曲線出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)，說(shuō)明SBR的加入使體系具有了聚合物的某些特征[11,14]。

3 結(jié) 語(yǔ)

膠乳的加入對(duì)改性乳化瀝青的流變性能產(chǎn)生一定的影響，隨其摻量的增加，復(fù)數(shù)黏度隨頻率以及相角隨溫度和頻率的變化均較為明顯。模量在低溫區(qū)變化并不明顯，在高溫區(qū)改性瀝青儲(chǔ)能模量略高于基質(zhì)瀝青，并且隨溫度升高趨近于0的速度變慢，說(shuō)明瀝青的彈性在高溫區(qū)得到的一定程度的改善；相角顯著減小，對(duì)應(yīng)體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。綜合分析認(rèn)為，在乳化劑I1摻量為2.2%的前提下，膠乳摻量應(yīng)選擇為3%。另外，所測(cè)試流變行為曲線結(jié)果與改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)一致，表明了流變學(xué)在瀝青體系研究中的適用性和重要性。

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Effect of SBR on the Rheological Properties of Emulsifed Asphalt

CHANG Runtian, DU Sujun, PEI Qiang, GUO Yingying, PANG Jinyu

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi,P.R.China)

Effect of emulsified SBR content on emulsified asphalt was investigated by measuring general performances and rheological properties of asphalt emulsion evaporation residue. The results show that, in the high temperature and the low frequency region, SBR improved elasticity of asphalt in certain extent and with the increace of SBR addition this improvement effect is enhanced slightly, which is consistent with the test results on the three major indices including ductility at 5 ℃ penetration at 25 ℃ and softening point. The overall analysis results show that the optimal dosage of SBR is 3%.

road engineering;emulsified asphalt; modifier; rheological properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.09

2014-11-21；

2015-04-13

山西省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目(2013-1-7)

暢潤(rùn)田(1985—)，女，山西太原人，助理工程師，碩士，主要從事道路材料方面的研究。E-mail:285477504@qq.com。

U214.7

A

1674-0696(2016)05-038-04