基于宏觀性能與微觀性狀確定SBR膠乳在SBR改性乳化瀝青中的最佳添加量

，,2，，

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司總圖規(guī)劃事業(yè)部， 北京 100043; 3.包頭市公路局，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

1 前 言

改性乳化瀝青既保留了乳化瀝青的優(yōu)點(diǎn)，又具有改性劑的特性，性能得到良好改善。SBR改性乳化瀝青因制作簡便，生產(chǎn)成本較低且性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于瀝青路面修建養(yǎng)護(hù)中。因此，確定SBR改性劑的合理添加量對生產(chǎn)性能優(yōu)良的SBR改性乳化瀝青至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外針對SBR改性乳化瀝青的相關(guān)研究[1-8]主要集中于其生產(chǎn)制備工藝及對乳化劑、穩(wěn)定劑等添加劑的性能要求上，而對SBR改性乳化瀝青中膠乳的合理添加量主要根據(jù)蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)等來確定，未有系統(tǒng)分析和研究。李自華[9]的研究表明SBR改性乳化瀝青比未改性的乳化瀝青具有更強(qiáng)的粘結(jié)性、抗變形性和抗剪能力。藺習(xí)雄[10]對乳化劑類型及用量、pH值，儲存溫度對SBR改性乳化瀝青穩(wěn)定性的研究表明，只有同時(shí)兼顧這幾個(gè)因素時(shí)乳液的穩(wěn)定性才能滿足規(guī)范要求。婁可可[11]通過熒光纖維系統(tǒng)參數(shù)化表征SBS改性瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)，其結(jié)果表明最大面積較其他參數(shù)更適合表征SBS改性瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)。周燦峰[12]對SBR改性乳化瀝青的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，認(rèn)為采用先改性后乳化的生產(chǎn)方法，SBR更易吸附瀝青中的油分，形成連續(xù)相。王朝暉[13]通過實(shí)驗(yàn)、工廠化生產(chǎn)等環(huán)節(jié)考察了SBR膠乳、乳化劑及乳化瀝青相關(guān)助劑對改性乳化瀝青乳化效果以及改性乳化瀝青路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)：SBR膠乳和相關(guān)助劑等分別對改性乳化瀝青具有一定的綜合效用，其中乳化劑的選型及添加量對乳化瀝青指標(biāo)的影響較明顯。馮雷雷[14]通過實(shí)驗(yàn)確定乳化溶液pH值為5～6、油溫為120℃、水溫為60℃的條件下，按SBR膠乳含量為3%、氯化銨為0.2%的組分配比，制備的改性乳化瀝青達(dá)到公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的質(zhì)量要求，但對SBR膠乳最佳添加量的確定缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法。

本文針對現(xiàn)有研究的缺陷，擬通過對SBR改性乳化瀝青粘度、儲存穩(wěn)定性、粘附性實(shí)驗(yàn)和微觀性狀分析，結(jié)合蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)確定SBR最佳用量，以制備出具有較好溫度和組成穩(wěn)定性、較好粘結(jié)力和抗水害能力的SBR改性乳化瀝青。

2 原材料的選擇和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 材料

①基質(zhì)瀝青選用濱化牌70#重交道路瀝青，其性質(zhì)見表1。②改性劑選用SBR膠乳，其性質(zhì)見表2。③乳化劑選用慢裂型陽離子乳化劑，美德維實(shí)偉克生產(chǎn)的MQK-1M。④選用聚乙烯醇和無水氯化銨作為穩(wěn)定劑。⑤采用外觀無色透明、潔凈、無雜質(zhì)，pH值為6～8.5，硬度≯8度的蒸餾水作為溶劑。⑥選用鹽酸作為乳液pH值調(diào)節(jié)劑。

表1 基質(zhì)瀝青的性質(zhì)

表2 SBR膠乳的性質(zhì)Table 2 Properties of SBR latex

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器有：FM300型實(shí)驗(yàn)室高剪切分散乳化機(jī)、針入度儀、瀝青延度試驗(yàn)儀、瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀、掃描電鏡、差示掃描量熱儀(DSC)、電子天平、恒溫循環(huán)水浴箱等。

3 SBR改性乳化瀝青性能評價(jià)

3.1 粘度和5d儲存穩(wěn)定性

為評價(jià)SBR膠乳用量對改性乳化瀝青性質(zhì)的影響，選用2.0、2.5、3.0、3.5及4.0%五種不同膠乳量對改性乳化瀝青進(jìn)行改性和性能分析。

恩格拉粘度是在規(guī)定溫度下，由恩格拉粘度計(jì)的流孔，流出50mL瀝青試樣所需時(shí)間與流出同體積水所需時(shí)間的比值，反映乳化瀝青黏度的大小。儲存穩(wěn)定性是指在一定尺寸的玻璃管中，裝入改性乳化瀝青，靜置5d后，玻璃管上部和下部乳液固含量的差值。測試結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 粘度與膠乳添加量的關(guān)系曲線圖Fig.1 Relationship between viscosity and latex content

圖2 5d儲存穩(wěn)定性與膠乳添加量的關(guān)系曲線圖Fig.2 Relationship between 5d stability and latex content

由圖1可知，隨著SBR膠乳量的增加，粘度逐漸變大，因此，增加SBR膠乳用量可提高乳化瀝青粘度，提高其粘結(jié)性。圖2中SBR膠乳含量在2～4%之間，SBR改性乳化瀝青存儲5d后，上下部乳液固含量差值隨膠乳含量的增加而變大，其穩(wěn)定性也逐漸變差。因此，SBR膠乳含量過小會導(dǎo)致乳化瀝青粘度不足，膠乳含量過大則乳化瀝青穩(wěn)定性變差。

3.2 蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的方法測試SBR改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度、延度和軟化點(diǎn)，以此三大指標(biāo)分析評價(jià)SBR膠乳對改性乳化瀝青性能的影響。將不同膠乳添加量SBR改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 軟化點(diǎn)與膠乳添加量的關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between softening point and latex content

圖4 針入度與膠乳添加量的關(guān)系曲線圖Fig.4 Relationship between penetration and latex content

圖5 5℃延度與膠乳添加量的關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship between ductility and latex content

圖3中隨SBR膠乳添加量的增加，軟化點(diǎn)呈上升趨勢，這說明乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性提高；當(dāng)SBR膠乳添加量在2～3%時(shí)，曲線切線斜率逐漸變大，軟化點(diǎn)上升速率較快；在3～4%之間曲線切線斜率逐漸變小，軟化點(diǎn)在此區(qū)間內(nèi)上升速率變小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在3～3.5%之間。SBR改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物針入度隨SBR膠乳添加量的提高而下降，表明乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性得到提高。其中針入度在膠乳含量2～3%之間時(shí)快速下降，膠乳含量3～4%之間時(shí)下降趨勢變緩。由圖5可看出，膠乳含量≥2%時(shí)，SBR改性乳化瀝青5℃的延度均為最大值200cm。通過以上試驗(yàn)指標(biāo)分析，初步認(rèn)為SBR膠乳添加量控制在3～4%之間較合適。

3.3 粘附性

公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中粘附性實(shí)驗(yàn)采用水煮法，以裹附面積為評判標(biāo)準(zhǔn)，對瀝青與粗集料的粘附情況進(jìn)行定性評價(jià)。借鑒王偉明、吳昕懷[11]的粘附實(shí)驗(yàn)方法，本文采用如下實(shí)驗(yàn)步驟對乳化瀝青粘附性進(jìn)行評價(jià)。

(1)將13.2～19mm形狀接近立方體的集料烘干，冷卻至室溫后，稱取200g，用細(xì)線將集料顆粒逐個(gè)系好放入干燥器中備用。

(2)取兩個(gè)容量為2000mL的大燒杯，分別倒入1000mL的蒸餾水和1000mL經(jīng)1.18mm濾篩過濾的SBR改性乳化瀝青試樣。

(3)先將集料顆粒放入盛蒸餾水中的燒杯中，浸水45s。然后立即提出集料放入到盛有SBR乳化瀝青的燒杯中，浸入乳化瀝青中45s。

(4)將裹覆瀝青的集料顆粒懸掛于實(shí)驗(yàn)架上，下方墊紙一張，使多余的瀝青流掉，并在室溫下冷卻15min。

(5)待集料顆粒完全冷卻后，逐個(gè)浸入盛有煮沸水的大燒杯中央，調(diào)整加熱爐，使燒杯中的水保持沸騰狀態(tài)，但不能有沸開的泡沫。

(6)浸煮3min后，將集料從水中取出，冷卻24h后稱取剪掉細(xì)線后集料的質(zhì)量M。

以集料單位面積上粘附的瀝青量和瀝青膜厚度來評價(jià)乳化瀝青的粘附性，單位面積集料上粘附的瀝青量按式(1)計(jì)算，瀝青膜厚度按式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中：P為集料單位面積粘附的SBR改性乳化瀝青質(zhì)量；S為集料的比表面積，單位為 m2/g，按現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定計(jì)算得出，集料比表面積為0.39m2/kg；ρ為乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的相對密度。按此方法分別對不同SBR膠乳添加量的SBR改性乳化瀝青進(jìn)行粘附性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 膠乳含量與集料單位面積粘附瀝青質(zhì)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between absorbed asphalt on unit area of aggregate and latex content

圖7 膠乳含量與瀝青膜厚度的關(guān)系Fig.7 Relationship between asphalt film thickness and latex content

由圖6和圖7可看出，隨著SBR膠乳添加量的增加，集料表面單位面積粘附的瀝青質(zhì)量和厚度不斷增加，這說明增加SBR膠乳用量可提高乳化瀝青的粘附性。在圖6中，SBR膠乳添加量在2～3%時(shí)曲線快速上升，在3～4%時(shí)上升速度減緩。由圖7中可以看出SBR膠乳添加量在2.5～3.5%時(shí)，瀝青膜厚度增加趨勢較為明顯，在3.5～4%時(shí)，增加趨勢減緩。集料表面單位面積上吸附的乳化瀝青多、瀝青膜厚度大，表明其粘附性及抗剝落性越好。

綜合評價(jià)不同SBR膠乳添加量SBR改性乳化瀝青的粘度、5d儲存穩(wěn)定性、粘附性以及蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)，認(rèn)為SBR膠乳添加量宜在3～3.5%之間。

3.4 微觀分析

3.4.1微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析 制備不同SBR膠乳含量的改性乳化瀝青，各取少量滴于5塊載玻片上，并將五種試樣依次編號以便區(qū)分，然后將乳化瀝青密封、晾干，防止試樣表面落入灰塵，最后將制備好的試樣進(jìn)行抽真空和鍍金處理，在5000倍的放大倍數(shù)下進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖8所示。

膠乳含量為2%時(shí)樣品中存在稀疏的膠乳小顆粒，膠乳含量為2.5%的試樣中顆粒變多。膠乳含量為3%的樣品中膠乳顆粒密度明顯增大，顆粒很小。膠乳含量為3.5%的試樣與3%的試樣相比，膠乳顆粒變少，尺寸稍變大。膠乳含量為4%的試樣膠乳顆粒大且稀疏。綜上分析可知，膠乳含量在2～3%時(shí)，隨著膠乳含量的增加，膠乳顆粒的數(shù)量不斷增加，且顆粒較小。膠乳含量在3～4%時(shí)，膠乳顆粒數(shù)量減小，半徑變大。這說明當(dāng)SBR膠乳含量為3%時(shí)，膠乳以小而密的形式存在于乳化瀝青中，與乳化瀝青接觸面積最大，即溶解度最大。當(dāng)含量超過3%時(shí)，膠乳開始聚集，不能很好地分散在乳化瀝青之中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SBR膠乳含量在3～3.5%時(shí)分布最佳。

3.4.2DSC分析 瀝青在溫度變化過程中的熱效應(yīng)可以用差示掃描量熱試驗(yàn)來測定。DSC譜圖吸收峰的位置和吸熱量可表征瀝青中組分發(fā)生聚集態(tài)的微觀變化，可以此評價(jià)瀝青的熱穩(wěn)定性。一般地，吸熱峰越高，說明瀝青在該溫度區(qū)間發(fā)生變化的組分?jǐn)?shù)量越多；吸熱峰越寬，表明發(fā)生變化的組分種類越多，瀝青越不穩(wěn)定，反映在宏觀上是物理性質(zhì)變化較大，如儲存穩(wěn)定性差、溫度穩(wěn)定性差異大等。五種試樣DSC分析曲線如圖9所示。

表3是根據(jù)DSC分析曲線整理的數(shù)據(jù)，反映不同膠乳含量時(shí)，改性乳化瀝青達(dá)到吸熱峰所需溫度和達(dá)到峰值所吸收的熱量。

圖8 不同膠乳含量改性乳化瀝青的掃描電鏡照片 (a) 2%; (b) 2.5%; (c) 3%; (d) 3.5%; (e) 4%
Fig.8 SEM image of different content of latex modified asphalt emulsion

圖9 不同膠乳含量改性乳化瀝青的DSC分析結(jié)果 (a) 2%; (b) 2.5%; (c) 3%; (d) 3.5%; (e) 4%
Fig.9 Different content of latex modified emulsified asphalt DSC curves

表3 不同膠乳含量試樣達(dá)到吸熱峰所需溫度和達(dá)到峰值時(shí)所吸收的熱量對比

分析DSC曲線發(fā)現(xiàn)，5種不同含量膠乳的乳化瀝青中，3.5%的試樣在82.07℃時(shí)出現(xiàn)吸熱峰值，較其他試樣出現(xiàn)吸熱峰的溫度低，并且吸熱曲線峰值也最低，這說明其發(fā)生變化的組分?jǐn)?shù)量較少，即這一膠乳含量的SBR改性乳化瀝青較為穩(wěn)定。同時(shí)3%的試樣在出現(xiàn)峰值處的寬度最窄，表明3%的SBR改性乳化瀝青較為穩(wěn)定。相同實(shí)驗(yàn)條件下，吸熱量越大，表明物質(zhì)內(nèi)能越大，物質(zhì)越不穩(wěn)定，以此原理對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行分析，可認(rèn)定SBR在3～3.5%之間吸熱量較小，乳化瀝青較為穩(wěn)定。

綜合考慮宏觀和微觀分析結(jié)果，參考施工技術(shù)規(guī)范對拌和型SBR改性乳化瀝青的技術(shù)要求，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素，最終認(rèn)為SBR膠乳用量在3～3.5%之間為最佳。

4 結(jié) 論

1.粘度試驗(yàn)和5d儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，SBR膠乳添加量過大或過小均會影響SBR改性乳化瀝青的粘度和穩(wěn)定性。結(jié)合不同膠乳含量SBR改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)，初步認(rèn)為SBR膠乳含量在3～4%較為合適，最終結(jié)合粘附性試驗(yàn)指標(biāo)及微觀試驗(yàn)結(jié)果確定SBR膠乳含量在3～3.5%時(shí)為最佳。

2.SBR改性后的乳化瀝青延度得到顯著提高，粘度也得到相應(yīng)提高，這說明SBR對乳化瀝青的低溫性能及粘結(jié)性和粘附性都有良好改善效果。

3.掃描電鏡觀察顯示SBR膠乳含量為3.5%時(shí)，膠乳以密而小的液滴較均勻地存在于乳化瀝青中，說明乳化瀝青對于SBR膠乳的最佳溶解度在3.5%左右。

4.DSC差示掃描量熱分析表明膠乳含量較大或較小時(shí)，SBR改性乳化瀝青達(dá)到吸熱峰所需溫度值和達(dá)到峰值所吸收的熱量均較大，說明SBR膠乳摻量存在一個(gè)最佳區(qū)間，這一區(qū)間為3～3.5%，此區(qū)間膠乳含量下的SBR改性乳化瀝青組分較為穩(wěn)定，性能也易保持穩(wěn)定。

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