高摻量SBS改性乳化瀝青的制備

李強(qiáng)，儲(chǔ)昭勝，羅宵，黃紹龍，黃修林

(1.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430023；2.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062; 3.武漢市市政建設(shè)科研有限公司，湖北 武漢 430024)

0 引言

21世紀(jì)以來(lái),伴隨著大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)投入，我國(guó)高等級(jí)公路和城市快速路發(fā)展迅猛.2018年末，我國(guó)公路里程達(dá)470萬(wàn)公里，其中高速公路通車?yán)锍桃淹黄?4萬(wàn)公里[1].隨著公路里程的不斷增加和公路使用強(qiáng)度的不斷提升，道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)變得愈發(fā)重要.改性乳化瀝青是一種將瀝青進(jìn)行改性和乳化而得到的重要化工產(chǎn)品，集改性瀝青和乳化瀝青的優(yōu)點(diǎn)于一體，在道路養(yǎng)護(hù)工程中，具有廣闊的應(yīng)用前景[2].SBS是一種優(yōu)良的改性劑，常見于改性乳化瀝青領(lǐng)域[3-5].研究發(fā)現(xiàn)，其作為改性劑時(shí)，摻量低于3%，改性瀝青能很好被乳化，但改性效果不佳[6-7]；摻量為3%～5%時(shí)，改性乳化瀝青被很好地乳化，但穩(wěn)定性差；隨著摻量增加，乳化難度隨之提高.高速公路建設(shè)對(duì)路面的要求越來(lái)越高,在一些情況下，SBS含量低于5%就難以滿足高等級(jí)路面的要求.目前，改性乳化瀝青較為廣泛地應(yīng)用于瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，其可顯著改善路面的表面功能，減輕路面的水損壞程度，提高行車安全性，延長(zhǎng)使用壽命[8-9].

為進(jìn)一步研發(fā)性能更加優(yōu)良的乳化瀝青，本文中自制高固含量SBS膠乳，并以其作為改性劑研制高摻量SBS改性乳化瀝青.SBS膠乳的制備既解決了與瀝青相溶性差的問題同時(shí)也節(jié)約了能耗和時(shí)間，高摻量SBS改性乳化瀝青性能優(yōu)良，是道路路用性能全面提升的必要材料.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原料：

環(huán)己烷(純)：太倉(cāng)滬試試劑有限公司生產(chǎn)；

SBS：分子量為10萬(wàn)～40萬(wàn)，線型結(jié)構(gòu)，型號(hào)為SBS-792;

CMK-6：新鄉(xiāng)市龍騰路用材料有限公司;

CM-251：天津康澤威科技有限公司生產(chǎn);

op-10：天津康澤威科技有限公司生產(chǎn);

有機(jī)穩(wěn)定劑：上海源榮化工有限公司生產(chǎn)，摻量0.03%;

70#基質(zhì)瀝青:泰富瀝青廠提供，其基本性能如表1所示.

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

圖1 高固含量SBS膠乳制備技術(shù)路線示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：剪切機(jī)(弗蘭克)、減壓蒸餾裝置一套，乳液激光粒徑分析測(cè)試儀、乳液機(jī)械穩(wěn)定性測(cè)定儀、布氏粘度計(jì)、動(dòng)力粘度測(cè)試儀，膠體磨一臺(tái)，烘箱，軟化點(diǎn)儀、針入度儀、延度儀等，實(shí)驗(yàn)其他輔助設(shè)備若干.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 高固含量SBS膠乳制備技術(shù)路線 根據(jù)前期大量實(shí)驗(yàn)，首先選用環(huán)己烷作為溶劑，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有毒溶劑甲苯，與SBS按照一定比例配置SBS溶液；另配置皂液(其中乳化劑選擇CM-251∶0P-10=7∶3復(fù)配)，控制溫度在65～70 ℃，低速剪切，約3 000轉(zhuǎn)，隨之加SBS溶液，加速剪切至8 000轉(zhuǎn)，乳化后加入穩(wěn)定劑；最后，通過減壓蒸餾回收環(huán)己烷，提純SBS乳液[10].

圖2 高摻量SBS改性乳化瀝青制備技術(shù)路線

1.2.2 高摻量SBS改性乳化瀝青制備技術(shù)路線 首先，將基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱到135 ℃左右4 h備用.其次按照一定配比配置皂液，其中乳化劑選擇CMK-6，最佳摻量待下文研究，溫度控制在60～70 ℃.然后皂液與定量SBS膠乳第一次過膠體磨.接著將混合液與加熱好的瀝青第二次過膠體磨.最后將制備的SBS改性乳化瀝青經(jīng)冷卻后倒入儲(chǔ)存罐，待測(cè)性能.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固含量對(duì)SBS膠乳的性能影響試配30%，40%，50%，60%固含量下的SBS膠乳，分別記為A、B、C、D組.其性能如表2所示.

表2 不同固含量下SBS膠乳的性能

由表2可以看出，D組SBS乳液直接破乳，在一定固含量范圍內(nèi)，SBS膠乳都可以很好地乳化，穩(wěn)定性也好，但固含量高達(dá)60%時(shí)，SBS膠乳體系不穩(wěn)定，容易破乳，表層結(jié)皮，本研究可以制備出固含52.2%的SBS膠乳，高于市場(chǎng)SBS膠乳一般為40%的固含量.

實(shí)驗(yàn)制備的SBS膠乳粘度小，粒徑小，有利于提升所得乳液體系的穩(wěn)定性能；密度接近水，不會(huì)產(chǎn)生分層，各項(xiàng)性能穩(wěn)定，滿足行業(yè)要求.

2.2 CMK-6乳化劑用量對(duì)SBS改性乳化瀝青的影響基于本文中所制備的高固含量SBS膠乳，70#基質(zhì)瀝青，陽(yáng)離子型乳化劑CMK-6，采用二次熱混合法制備高摻量SBS改性乳化瀝青.設(shè)計(jì)制備乳化瀝青固含量為55%，SBS膠乳摻量為基質(zhì)瀝青的8%.配合比見表3.

表3 SBS膠乳改性乳化瀝青配合比

上述數(shù)據(jù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)

不同量乳化劑下對(duì)SBS改性乳化瀝青的性能指標(biāo)的影響規(guī)律如圖3～圖8所示.

圖3 乳化劑用量對(duì)篩余量的影響

圖4 乳化劑用量對(duì)軟化點(diǎn)的影響

由圖3可知隨著乳化劑的增加，乳化程度越高，粒徑越分散，顆粒越小，篩余量降低,當(dāng)乳化劑用量為2.5%時(shí)，篩余量最低.由圖4和5可得，隨著乳化劑的增加，乳化瀝青殘留物軟化點(diǎn)和延度均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)乳化劑含量超過一定范圍后，殘留的乳化劑分子會(huì)抑制乳化瀝青破乳后的瀝青分子間地相互融合，會(huì)影響蒸發(fā)殘留物性能[11].由圖6和圖7可得隨著乳化劑的增加，殘留物針入度呈上升趨勢(shì)，動(dòng)力粘度略有上升最終穩(wěn)定，說(shuō)明SBS膠乳摻量才是影響粘度的關(guān)鍵因素.由圖8可得，隨著乳化劑含量增加，存儲(chǔ)穩(wěn)定性先減小后趨于穩(wěn)定.綜合可得，CMK-6乳化劑對(duì)SBS膠乳改性瀝青具有良好的乳化效果，最佳用量為2.5%，此時(shí)綜合性能最優(yōu).

圖5 乳化劑用量對(duì)延度的影響

圖6 乳化劑用量對(duì)針入度的影響

圖7 乳化劑用量對(duì)動(dòng)力粘度的影響

圖8 乳化劑用量對(duì)存儲(chǔ)穩(wěn)定性的影響

2.3 SBS膠乳摻量對(duì)SBS改性乳化瀝青的影響由2.2可知制備高摻量SBS改性瀝青的乳化劑CMK-6的最佳用量為2.5%，在此條件下，探究不同SBS膠乳摻量下的改性乳化瀝青的性能，如表4所示.

表4 不同SBS摻量下的改性乳化瀝青的性能

由表4所示，SBS膠乳的摻量從10%上升至13%時(shí)，SBS膠乳改性乳化瀝青均容易乳化，且隨著SBS膠乳含量增加，殘留物延度、軟化點(diǎn)和60 ℃動(dòng)力粘度逐漸上升，SBS改性乳化瀝青的高低溫性能優(yōu)良，粘度高.但SBS膠乳超過14%時(shí)，乳化困難，即使能乳化，很快也會(huì)由于體系不穩(wěn)定，水-瀝青界面膜破乳，瀝青分子聚集，發(fā)生沉降離析.當(dāng)SBS膠乳摻量為13%時(shí)，軟化點(diǎn)高達(dá)82 ℃，5 ℃延度為42.2 cm，動(dòng)力粘度大于20 000 Pa·s，以此SBS改性乳化瀝青作為膠結(jié)料，可廣泛應(yīng)用于高粘磨耗層，高粘微表處，粘層油等，對(duì)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的開發(fā)推廣具有重要意義.

3 結(jié)論

為了提高SBS在改性瀝青中的摻量，從而提升瀝青性能，本文中首先制備SBS膠乳，然后采用邊乳化邊改性工藝制備SBS改性乳化瀝青，探究乳化劑CMK-6的最佳摻量和SBS膠乳的最高摻量，得出以下結(jié)論：

1)制備的SBS膠乳固含量高，可高達(dá)52.2%，粘度小，粒徑小，乳液體系均勻，不易破乳；

2)對(duì)于SBS膠乳改性瀝青，CMK-6型乳化劑具有良好的乳化效果，最佳用量為2.5%，此時(shí)綜合性能最優(yōu).

3)制得SBS改性乳化瀝青摻量SBS膠乳摻量可高達(dá)13%，蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)高達(dá)82 ℃，5 ℃延度為42.2 cm，60 ℃動(dòng)力粘度大于20 000 Pa·s，以此高性能高摻量SBS改性乳化瀝青為膠結(jié)料可廣泛應(yīng)用于道路養(yǎng)護(hù)工程.