WER-SBR復(fù)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(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.濟(jì)寧市鴻翔公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，濟(jì)寧 272100；3.山東高速集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250098)

0 引 言

瀝青路面是我國(guó)公路的主要路面形式，隨著我國(guó)道路建設(shè)從“以建為主”過(guò)渡到“建養(yǎng)并重”的新階段，瀝青路面面臨的養(yǎng)護(hù)與維修壓力也日益劇增[1]。傳統(tǒng)的路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)普遍存在資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題，相比之下，基于瀝青再生的環(huán)保型預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)在養(yǎng)護(hù)路面的同時(shí)，還可以對(duì)舊路面老化瀝青進(jìn)行再生利用，這不僅能延長(zhǎng)路面使用壽命，還能實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，減少環(huán)境污染[2-3]?；诖耍疚膶⒀邪l(fā)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(yàn)數(shù)據(jù)[7-8]表明，活性劑可以補(bǔ)充瀝青老化后缺失的組分，溶解和分散瀝青質(zhì)，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(zhì)組分，對(duì)溫度較為敏感，高溫下不穩(wěn)定、易揮發(fā)，且SBR改性乳化瀝青本身存在高溫性能差、黏附性不足等問(wèn)題，限制了SBR活性乳化瀝青在實(shí)際工程中的應(yīng)用[9-10]。

為解決上述問(wèn)題，采用熱固性樹(shù)脂類材料對(duì)SBR活性乳化瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，來(lái)提高其高溫穩(wěn)定性和黏附性。近些年，水性環(huán)氧樹(shù)脂(waterborne epoxy resin， WER)憑借著力學(xué)性能優(yōu)異、黏結(jié)力強(qiáng)且熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于改性乳化瀝青[11-12]。周衛(wèi)峰等[13]使用不同摻量的WER對(duì)乳化瀝青進(jìn)行單一改性，發(fā)現(xiàn)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(duì)不同種類SBR改性乳化瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)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(huì)降低其低溫延展性。范賢鵬等[15]將WER-SBR復(fù)合改性乳化瀝青應(yīng)用到微表處養(yǎng)護(hù)封層中，結(jié)果表明WER可以顯著增強(qiáng)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(jù)針入度、軟化點(diǎn)、延度等基本性能指標(biāo)確定WER的摻量，尚未考慮瀝青材料在低溫下的力學(xué)特性。然而，瀝青材料在低溫下的力學(xué)性能和蠕變特性會(huì)直接影響混合料的長(zhǎng)期耐久性，所以此類評(píng)價(jià)方法缺乏一定的合理性和系統(tǒng)性。目前，關(guān)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(duì)SBR活性乳化瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，通過(guò)針入度、軟化點(diǎn)、延度等基本性能試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，綜合分析不同WER摻量對(duì)其高低溫性能的影響，并對(duì)WER-SBR活性乳化瀝青的黏附性和還原性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為WER-SBR活性乳化瀝青在環(huán)保型預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 乳化瀝青

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

表1 SK-90#瀝青基本性能指標(biāo)

表2 SBR改性乳化瀝青基本性能指標(biāo)

1.2 活性劑

選用自行研發(fā)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(bǔ)充老化瀝青的輕質(zhì)組分，有效活化老化瀝青，增強(qiáng)瀝青的低溫性能，且具有一定的滲透性。另外，該活性劑是經(jīng)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?；钚越M分的基本物理指標(biāo)如表3所示。

表3 活性組分的基本物理指標(biāo)

1.3 水性環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑

選擇鳳凰牌E44型環(huán)氧樹(shù)脂，通過(guò)相反轉(zhuǎn)法利用室內(nèi)變頻分散砂磨機(jī)(型號(hào)為SDF-550)制備WER乳液，WER具體技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 水性環(huán)氧樹(shù)脂的技術(shù)指標(biāo)

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(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)至600～700 r/min，先將三種組分混合剪切1～2 min，然后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的乳化劑溶解于70 ℃的蒸餾水中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢杈鶆?。隨后將乳化劑水溶液緩慢加入到三組分混合物中，繼續(xù)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(zhǔn)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(zhì)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(jī)在常溫下攪拌5 min，轉(zhuǎn)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(fā)殘留物的制備

乳化瀝青是一種“水包油”材料，瀝青穩(wěn)定地分散在水中，所以一般通過(guò)測(cè)試其蒸發(fā)殘留物的性能從而對(duì)乳化瀝青的性能進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)。乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的制備方法通常分為高溫蒸發(fā)法和低溫蒸發(fā)法；高溫蒸發(fā)法可快速獲取蒸發(fā)殘留物，而低溫蒸發(fā)法則較為緩慢。研究表明，不同的蒸發(fā)條件和流程對(duì)蒸發(fā)殘留物的測(cè)試結(jié)果有較大影響，因此應(yīng)謹(jǐn)慎選擇乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的獲取方式。

對(duì)于WER-SBR活性乳化瀝青，為防止高溫蒸發(fā)過(guò)程破壞WER固化形成的三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此選擇修正后的低溫蒸發(fā)法來(lái)獲取蒸發(fā)殘留物。具體流程是：稱取一定質(zhì)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(fēng)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(fā)且不破壞WER的固化體系。

2 結(jié)果與討論

2.1 WER對(duì)SBR活性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物基本性能的影響

為分析WER對(duì)SBR活性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物基本性能的影響，分別以SBR活性乳化瀝青質(zhì)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(fā)殘留物，進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)樣品均進(jìn)行三組平行試驗(yàn)，蒸發(fā)殘留物基本性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

觀察圖3(a)可知，瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度隨著WER摻量的增加而不斷降低，當(dāng)WER摻量升至5%時(shí)，針入度顯著下降，之后隨著WER摻量的增加，蒸發(fā)殘留物的針入度降低幅度相對(duì)減小。由圖3(b)可知，蒸發(fā)殘留物的軟化點(diǎn)隨著WER摻量的增加逐漸升高，當(dāng)WER摻量達(dá)到10%時(shí)，軟化點(diǎn)達(dá)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(fā)殘留物的高溫穩(wěn)定性，這是因?yàn)閃ER和固化劑通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)分散在瀝青內(nèi)部形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀體系，其固化物是熱固性材料，具有較好的熱穩(wěn)定性，因此可以提高瀝青材料的軟化點(diǎn)和稠度。由圖3(c)可知，當(dāng)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(dāng)摻量達(dá)到20%時(shí)，延度急劇下降到25.4 cm。這說(shuō)明WER摻量達(dá)到一定比例之后，會(huì)降低SBR活性乳化瀝青的延展性。當(dāng)WER摻量低于8%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂的固化物無(wú)法在瀝青內(nèi)部形成連續(xù)分布式的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著WER摻量進(jìn)一步增加，固化物的分布體系在瀝青內(nèi)部逐漸成型，固化物逐漸將瀝青包裹起來(lái)，由于二者模量相差較大，導(dǎo)致SBR活性乳化瀝青的延展性劇烈下降，并呈現(xiàn)出脆性。在提高SBR活性乳化瀝青高溫穩(wěn)定性的同時(shí)，為了保留其良好的低溫延展性，WER摻量應(yīng)控制在10%～15%。

圖3 蒸發(fā)殘留物基本性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 WER對(duì)SBR活性乳化瀝青黏附性的影響

對(duì)瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(jīng)脫落。所以，將WER-SBR活性乳化瀝青作為環(huán)保型預(yù)防性養(yǎng)護(hù)封層的膠結(jié)料時(shí)，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(dòng)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(yàn)規(guī)程》[16]中水煮法進(jìn)行試驗(yàn)，采用黏附性指數(shù)(即裹覆瀝青的質(zhì)量殘存率)來(lái)評(píng)價(jià)乳化瀝青的黏附性。黏附性指數(shù)通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

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

為保證試驗(yàn)有更好的可觀察性，將規(guī)范中的水煮法改為動(dòng)水浸煮法進(jìn)行試驗(yàn)，將水煮沸的同時(shí)用電動(dòng)攪拌器在水面邊緣制造水波，試驗(yàn)裝置如圖4所示。試驗(yàn)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(dòng)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(méi)有摻WER的乳化瀝青在沸水浸煮過(guò)程中瀝青明顯從集料表面脫落，尤其在集料的棱角處，經(jīng)過(guò)浸煮之后基本沒(méi)有瀝青覆蓋，集料表面的瀝青膜呈現(xiàn)細(xì)小蜂窩狀，黏附性指數(shù)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(jiàn)表面光滑，色澤濃厚，黏附性指數(shù)也達(dá)到78.27%和81.23%。這說(shuō)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(cè)面體現(xiàn)出WER對(duì)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(duì)SBR活性乳化瀝青高溫流變性能的影響

為評(píng)價(jià)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(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)WER-SBR活性乳化瀝青進(jìn)行溫度掃描，試驗(yàn)頻率為10 rad/s，試驗(yàn)溫度區(qū)間為52～82 ℃，以6 ℃為間隔采集數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)方法參照AASHTO-TP5的規(guī)定進(jìn)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(fā)殘留物，研究復(fù)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(lái)評(píng)價(jià)其高溫抗變形能力，動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)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(fù)合剪切模量不斷提高，當(dāng)摻量高于10%后，WER對(duì)SBR活性乳化瀝青復(fù)合剪切模量的影響進(jìn)一步增大。一般來(lái)說(shuō)，瀝青的復(fù)合剪切模量與高溫抗變形能力正相關(guān)，說(shuō)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(fù)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(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)榛钚越M分中含有的增塑劑和滲透劑對(duì)瀝青內(nèi)部溫度應(yīng)力的響應(yīng)有滯后效應(yīng)。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(dāng)WER摻量大于10%后，增長(zhǎng)幅度陡然上升，說(shuō)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(jié)果表明，WER在SBR活性乳化瀝青內(nèi)部形成的高度交聯(lián)式三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以有效提升SBR活性乳化瀝青的高溫性能，這與蒸發(fā)殘留物的針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.4 WER對(duì)SBR活性乳化瀝青低溫蠕變性能的影響

采用低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)(BBR)分析瀝青膠結(jié)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(shí)刻小梁跨中撓度，mm。蠕變速率(M)表示勁度模量(S)隨時(shí)間的變化率，是勁度模量-時(shí)間雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上的斜率。試驗(yàn)采用加載60 s時(shí)的S和M作為瀝青低溫蠕變性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。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?yàn)槌嗜S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散在瀝青材料中的環(huán)氧樹(shù)脂固化物是熱固性物質(zhì)，可以增強(qiáng)瀝青材料的強(qiáng)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?yàn)闇囟鹊南陆凳沟脼r青逐漸由黏彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w，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(guò)高的勁度模量反而會(huì)使瀝青緩解內(nèi)部溫度應(yīng)力的能力下降，降低材料的低溫蠕變性能，導(dǎo)致低溫抗開(kāi)裂能力變差。對(duì)此，美國(guó)SHRP計(jì)劃提出了PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定瀝青材料的勁度模量應(yīng)該在結(jié)合當(dāng)?shù)啬昶骄畹蜏囟鹊臈l件下滿足S≤300，本文根據(jù)我國(guó)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(yīng)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(dāng)摻量超過(guò)15%后影響進(jìn)一步增大，此時(shí)-12 ℃的蠕變速率降幅近14.11%。這是因?yàn)閃ER是熱固性材料，固化形成的三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)均勻分散在瀝青材料內(nèi)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(dǎo)致材料整體的應(yīng)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(huì)降低，這是因?yàn)椴牧显诘蜏貤l件下逐漸變硬，流動(dòng)性降低，通過(guò)自身蠕變吸收內(nèi)部溫縮應(yīng)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(shí)，不同WER摻量的瀝青蠕變速率已經(jīng)非常接近，說(shuō)明隨著溫度的降低會(huì)減弱WER摻量對(duì)SBR活性乳化瀝青低溫蠕變性能的影響。根據(jù)前文DSR試驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合美國(guó)SHRP的PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，WER的摻量應(yīng)控制在10%～15%。

2.5 WER對(duì)SBR活性乳化瀝青還原性的影響

為研究WER的摻入對(duì)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(shè)置對(duì)照組。隨后對(duì)老化瀝青的基本性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)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(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，SBR活性乳化瀝青對(duì)老化瀝青的基本性能具有較好的恢復(fù)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(fù)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(diǎn)從55.8 ℃降至53.9 ℃，而WER-SBR活性乳化瀝青則將軟化點(diǎn)提升為57.2 ℃，這是因?yàn)?～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(huì)受到噴灑瀝青的影響，SBR活性乳化瀝青的軟化點(diǎn)低于老化瀝青，所以混合后的軟化點(diǎn)降低，而WER-SBR活性乳化瀝青的軟化點(diǎn)高于老化瀝青，所以混合后的軟化點(diǎn)升高。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：兩種活性乳化瀝青在0～0.5 cm處都可以有效地恢復(fù)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(xiàn)在延度方面對(duì)老化瀝青的還原效果不如0～0.5 cm深度處。另外，對(duì)比摻加WER前后的試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種瀝青對(duì)老化瀝青的還原能力基本一致，說(shuō)明WER的摻入并不會(huì)影響SBR活性乳化瀝青的還原性。這主要是因?yàn)榛钚詣┍蝗榛笈cWER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(wěn)定狀態(tài)互不影響，活性劑有足夠的時(shí)間向下滲透并發(fā)揮還原作用。

圖9 老化瀝青還原后的基本性能

3 結(jié) 論

(1)WER可以改善SBR活性乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性，增強(qiáng)其黏附性，但是會(huì)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(huì)降低SBR活性乳化瀝青的低溫蠕變性能，當(dāng)摻量超過(guò)15%時(shí)，影響尤為明顯。

(4)WER對(duì)SBR活性乳化瀝青的還原性基本沒(méi)有影響。

(5)WER在SBR活性乳化瀝青中的摻量應(yīng)控制在10%～15%。