高性能SBR改性乳化瀝青關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 長(zhǎng)大下坡推移病害普遍發(fā)生，各類封層措施用于（預(yù)）養(yǎng)護(hù)工程中耐久性不足，為解決以上問題，亟須尋求一種高性能黏層。SBR因其液體形態(tài)用于改性乳化瀝青具有優(yōu)勢(shì)，文章通過分析SBR乳化改性機(jī)理，比較其內(nèi)外摻兌性能的影響，提出了軟化點(diǎn)和黏度應(yīng)作為黏層用乳化瀝青主要指標(biāo)，制備過程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度和pH值，最后提出推薦生產(chǎn)用SBR改性乳化瀝青指標(biāo)及配比，對(duì)SBR改性乳化瀝青的應(yīng)用提供了極大的參考作用。

關(guān)鍵詞 高性能SBR；改性乳化瀝青；內(nèi)摻技術(shù)

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0063-03

0 引言

公路路面所用瀝青是指從原油真空蒸餾得到的重質(zhì)原油，由于瀝青的復(fù)雜性，其性質(zhì)與原油的來源密切相關(guān)。在國(guó)內(nèi)，受原油來源和組成的限制，大多數(shù)瀝青性能主要有如下表現(xiàn)：低溫柔韌性不足，以致路面開裂；高溫剛性不足，導(dǎo)致車轍。乳化瀝青中也存在同樣的缺點(diǎn)，而聚合物改性乳化瀝青可提高瀝青的溫度性能，使得路面能夠在不同的氣候環(huán)境中適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的交通負(fù)荷。

改性乳化瀝青作為一種較好的公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)材料，自開發(fā)以來便受到了廣泛關(guān)注，特別是用于稀漿封層和微表處中，用以修復(fù)較小的病害、車轍，改善路面結(jié)構(gòu)，提高行車平順，最終達(dá)到延長(zhǎng)路面使用壽命的目的。近年來隨著公路建設(shè)向山嶺、丘陵地區(qū)深入，受地形、地勢(shì)條件限制，對(duì)長(zhǎng)大下坡的設(shè)計(jì)提出了考驗(yàn)，因長(zhǎng)、大下坡路段，車輛頻繁制動(dòng)，引起路面產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，出現(xiàn)剪切推移病害，對(duì)黏層提出了更高的要求，此外，公路及城市道路（預(yù)）養(yǎng)護(hù)工作的重要性日益凸顯，各種封層用黏層對(duì)其耐久性起到至關(guān)重要的作用，亟須尋求一種高性能改性乳化瀝青。已有諸多研究人員對(duì)當(dāng)前常用SBS、SBR改性乳化瀝青進(jìn)行了分析研究，主要異同點(diǎn)[1]如表1所示。SBR、SBS和EVA等多種聚合物可用于聚合物改性乳化瀝青的制備，SBS和EVA改性瀝青較難乳化，SBR因其液體形態(tài)而具有其優(yōu)勢(shì)。因此，以下對(duì)SBR改性乳化瀝青制備及性能進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為其應(yīng)用于實(shí)踐起到一定的參考作用。

1 乳化改性機(jī)理

SBR改性乳化瀝青并不是單純的聚合物改性瀝青乳液，而是含有分散乳膠粒子的乳液，SBR聚合物在瀝青顆粒周圍形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，也有部分黏附在集料表面。乳膠聚合物保持在液相中，并在固化過程中轉(zhuǎn)化為連續(xù)的聚合物膜，由于水泥顆粒也存在于液相中，柔性聚合物－水泥復(fù)合物（若添加少量水泥）便形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

當(dāng)水開始從乳液中蒸發(fā)時(shí)，瀝青顆粒之間形成含有橡膠和水泥顆粒的彎液面，蒸發(fā)使得液相中電解質(zhì)濃度上升，橡膠顆粒在此過程中不太穩(wěn)定，而吸附在集料顆粒的表面，活性分子的含量降低，橡膠顆粒自發(fā)地轉(zhuǎn)變成連續(xù)的微觀聚合物膜包裹在瀝青粒子周圍。

SBR改性瀝青膠乳可不通過凝結(jié)而形成聚合物膜，促進(jìn)早期強(qiáng)度發(fā)展，大部分橡膠顆粒會(huì)隨著水分遷移，而存在于彎液面中，起到黏結(jié)瀝青顆粒的作用。

2 制備及性能驗(yàn)證

2.1 制備

2.1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青，茂名石化生產(chǎn)的70#A級(jí)基質(zhì)瀝青中海36-1。

（2）乳化劑，英杰維克快裂乳化劑（AA-63D）。

（3）改性劑，英杰維克高濃度SBR改性劑1469，內(nèi)摻法添加，弓銳等[2]研究指出內(nèi)摻法添加4%SBR乳膠生產(chǎn)得到的改性乳化瀝青性能相對(duì)最優(yōu)。

2.1.2 制備工藝

（1）分散設(shè)備。

圣工牌乳化瀝青生產(chǎn)設(shè)備（GYRY06Ⅱ）——三級(jí)錐面膠體磨，如圖1所示。

（2）生產(chǎn)工藝。

內(nèi)、外摻法生產(chǎn)工藝流程如圖2、圖3所示。

兩者根本區(qū)別主要在于內(nèi)摻法膠乳參與了瀝青的乳化過程，改性劑經(jīng)過膠體磨在溫度較高時(shí)與瀝青微粒充分混合。弓銳等通過對(duì)比試驗(yàn)得出，內(nèi)摻法得到的改性乳化瀝青黏度較外摻法要大，且穩(wěn)定性更好，而外摻法得到的蒸發(fā)殘留物的軟化點(diǎn)要高于內(nèi)摻法。以下考慮將兩種方法結(jié)合使用（如表2配方8、9），并將其與僅內(nèi)摻法得到的改性乳化瀝青性能作對(duì)比。

2.2 性能驗(yàn)證

2.2.1 性能指標(biāo)

（1）軟化點(diǎn)。

黏層用改性乳化瀝青最重要的作用是層間黏結(jié)，因受路表溫度向下傳遞的影響，若黏層改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點(diǎn)較低，黏層瀝青易軟化，層間黏結(jié)強(qiáng)度降低，在行車荷載的作用下，上層混合料發(fā)生變形、滑移甚至開裂[3]，因此認(rèn)為黏層用高性能乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點(diǎn)適當(dāng)提高，不小于70℃。

（2）黏度。

因黏層與超薄磨耗層等封層的攤鋪需異步進(jìn)行，要求改性乳化瀝青的破乳速度快，黏度適宜于機(jī)械噴灑且能高度霧化，同時(shí)噴灑后不出現(xiàn)流淌，因此生產(chǎn)中，要求外加改性劑過膠體磨，同時(shí)加入適量的穩(wěn)定添加劑[4-5]。

（3）溫度與pH值。

瀝青乳化效果需適宜溫度為前提，如果溫度較低，則流動(dòng)性不高；溫度過高，不僅增加成本，還導(dǎo)致水氣化，引起固含量變化，并且產(chǎn)生氣化背壓，導(dǎo)致穩(wěn)定性和品質(zhì)下降。一般基質(zhì)瀝青溫度控制在130～140℃，乳液溫度60～65℃。乳化劑存儲(chǔ)穩(wěn)定性與乳液的pH值關(guān)系密切，該研究中乳化劑的最佳pH值為2～3。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

SBR改性劑添加量以0.2%為梯度，取3.8%、4.0%和4.2%，瀝青550 g，水446 g，乳化劑4 g（乳化瀝青4‰）用于調(diào)pH值鹽酸11 g左右，試樣1～7均采用內(nèi)摻過磨，試樣8、9先內(nèi)摻后外摻，各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示：

上表中配方8、9相當(dāng)于先同等內(nèi)摻配制乳化瀝青，再外摻剩余SBR改性劑，發(fā)現(xiàn)軟化點(diǎn)明顯提高。從表中數(shù)據(jù)可以看出，單內(nèi)摻SBR時(shí)，最優(yōu)摻量為4%，可使得到的改性乳化瀝青軟化點(diǎn)滿足大于70℃；摻量低于或高于4%，其軟化點(diǎn)均小于摻量為4%的試樣，添加適量多聚磷酸作添加劑可提高軟化點(diǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 生產(chǎn)指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)前述分析及試驗(yàn)室驗(yàn)證，推薦生產(chǎn)用SBR改性乳化瀝青指標(biāo)如表3所示，技術(shù)指標(biāo)如表4所示。從表4可看出，表3提出的生產(chǎn)用SBR改性乳化瀝青性能指標(biāo)要優(yōu)于當(dāng)前規(guī)范要求，性能較好[6]。

3.2 技術(shù)優(yōu)化

稀漿封層類封層主要包括噴灑一層乳化瀝青覆蓋原有路面，而后集料顆粒嵌擠形成封層，乳化瀝青通過水的蒸發(fā)而固化，提供了集料附著于路面的強(qiáng)度，同時(shí)集料顆粒的位置得到固定。稀漿封層的固化時(shí)間取決于多種因素，如乳化瀝青和集料類型、集料含水率、乳液和集料用量以及環(huán)境條件（溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度以及太陽(yáng)輻射）[7]。目前還沒有可操作的技術(shù)用以確定黏層的強(qiáng)度以保證新封層已足以承擔(dān)交通荷載，或者可通過清掃將多余的集料清除，以上通常是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)確定。

Montoya等[8]探討了利用電阻測(cè)量方法來對(duì)稀漿封層最佳固化時(shí)間進(jìn)行定量確定，首先利用全頻、兩點(diǎn)、單軸電阻抗圖譜對(duì)乳化瀝青以及不同乳化瀝青－集料結(jié)合體進(jìn)行了電性表征。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：乳化瀝青電阻變化與體系中的固化量有關(guān)，此外還使用各種材料進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試和全面的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。使用兩點(diǎn)探針的手持電子設(shè)備對(duì)新封層的電性進(jìn)行了定量測(cè)量，結(jié)果表明：當(dāng)初始電阻測(cè)量值增加至10倍時(shí)，稀漿封層獲得顯著強(qiáng)度，稀漿封層的固化時(shí)間為3.5～4.0 h不等。

4 總結(jié)與展望

為解決因黏層性能不足引起的諸多病害及耐久性問題，該文提出了推薦生產(chǎn)用高性能SBR改性乳化瀝青指標(biāo)及配比，主要結(jié)論如下：

（1）從反應(yīng)原理上對(duì)SBR乳化改性機(jī)理進(jìn)行了分析，比較了內(nèi)、外摻法的工藝流程，指出SBR改性乳化瀝青相當(dāng)于是先乳化后改性，膠乳參與了瀝青的乳化過程。

（2）黏層用乳化瀝青主要指標(biāo)應(yīng)是軟化點(diǎn)和黏度，制備過程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度和pH值。

（3）提出了推薦生產(chǎn)用SBR改性乳化瀝青指標(biāo)及配比，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)明顯高于規(guī)范值，表明該文制備得到的SBR改性乳化瀝青性能較好。

（4）因設(shè)備要求及成本限制，當(dāng)前SBR改性乳化瀝青應(yīng)用相較普遍，但從長(zhǎng)期效益來看，SBS改性乳化瀝青有其優(yōu)越性，因而就SBR及SBS改性乳化瀝青仍應(yīng)開展更進(jìn)一步的研究工作以促進(jìn)乳化瀝青的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[8]Montoya M A ， Weiss W J ， Haddock J E .Quantifying Asphalt Emulsion-Based Chip Seal Curing Times Using Electrical Resistance Measurements[R]. West Lafayette： Purdue University， 2017.

收稿日期：2024-04-02

作者簡(jiǎn)介：盧化秀（1977—），女，本科，工程師，從事于公路橋梁建設(shè)管理。