基于宏观性能与微观性状确定SBR胶乳在SBR改性乳化沥青中的最佳添加量

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(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055； 2.北京首钢国际工程技术有限公司总图规划事业部， 北京 100043; 3.包头市公路局，内蒙古 包头 014040)

1 前 言

改性乳化沥青既保留了乳化沥青的优点，又具有改性剂的特性，性能得到良好改善。SBR改性乳化沥青因制作简便，生产成本较低且性能优良，广泛应用于沥青路面修建养护中。因此，确定SBR改性剂的合理添加量对生产性能优良的SBR改性乳化沥青至关重要。

近年来，国内外针对SBR改性乳化沥青的相关研究[1-8]主要集中于其生产制备工艺及对乳化剂、稳定剂等添加剂的性能要求上，而对SBR改性乳化沥青中胶乳的合理添加量主要根据蒸发残留物三大指标等来确定，未有系统分析和研究。李自华[9]的研究表明SBR改性乳化沥青比未改性的乳化沥青具有更强的粘结性、抗变形性和抗剪能力。蔺习雄[10]对乳化剂类型及用量、pH值，储存温度对SBR改性乳化沥青稳定性的研究表明，只有同时兼顾这几个因素时乳液的稳定性才能满足规范要求。娄可可[11]通过荧光纤维系统参数化表征SBS改性沥青的相态结构，其结果表明最大面积较其他参数更适合表征SBS改性沥青的相态结构。周灿峰[12]对SBR改性乳化沥青的生产工艺进行了研究，认为采用先改性后乳化的生产方法，SBR更易吸附沥青中的油分，形成连续相。王朝晖[13]通过实验、工厂化生产等环节考察了SBR胶乳、乳化剂及乳化沥青相关助剂对改性乳化沥青乳化效果以及改性乳化沥青路用性能的影响，发现：SBR胶乳和相关助剂等分别对改性乳化沥青具有一定的综合效用，其中乳化剂的选型及添加量对乳化沥青指标的影响较明显。冯雷雷[14]通过实验确定乳化溶液pH值为5～6、油温为120℃、水温为60℃的条件下，按SBR胶乳含量为3%、氯化铵为0.2%的组分配比，制备的改性乳化沥青达到公路沥青路面施工技术规范的质量要求，但对SBR胶乳最佳添加量的确定缺乏系统的实验评价方法。

本文针对现有研究的缺陷，拟通过对SBR改性乳化沥青粘度、储存稳定性、粘附性实验和微观性状分析，结合蒸发残留物三大指标确定SBR最佳用量，以制备出具有较好温度和组成稳定性、较好粘结力和抗水害能力的SBR改性乳化沥青。

2 原材料的选择和实验设备

2.1 材料

①基质沥青选用滨化牌70#重交道路沥青，其性质见表1。②改性剂选用SBR胶乳，其性质见表2。③乳化剂选用慢裂型阳离子乳化剂，美德维实伟克生产的MQK-1M。④选用聚乙烯醇和无水氯化铵作为稳定剂。⑤采用外观无色透明、洁净、无杂质，pH值为6～8.5，硬度≯8度的蒸馏水作为溶剂。⑥选用盐酸作为乳液pH值调节剂。

表1 基质沥青的性质

表2 SBR胶乳的性质Table 2 Properties of SBR latex

2.2 实验设备

实验设备和仪器有：FM300型实验室高剪切分散乳化机、针入度仪、沥青延度试验仪、沥青软化点试验仪、扫描电镜、差示扫描量热仪(DSC)、电子天平、恒温循环水浴箱等。

3 SBR改性乳化沥青性能评价

3.1 粘度和5d储存稳定性

为评价SBR胶乳用量对改性乳化沥青性质的影响，选用2.0、2.5、3.0、3.5及4.0%五种不同胶乳量对改性乳化沥青进行改性和性能分析。

恩格拉粘度是在规定温度下，由恩格拉粘度计的流孔，流出50mL沥青试样所需时间与流出同体积水所需时间的比值，反映乳化沥青黏度的大小。储存稳定性是指在一定尺寸的玻璃管中，装入改性乳化沥青，静置5d后，玻璃管上部和下部乳液固含量的差值。测试结果见图1和图2。

图1 粘度与胶乳添加量的关系曲线图Fig.1 Relationship between viscosity and latex content

图2 5d储存稳定性与胶乳添加量的关系曲线图Fig.2 Relationship between 5d stability and latex content

由图1可知，随着SBR胶乳量的增加，粘度逐渐变大，因此，增加SBR胶乳用量可提高乳化沥青粘度，提高其粘结性。图2中SBR胶乳含量在2～4%之间，SBR改性乳化沥青存储5d后，上下部乳液固含量差值随胶乳含量的增加而变大，其稳定性也逐渐变差。因此，SBR胶乳含量过小会导致乳化沥青粘度不足，胶乳含量过大则乳化沥青稳定性变差。

3.2 蒸发残留物三大指标

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的方法测试SBR改性乳化沥青蒸发残留物的针入度、延度和软化点，以此三大指标分析评价SBR胶乳对改性乳化沥青性能的影响。将不同胶乳添加量SBR改性乳化沥青蒸发残留物三大指标进行对比，结果如图3～图5所示。

图3 软化点与胶乳添加量的关系曲线图Fig.3 Relationship between softening point and latex content

图4 针入度与胶乳添加量的关系曲线图Fig.4 Relationship between penetration and latex content

图5 5℃延度与胶乳添加量的关系曲线图Fig.5 Relationship between ductility and latex content

图3中随SBR胶乳添加量的增加，软化点呈上升趋势，这说明乳化沥青的高温稳定性提高；当SBR胶乳添加量在2～3%时，曲线切线斜率逐渐变大，软化点上升速率较快；在3～4%之间曲线切线斜率逐渐变小，软化点在此区间内上升速率变小，转折点在3～3.5%之间。SBR改性乳化沥青蒸发残留物针入度随SBR胶乳添加量的提高而下降，表明乳化沥青的高温稳定性得到提高。其中针入度在胶乳含量2～3%之间时快速下降，胶乳含量3～4%之间时下降趋势变缓。由图5可看出，胶乳含量≥2%时，SBR改性乳化沥青5℃的延度均为最大值200cm。通过以上试验指标分析，初步认为SBR胶乳添加量控制在3～4%之间较合适。

3.3 粘附性

公路工程沥青及沥青混合料试验规程中粘附性实验采用水煮法，以裹附面积为评判标准，对沥青与粗集料的粘附情况进行定性评价。借鉴王伟明、吴昕怀[11]的粘附实验方法，本文采用如下实验步骤对乳化沥青粘附性进行评价。

(1)将13.2～19mm形状接近立方体的集料烘干，冷却至室温后，称取200g，用细线将集料颗粒逐个系好放入干燥器中备用。

(2)取两个容量为2000mL的大烧杯，分别倒入1000mL的蒸馏水和1000mL经1.18mm滤筛过滤的SBR改性乳化沥青试样。

(3)先将集料颗粒放入盛蒸馏水中的烧杯中，浸水45s。然后立即提出集料放入到盛有SBR乳化沥青的烧杯中，浸入乳化沥青中45s。

(4)将裹覆沥青的集料颗粒悬挂于实验架上，下方垫纸一张，使多余的沥青流掉，并在室温下冷却15min。

(5)待集料颗粒完全冷却后，逐个浸入盛有煮沸水的大烧杯中央，调整加热炉，使烧杯中的水保持沸腾状态，但不能有沸开的泡沫。

(6)浸煮3min后，将集料从水中取出，冷却24h后称取剪掉细线后集料的质量M。

以集料单位面积上粘附的沥青量和沥青膜厚度来评价乳化沥青的粘附性，单位面积集料上粘附的沥青量按式(1)计算，沥青膜厚度按式(2)计算。

(1)

(2)

式中：P为集料单位面积粘附的SBR改性乳化沥青质量；S为集料的比表面积，单位为 m2/g，按现行施工技术规范规定计算得出，集料比表面积为0.39m2/kg；ρ为乳化沥青蒸发残留物的相对密度。按此方法分别对不同SBR胶乳添加量的SBR改性乳化沥青进行粘附性实验，实验结果见图6和图7。

图6 胶乳含量与集料单位面积粘附沥青质量的关系Fig.6 Relationship between absorbed asphalt on unit area of aggregate and latex content

图7 胶乳含量与沥青膜厚度的关系Fig.7 Relationship between asphalt film thickness and latex content

由图6和图7可看出，随着SBR胶乳添加量的增加，集料表面单位面积粘附的沥青质量和厚度不断增加，这说明增加SBR胶乳用量可提高乳化沥青的粘附性。在图6中，SBR胶乳添加量在2～3%时曲线快速上升，在3～4%时上升速度减缓。由图7中可以看出SBR胶乳添加量在2.5～3.5%时，沥青膜厚度增加趋势较为明显，在3.5～4%时，增加趋势减缓。集料表面单位面积上吸附的乳化沥青多、沥青膜厚度大，表明其粘附性及抗剥落性越好。

综合评价不同SBR胶乳添加量SBR改性乳化沥青的粘度、5d储存稳定性、粘附性以及蒸发残留物三大指标，认为SBR胶乳添加量宜在3～3.5%之间。

3.4 微观分析

3.4.1微观结构扫描电镜分析 制备不同SBR胶乳含量的改性乳化沥青，各取少量滴于5块载玻片上，并将五种试样依次编号以便区分，然后将乳化沥青密封、晾干，防止试样表面落入灰尘，最后将制备好的试样进行抽真空和镀金处理，在5000倍的放大倍数下进行扫描电镜观察，如图8所示。

胶乳含量为2%时样品中存在稀疏的胶乳小颗粒，胶乳含量为2.5%的试样中颗粒变多。胶乳含量为3%的样品中胶乳颗粒密度明显增大，颗粒很小。胶乳含量为3.5%的试样与3%的试样相比，胶乳颗粒变少，尺寸稍变大。胶乳含量为4%的试样胶乳颗粒大且稀疏。综上分析可知，胶乳含量在2～3%时，随着胶乳含量的增加，胶乳颗粒的数量不断增加，且颗粒较小。胶乳含量在3～4%时，胶乳颗粒数量减小，半径变大。这说明当SBR胶乳含量为3%时，胶乳以小而密的形式存在于乳化沥青中，与乳化沥青接触面积最大，即溶解度最大。当含量超过3%时，胶乳开始聚集，不能很好地分散在乳化沥青之中。实验结果表明SBR胶乳含量在3～3.5%时分布最佳。

3.4.2DSC分析 沥青在温度变化过程中的热效应可以用差示扫描量热试验来测定。DSC谱图吸收峰的位置和吸热量可表征沥青中组分发生聚集态的微观变化，可以此评价沥青的热稳定性。一般地，吸热峰越高，说明沥青在该温度区间发生变化的组分数量越多；吸热峰越宽，表明发生变化的组分种类越多，沥青越不稳定，反映在宏观上是物理性质变化较大，如储存稳定性差、温度稳定性差异大等。五种试样DSC分析曲线如图9所示。

表3是根据DSC分析曲线整理的数据，反映不同胶乳含量时，改性乳化沥青达到吸热峰所需温度和达到峰值所吸收的热量。

图8 不同胶乳含量改性乳化沥青的扫描电镜照片 (a) 2%; (b) 2.5%; (c) 3%; (d) 3.5%; (e) 4%
Fig.8 SEM image of different content of latex modified asphalt emulsion

图9 不同胶乳含量改性乳化沥青的DSC分析结果 (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 不同胶乳含量试样达到吸热峰所需温度和达到峰值时所吸收的热量对比

分析DSC曲线发现，5种不同含量胶乳的乳化沥青中，3.5%的试样在82.07℃时出现吸热峰值，较其他试样出现吸热峰的温度低，并且吸热曲线峰值也最低，这说明其发生变化的组分数量较少，即这一胶乳含量的SBR改性乳化沥青较为稳定。同时3%的试样在出现峰值处的宽度最窄，表明3%的SBR改性乳化沥青较为稳定。相同实验条件下，吸热量越大，表明物质内能越大，物质越不稳定，以此原理对实验数据和图像进行分析，可认定SBR在3～3.5%之间吸热量较小，乳化沥青较为稳定。

综合考虑宏观和微观分析结果，参考施工技术规范对拌和型SBR改性乳化沥青的技术要求，同时考虑经济因素，最终认为SBR胶乳用量在3～3.5%之间为最佳。

4 结 论

1.粘度试验和5d储存稳定性试验表明，SBR胶乳添加量过大或过小均会影响SBR改性乳化沥青的粘度和稳定性。结合不同胶乳含量SBR改性乳化沥青蒸发残留物三大指标，初步认为SBR胶乳含量在3～4%较为合适，最终结合粘附性试验指标及微观试验结果确定SBR胶乳含量在3～3.5%时为最佳。

2.SBR改性后的乳化沥青延度得到显著提高，粘度也得到相应提高，这说明SBR对乳化沥青的低温性能及粘结性和粘附性都有良好改善效果。

3.扫描电镜观察显示SBR胶乳含量为3.5%时，胶乳以密而小的液滴较均匀地存在于乳化沥青中，说明乳化沥青对于SBR胶乳的最佳溶解度在3.5%左右。

4.DSC差示扫描量热分析表明胶乳含量较大或较小时，SBR改性乳化沥青达到吸热峰所需温度值和达到峰值所吸收的热量均较大，说明SBR胶乳掺量存在一个最佳区间，这一区间为3～3.5%，此区间胶乳含量下的SBR改性乳化沥青组分较为稳定，性能也易保持稳定。

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