高聚物改性乳化沥青制备及路用性能研究

李俊禧 尹应梅 张荣辉 孙晓龙

（广东工业大学土木与交通学院）

0 前言

我国华南地区夏季高温多雨，雨水沿着混合料孔隙渗透入内，在水、温度和车辆荷载的共同作用下，混合料中的孔隙水产生反复作用的动水压力，使沥青膜逐渐从集料表面剥离，降低沥青与集料之间的黏结性能，加快沥青路面的损坏[1]，为了延长沥青路面的使用寿命与提高其抗水损坏性能，普通乳化沥青在改性之前难以满足沥青路面的使用要求，因此高性能改性乳化沥青的生产制备成为未来沥青路面研究发展的趋势。目前，改性乳化沥青常见的改性剂有SBS、SBR 改性剂等，SBS 与SBR改性技术与性能研究已发展较为成熟[2-4]，但单一改性剂难以兼顾改性乳化沥青的高温稳定性、低温抗裂性、黏结特性、变形协调特性等性能的问题, 难以满足道路工程中高标准、多样化的建设需求，因此采用多种改性剂进行复合改性成为高性能乳化沥青制备的突破口。聚氨酯作为一种新型沥青改性剂受到广泛关注，它是一种嵌段氨基甲酸酯聚合物，通常由长链多元醇（如聚酯和聚醚）与异氰酸酯、扩链剂反应制得[5-6]，聚氨酯改性剂的加入可以提高普通沥青的基本性能，延长沥青路面使用寿命[7-8]，在国内外相关研究中，Carrera[9]研究了制备聚氨酯改性乳化沥青的可行性，并指出改性剂掺量是影响其储存稳定性和流变性能的关键因素。Sun[10]通过傅里叶变换红外光谱试验发现制备的聚氨酯改性沥青的出现新官能团，说明制备聚氨酯改性沥青过程中存在化学改性。韩继成[11]采用聚氨酯预聚体与扩链剂反应制备改性沥青，然后将改性沥青乳化制备改性乳化沥青，并探讨了乳化剂对聚氨酯改性沥青性能的影响。张丰雷[12]使用水性聚氨酯胶乳制备了一种水性聚氨酯改性乳化沥青，进行了改性乳化沥青的储存稳定性与常规性能试验研究，仝鑫鑫[13]采用先乳化后改性的方法制备SBR 水性聚氨酯复合改性乳化沥青，其研究表明SBR 对低温性能改善明显，水性聚氨酯可显著提升高温性能。以上研究成果都针对聚氨酯改性乳化沥青开展了部分研究，其中先改性后乳化破坏了原改性沥青的结构，同时缺少乳化沥青改性后微表处混合料性能研究。

因此，本文利用水性聚氨酯及SH 溶液两种材料与乳化沥青易于共混相容的特性制备改性乳化沥青，并研究不同改性剂掺量对乳化沥青蒸发残留物基本指标的影响，分析不同改性剂掺量下乳化沥青与集料粘附性能的变化，拟得出水性聚氨酯及SH 溶液的建议掺量，最后采用湿轮磨耗试验和车辙变形试验评价改性剂对微表处混合料路用性能的影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 改性剂

为了制备高性能的改性乳化沥青，试验采用上海思沃化学有限公司生产的阳离子水性聚氨酯乳液和兰州大学自主研发的SH 溶液作为乳化沥青的改性剂。所选水性聚氨酯外观为半透明乳白色液体，具备良好的低温成膜特性，只需将乳液中的水分排出即可固化成膜，无需添加固化剂或成膜助剂，同时干燥时间短，固化后与其他物质粘结良好。所选SH 溶液是一种新型高分子材料，常用于固砂固土研究[14-15]，分子量约为20000，易溶于水，外观为无色透明液体，密度为1.09 g/cm3，常温下可固化，固化后再浸入水中将不与水发生反应。

1.1.2 改性乳化沥青

本试验选用Novabond 乳化沥青、SBS 改性乳化沥青、SBR 改性乳化沥青三种改性乳化沥青，改性乳化沥青技术性能指标见表1。

1.2 试验设备

本文采用试验设备包括WSY-026C 针入度试验仪，WSY-025F 软化点试验仪，LYY-10A 沥青延度试验仪，高速剪切机，PTT-FA200 万分之一精度电子天平，SYD-0752 湿轮磨耗仪，SYD-0755 负荷轮碾压试验仪。

1.3 试验设计

1.3.1 改性乳化沥青制备

本文将预先称量的水性聚氨酯及SH 溶液分别与乳化沥青预混，使用玻璃杯搅拌30s，然后采用高速剪切机对预混好的乳化沥青在室温下以500r/min 低速搅拌5min，使改性剂与乳化沥青充分混合，最后使用玻璃杯慢速搅拌1min 消除气泡后得到所制备改性乳化沥青。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，将制备好的不同改性乳化沥青进行三大指标试验，并进行乳化沥青和集料的黏附性试验，最后通过MS-3 型微表处混合料湿轮磨耗试验和车辙变形试验评价改性乳化沥青的路用性能。

1.3.2 乳化沥青与集料黏附性试验

乳化沥青和集料的黏附性试验选用孔径为13.2～16mm 的集料颗粒进行。试验首先经过集料筛分后，挑选部分较饱满的集料颗粒，用清水冲洗干净，放入烘箱中烘干。将集料颗粒准备完成后，用细线将集料颗粒系好，使用电子天平称量集料颗粒的质量M1。按质量比例添加水性聚氨酯或SH 溶液制备改性乳化沥青，接着将集料颗粒浸入清水中1min，随后立即放入改性乳化沥青中浸泡1min，并在室温中悬挂24h，等待集料表面改性乳化沥青破乳凝固，称量乳化沥青包裹的集料颗粒的质量M2。使用电磁炉将水煮沸至100℃，将集料颗粒浸入沸水中浸煮3min，再在室温中悬挂24h，使集料颗粒表面的水分完全蒸发，称量水煮后的集料颗粒的质量M3。剥落率的计算式如式⑴所示：

式中：λ 为集料颗粒的剥落率，%；M1为未裹有乳化沥青的集料颗粒质量，g；M2为已裹有乳化沥青的集料颗粒质量，g；M3为试验后集料颗粒的质量，g。

1.3.3 微表处混合料路用性能试验设计

混合料级配采用MS-3 型级配中值设计，首先在集料中加入定量的水进行搅拌，使集料表面浸润，然后将制备的改性乳化沥青加入集料搅拌30s，用制备好的混合料摊铺湿轮磨耗与车辙试件，摊铺后将试件放入60℃烘箱内养护16h，养护后进行即可进行微表处湿轮磨耗试验和车辙变形试验。

2 试验结果分析与讨论

2.1 改性乳化沥青试验结果分析

本文采用以乳化沥青质量为基准添加改性剂掺量，并依照试验规程相关试验方式测得改性剂对不同乳化沥青蒸发残留物基本性能的影响，试验结果如图1～图3。

由图1、图2 和图3 分析可知，随着水性聚氨酯的掺量增大，三种改性乳化沥青的软化点明显上升，延度明显下降，Novebond 乳化沥青的针入度变化不明显，SBS 改性乳化沥青与SBR 改性乳化沥青针入度呈先增加后降低的趋势，在掺量为3%时达到最大值。由此可知：水性聚氨酯对Novebond 乳化沥青、SBS 改性乳化沥青、SBR 改性乳化沥青的改性效果相似，水性聚氨酯改性提高了沥青的高温稳定性，却降低了沥青的低温抗裂性。

表1 乳化沥青基本性能指标

图1 改性剂掺量对Novebond 乳化沥青性能影响

图2 改性剂掺量对SBS 改性乳化沥青性能影响

图3 改性剂掺量对SBR 改性乳化沥青性能影响

在SH 溶液对三种乳化沥青的改性结果中，随着SH溶液掺量的增大，改性乳化沥青的针入度上升，软化点逐渐下降，延度呈先上升后下降的趋势，Novebond 乳化沥青与SBR 改性乳化沥青的延度在SH 溶液掺量为3%时达到最大值，SBS 改性乳化沥青在2%掺量时达到最大值，之后随着掺量的增加，延度出现降低的现象。SH 溶液改性提高了沥青的低温抗裂性，降低了沥青的高温稳定性。

图4 改性剂掺量对剥落率影响

2.2 乳化沥青与集料黏附性试验结果分析

试验分别采用不同掺量的水性聚氨酯与SH 溶液进行改性乳化沥青的制备，并采用水煮法进行乳化沥青与集料黏附性试验试验，试验结果见图4。

由图4（a）、（b）分析可知，随着水性聚氨酯与SH 溶液掺量的增加，集料经过水煮后沥青的剥落率不断减少，说明水性聚氨酯与SH 溶液的加入都能有效地提高乳化沥青与集料的黏附能力与抗水剥落能力，在0%～3%的改性剂掺量时，沥青的剥落率减少的趋势逐渐增大，而改性剂掺量超过3%时，其抗剥落效果增长变缓。由图4（c）可以看出SBR 改性乳化沥青剥落率变化不明显，在试验过程中，由于SBR 改性乳化沥青的固含量较低，集料浸泡后裹附的沥青油膜非常薄，沥青膜紧密地包裹着集料，水性聚氨酯与SH 溶液并不能有效地发挥作用。

试验结果表明，水性聚氨酯与SH 溶液的加入都能有效地提高乳化沥青与集料的黏附能力与抗水剥落能力，且水性聚氨酯对沥青抗水剥落性能的提高优于SH溶液。随着水性聚氨酯掺量的增加，沥青与集料的抗水剥落能力提高，沥青的软化点上升，但沥青的延度下降明显，水性聚氨酯掺量过大会导致沥青的延度下降过大，低温性能过低，综合考虑水性聚氨酯对沥青的基本指标与抗水剥落能力的影响，建议水性聚氨酯的掺量为3%。随着SH 溶液掺量的增加，沥青与集料的抗水剥落能力提高，沥青软化点下降，沥青延度呈先上升后下降的趋势，并在2%～3%时达到峰值，由于SH 溶液掺量的增加能较好地提高沥青与集料的粘附性能且提高掺量使沥青延度达到峰值后下降的趋势较缓，建议SH 溶液的掺量为4%。

2.3 微表处路用性能评价

在水和车辆荷载的反复作用下，沥青路面容易出现松散剥落现象，影响道路的安全和舒适性能[16]。为考察不同改性剂对微表处混合料抗水损害性能与抗车辙变形性能的影响，试验选用符合微表处技术要求的SBS 改性乳化沥青进行试验，采用MS-3 型级配中值进行混合料级配设计，设计级配如图5 所示，通过1h 湿轮磨耗试验与负荷轮粘砂试验确定最佳油石比为7.2%，同时改性乳化沥青两种改性剂中水性聚氨酯掺量为3%，SH 溶液掺量为4%，湿轮磨耗试验和车辙变形试验结果见表2与表3，通过湿轮磨耗试验和车辙变形试验来评价不同改性剂对微表处混合料性能的改性作用，以此反映改性剂对微表处混合料的抗水损害性能与抗车辙变形性能的影响。

图5 微表处设计级配曲线

表2 湿轮磨耗试验结果

表3 车辙变形试验结果

由表2 分析可知，水性聚氨酯改性微表处的湿轮磨耗值高于原SBS 改性微表处，但水性聚氨酯改性微表处从1h 到6d 磨耗值的变化率为41.3%，低于原SBS 改性微表处的48.0%，说明水性聚氨酯改性微表处在长时间浸水的情况下，其抗水损害能力比原SBS 改性微表处强。SH 溶液改性微表处1h 和6d 湿轮磨耗值都略低于原SBS 改性微表处，其1h 到6d 磨耗值的变化率为47.3%，与原SBS 改性微表处变化率相近，说明SH 溶液提高了微表处的抗磨耗性能。

由表3 车辙试验可知，水性聚氨酯改性微表处和SH 溶液改性微表处的轮迹宽度渐变率与原SBS 改性乳化沥青的试验结果相差较小，说明水性聚氨酯和SH 溶液不改变微表处的抗车辙变形能力，原因是水性聚氨酯和SH 溶液固化后形成交联网络体系，在重载压力下与沥青协同变形。

3 结语

从文中对不同掺量改性剂对乳化沥青基本性能影响的变化规律，及MS-3 混合料抗磨耗性能试验分析，可得出以下结论：

⑴经过水性聚氨酯改性后，改性乳化沥青的软化点显著升高，低温延度显著降低、针入度先上升后趋向平稳，说明沥青的高温稳定性能得到较好地提高，但是低温温度抗裂性有所下降。

⑵经SH 溶液改性后，改性乳化沥青的软化点略微降低，延度先上升后下降，针入度上升，说明沥青的低温温度抗裂性提高，高温稳定性能略微下降。

⑶水性聚氨酯与SH 溶液的加入都能有效地提高乳化沥青与集料的黏附能力与抗水损害能力，随着改性剂掺量的增大，集料的沥青剥落率降低，且水性聚氨酯对沥青抗水损害性能的提高优于SH 溶液。

⑷路用性能方面，水性聚氨酯改性微表处湿轮磨耗值略大于改性前，但其1h 到6d 磨耗值的变化率小于原微表处，SH 溶液改性微表处湿轮磨耗值略小于原微表处，说明两种改性剂均能改善微表处混合料的抗水损害性能，而两种改性剂的抗车辙能力与改性前相差较小，表明两种改性剂对微表处抗车辙能力生影响。试验表明两种改性剂在道路防水应用上有良好的前景，水性聚氨酯与SH 溶液对乳化沥青及其混合料性能改善各具优点，两者复合改性进行有待进一步研究。