SBS/PPA复合改性乳化沥青的制备与性能评价

伍思豫，张阳，李承洋，陈华鑫，张洪刚，况栋梁

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064;2.金华市公路管理局，浙江 金华 321000;3.广西省交通科学研究院，广西 南宁 530007)

乳化沥青较热沥青具有安全、节能、环保等优点[1-2]，但普通的乳化沥青路用性能较差，SBS改性沥青乳化难度大且乳化后存储稳定性差，这限制了其推广应用[3-4]。研究表明，引入极性组分可改善SBS与沥青的相容性，可提高存储性[5-6]。多聚磷酸(PPA)作为一种极性较强的物质[7]，可使SBS在沥青中交联形成稳定的空间网络结构，常用来提高SBS与沥青的相容性，改善SBS改性乳化沥青的存储稳定性[8]，但目前关于PPA对SBS改性乳化沥青性能的影响鲜有报道[9]。本文制备了SBS/PPA复合改性乳化沥青，系统研究了PPA对SBS改性乳化沥青路用性能的影响及对SBS改性沥青微观结构的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

SK90#道路石油沥青(针入度80 mm，软化点47.2 ℃，15 ℃延度大于100 cm，135 ℃粘度0.253 Pa·s)、线型SBS、JY-R6M阳离子慢裂快凝型沥青乳化剂(pH值为8～10，外观为棕褐色粘稠液体)均为工业品；多聚磷酸为分析纯。

FLUKO-FM300剪切机;CM2000/4胶体磨;WSY-025F沥青软化点试验仪;WSY-026数显式沥青针入度试验仪;LYY-10A-CL调温调速沥青延伸度测定仪;NDJ-1F旋转粘度计；SYD-0656乳化沥青储存稳定性试验仪。

1.2 实验方法

1.2.1 SBS改性沥青的制备 将基质沥青加热至170 ℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后，放入140 ℃的烘箱中溶胀40 min。在170～180 ℃、4 000 r/min的条件下高速剪切1.5 h。在140 ℃的烘箱中发育40 min，即制得SBS改性沥青。

1.2.2 SBS/PPA复合改性沥青的制备 将SBS改性沥青加热至160 ℃，加入PPA，搅拌20 min。放入160 ℃烘箱中发育40 min，即制得SBS/PPA复合改性沥青。

1.2.3 SBS/PPA复合改性乳化沥青的制备

1.2.3.1 制备皂液 在烧杯中加入稳定剂，并加入70 ℃的热水，搅拌均匀。待水温降至60 ℃时加入乳化剂，用工业盐酸调节溶液pH至2～3。

1.2.3.2 进行乳化 将60 ℃的皂液倒入预热好的胶体磨中，加入加热至160 ℃的SBS/PPA复合改性沥青，乳化2 min,即制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。

2 结果与讨论

2.1 SBS掺量对沥青性能的影响

采用SBS作为改性剂，将其与基质沥青熔融共混得到不同掺量的SBS改性沥青。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTGE 20—2011)测试改性沥青的软化点、延度、针入度、135 ℃粘度与弹性恢复等指标，研究SBS掺量对改性沥青路用性能的影响，结果见表1。

表1 SBS掺量对沥青性能的影响Table 1 The performance of asphalt with different SBS content

由表1可知，SBS能够有效提高沥青的软化点、延度及弹性恢复率，且随着SBS掺量的增加，SBS改性沥青的粘度呈现增大的趋势，SBS掺量为5%时，其粘度达到1.75 Pa·s，粘度太高，不利于后期改性沥青的乳化[10]。

综合考虑SBS改性沥青路用性能及其乳化工艺的要求，本文折中选择SBS的掺量为4.5%,为便于对比，制备了一组SBS掺量为4.5%的SBS改性沥青样品，其性能指标见表2。

表2 4.5%掺量的SBS改性沥青相关指标Table 2 The performance of modified asphalt with SBS of 4.5%

由表2可知，当SBS掺量从5%降低到4.5%时，其粘度由1.75 Pa·s下降到1.41 Pa·s，下降幅度超过20%，且其延度和软化点较SBS掺量为4%时也有明显提高。因此，在后续实验中，SBS的掺量为4.5%。

2.2 PPA掺量对SBS改性沥青性能的影响

以4.5%的SBS掺量为基准样，加入PPA，制备SBS/PPA复合改性沥青，PPA掺量对复合改性沥青性能的影响，见表3。

表3 PPA掺量对SBS改性沥青性能的影响Table 3 The performance of SBS modified asphalt with different PPA content

由表3可知，随着PPA掺量的增加，SBS改性沥青的软化点、延度逐渐升高，掺量超过SBS用量的3%后，延度开始降低。造成这种现象的原因是PPA的加入能够改善SBS与沥青的相容性，促进SBS在改性沥青中形成空间网状结构，从而改善改性沥青的性能，但过高的PPA掺量易导致 SBS 在沥青中形成的网状结构较为密集，使得沥青的刚性较强，沥青变脆，从而降低其延度[11]。

2.3 PPA掺量对SBS改性沥青微观结构的影响

采用荧光显微镜对SBS在沥青中的分布状态进行观察，图1是SBS改性沥青与SBS/PPA复合改性沥青荧光图像，放大倍数为400倍。

图1 荧光显微试验图片Fig.1 The picture of fluorescence microscopy(a)SBS改性沥青;(b)SBS/PPA复合改性沥青

由图1可知，SBS均匀分布于改性沥青中，与沥青的界面明显。PPA使得SBS改性剂与沥青分子之间的相互作用增强，这主要可归因于PPA能够促使SBS在沥青中形成空间网状结构[12]。

2.4 PPA掺量对SBS改性乳化沥青储存稳定性的影响

将不同PPA掺量的SBS/PPA复合改性沥青分别进行乳化，制备SBS/PPA复合改性乳化沥青(采用原材料厂家推荐的配比，乳化剂、稳定剂的用量分别为2%和0.2%)。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTGE 20—2011)中T 0655的试验方法测试其1,3,5 d储存稳定性。PPA掺量对SBS改性乳化沥青储存稳定性的影响见图2。

图2 PPA掺量对SBS改性乳化沥青储存稳定性的影响Fig.2 The storage stability of SBS modified emulsion asphalt with different PPA content

由图2可知，随着PPA掺量的增加，SBS/PPA复合改性乳化沥青的1,3,5 d储存稳定性均有不同程度的提高。这表明PPA的加入对SBS改性乳化沥青的储存稳定性有正面的改善作用。当PPA掺量由1%增加到5%时，和未添加PPA的改性乳化沥青相比，其5 d储存稳定性由6.3%降低到4.7%，降低的幅度超过25%。这可归因于PPA促使SBS在沥青中形成化学交联点，有助于改善SBS与沥青的相容性，从而达到提高乳化沥青储存稳定性的目的[13-14]。

有研究显示，在SBS改性沥青中掺入极性物质之后，有助于SBS改性剂在体系中形成空间弹性网络结构，这种网络结构的形成对沥青的性能有极大的改善作用[15-16]。因PPA是一种极性较强的物质，由此可推断，在SBS改性沥青中加入PPA以后，有助于在沥青与SBS共混体系中形成空间网状结构，从而改善SBS改性乳化沥青的储存稳定性，荧光显微试验和存储稳定性试验结果也印证了这一推断。

2.5 PPA掺量对SBS改性乳化沥青蒸发残留物性能的影响

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTGE 20—2011)中T 0651的方法制备不同PPA掺量的SBS/PPA复合改性乳化沥青的蒸发残留物，并测试其软化点、延度、针入度、135 ℃粘度等指标，研究PPA掺量对SBS改性乳化沥青蒸发残留物路用性能的影响，结果见图3。

图3 PPA掺量对SBS改性乳化沥青蒸发残留物性能的影响Fig.3 The evaporation residue of SBS modified emulsion asphalt with different PPA content

由图3可知，随着PPA掺量的增加，SBS/PPA复合改性乳化沥青蒸发残留物的软化点呈现增加的趋势，PPA掺量由1%增加到5%时，和未添加PPA的SBS改性乳化沥青相比，其蒸发残留物软化点由64.8 ℃增加到72.2 ℃，增加的幅度超过10%。造成这一现象的主要原因在于PPA的加入促使SBS在改性沥青中形成空间网状结构，促进SBS与沥青的相容性[17]，这种网状结构使得沥青分子间相对运动的阻力增大，难以发生自由移动，从而提高了沥青的软化点，达到改善沥青高温性能的目的[18-19]。PPA掺量为1%～3%时，随着PPA掺量的增加，沥青的延度呈增加趋势，这是由于PPA改善了SBS沥青的相容性，使得SBS的改性效果得以充分发挥[20]，而当PPA掺量大于4%时，随着PPA掺量的增加，延度反而降低，这是交联过度的结果，当PPA掺量过大时，SBS在沥青中形成的网状结构较为密集，沥青刚性过强，沥青变脆，从而降低其低温性能[21]。

由图3(c)可知，随着PPA掺量的增加，SBS/PPA复合改性乳化沥青蒸发残留物的针入度呈现降低的变化趋势。这是由于形成的网状结构使得沥青的稠度变大，沥青变硬，针入度减小[22-23]。由图3(d)可知，随着PPA掺量的增加，SBS/PPA乳化改性沥青蒸发残留物的粘度增大，这是因为沥青内部形成的弹性网状结构使得沥青变稠，粘度增大[24]。

综合考虑SBS/PPA复合改性乳化沥青的路用性能，选择PPA的掺量为3%。制备了一组PPA掺量为3%的SBS/PPA改性乳化沥青样品，并与SBS改性乳化沥青、SBS/PPA复合改性沥青性能进行比较，结果见表4、表5。

表4 SBS改性乳化沥青、SBS/PPA复合改性乳化沥青性能Table 4 The performance of SBS modified emulsion asphalt，SBS/PPA composite modified emulsified asphalt

表5 3%PPA掺量的SBS/PPA复合改性沥青性能Table 5 The performance of SBS modified asphalt with PPA of 3%

由表4可知，加入PPA后，SBS改性乳化沥青的可储存性得到明显的提高，5 d的储存稳定性由6.3%降低到4.9%，降低的幅度达到22%。SBS/PPA复合改性乳化沥青的固含量达到65.4%，1，3，5 d储存稳定性分别为0.83%,2.5%，4.9%，均满足规范要求，其蒸发残留物的路用性能接近热沥青。

3 结论

(1)PPA的加入能够促使SBS在沥青体系中形成化学交联点，改善SBS与沥青的相容性，从而有效提高SBS改性乳化沥青的储存稳定性。

(2)PPA能够促进SBS在沥青中形成交联的空间网状结构，使SBS在沥青中发挥更好的改性效果，从而达到改善SBS改性乳化沥青蒸发残留物路用性能的目的。综合考虑各项指标，PPA的最佳掺量为3%。

(3)SBS掺量为4.5%、PPA掺量为3%时，SBS/PPA复合改性沥青乳液蒸发残留物的性能指标接近热沥青。

(4)PPA较SBS价格低廉，每制备1 000 kg的SBS/PPA复合改性乳化沥青可节约5 kg的SBS，经济效益显著。