改性乳化沥青高温性能研究*

窦维禹 赵福利

(安徽省交通控股集团有限公司 合肥 230088)

0 引 言

乳化沥青就地冷再生是一项绿色环保、节约资源的再生技术，充分利用旧料的使用价值，可以节约石料、减少资金投入.目前乳化沥青就地冷再生技术常用于干线公路和高速公路的基层或者下面层，未使用到高速公路的更高层位，这是由于目前乳化沥青冷再生技术常用的是普通乳化沥青，形成的乳化沥青混合料早期强度相对较低，高温抗车辙性能较差，在夏季高温、重载交通的高速公路上,易产生车辙变形.

韩春来[1]研究了SBS胶乳的制备方式，采取了用改性剂加入已经乳化的沥青中的方式，主要从化学层面分析解决了改性剂SBS胶乳对于乳化沥青的改性方式存在的问题.弓锐[2]对改性乳化沥青的针入度、软化点、延度这三大指标和蒸发固含量、筛上剩余量、储存稳定性进行了深入研究，并进行了微观机理试验.陈果等[3]通过对比不同乳液与固化剂，最终选用A4型的水性环氧树脂乳液，A4型固化剂，乳化沥青以1∶1∶8(质量比)的比例制备水性环氧改性乳化沥青，其以黏结性好、强度高、成型快和现配现用的优点用作修补料.将改性乳化沥青中的水分移除的产物为蒸发残留物，通常对残留物进行性能测试来评价改性乳化沥青的性能.郭咏梅等[4]采用非常规的重复蠕变试验(较宽应力范围)，试验样本为制备的不同种类改性沥青，同时用一组基质沥青作为对照组，得到不可恢复蠕变柔量后可评价各组改性剂对于基质沥青粘弹性能与流变性能的改善程度.

文中针对目前普通乳化沥青性能的不足，选用SBR、CR、丙烯酸、重庆某胶乳和北京某胶乳5种聚合物改性剂，研究其对乳化沥青在高温下的改善作用.

1 原材料

SBR、CR、丙烯酸以及重庆牌和北京牌5种胶乳均为聚合物胶乳，外观为白色液体，通过高速剪切仪与乳化沥青剪切均匀后均为棕褐色液体.重庆牌胶乳为水性环氧乳液，北京牌胶乳为NR乳液.其性能见表1～2.

表1 重庆牌胶乳

表2 北京牌胶乳

2 改性乳化沥青残留物的获取

2.1 高温蒸发法

Takamura[5]指出聚合物改性沥青的内部结构会被高温显著改变，其性能也会受到一定程度的影响.并且由于改性乳化沥青多用于冷加工，施工环境为常温，高温蒸发法获取改性乳化沥青残留物的过程与实际应用过程也有一定差别.

2.2 常温蒸发法

本文采用ASTM中提到的方法[6]：将约10 g制备好的乳化沥青乳液倒入2 mm厚的硅胶模具中，先放置于25 ℃的烘箱中24 h，接下来的24 h将烘箱温度调为60 ℃，取出后脱模即可得到沥青低温蒸发残留物.后续为了使残留物均匀化，按照EN方法，可将残留物混合并控制温度加热，温度应为沥青的软化点加80～100 ℃.

记录两种蒸发方式得到的乳化沥青蒸发残留物水分蒸发的过程，并测得其软化点，实验结果见表3～4.

表3 软化点比较 单位：℃

表4 两种蒸发方法残留物含量记录表

由表3可知，与常温蒸发方式相比，采用高温蒸发的方式无论对乳化沥青还是改性乳化沥青其软化点均有一定程度的下降，这是因为短期的高温加热作用下，对沥青产生的热老化作用.由表4可知，采用常温蒸发方式与高温蒸发方式一样都可以将沥青乳液中的水分完全蒸发，两种方法对于残留物固含量的影响不大.

3 流变性能研究

为了确实试验的胶乳用量，向普通乳化沥青中分别加入实际固含量为1%，3%，5%，7%的SBR胶乳含量，分别测其PG分级的临界温度，试验结果为表5.

表5 不同胶乳掺量的PG分级临界温度

由表5可知，从1%～5%其高温性能逐渐上升，在继续添加后其高温性能开始下降.因此，确定胶乳实际添加量为5%.

采用五种不同的改性剂对乳化沥青分别进行改性，由于SBR、CR、丙烯酸，以及重庆和北京两地生产的胶乳的固含量见表6，丙烯酸乳液、CR胶乳和北京某胶乳的用量分别为10%，SBR胶乳的用量为7.81%，重庆某胶乳的用量为9.61%，可以保证加入沥青乳液中的各种改性剂的实际固含量均为5%.

表6 胶乳固含量

3.1 PG分级试验

根据Superpave沥青结合料性能规范，可以用DSR流变仪对原样沥青进行震荡试验，测得其车辙因子G*/sinδ的值，将沥青材料的G*/sinδ大于等于1.0 kPa作为临界条件，来对原样沥青进行高温分级，得到的温度结果越高，说明材料的高温稳定性越强.

根据 AASHTO T315-09(2000)对沥青黏结剂进行高温分级，见表7.最初，使用低温蒸发技术蒸发乳化沥青乳液获得蒸发残留物.然后，残留物被夹在DSR机器的25 mm块板之间，间隙为1 mm，顶板通过应变控制模式以10 rad/s的频率振荡.

表7 PG分级结果

由表7可知，各个试样达到PG分级条件的温度有所差异，从沥青角度来看，SBR改性沥青具有最好的高温稳定性能.

3.2 重复蠕变恢复试验

G*/sinδ指标忽略了沥青产生变形后，其中部分变形逐渐恢复的特性，即沥青在外力卸除后表现出的延迟弹性，于是采用多应力蠕变恢复(MSCR)试验，来解决G*/sinδ评价指标的局限性[7].该实验能模拟使实际使用过程中行车时车辆对路面的动态施压作用，弥补了常规试验的不足.

3.2.1试验方法

试验过程为：设置试验温度为64 ℃，在样品上施加1 s剪切蠕变载荷，随后通过卸载剪切应力进行9 s的恢复.沥青样品在两个应力水平下进行蠕变测试，然后在每个应力水平下进行恢复.使用的压力水平为0.1和3.2 kPa.在每个应力水平下测试10个蠕变和恢复周期.

3.2.2计算方法

(1)

(2)

(3)

式中：Jnr为不可恢复蠕变柔量；Jnr-diff为不可恢复蠕变柔量随应力变化率；γu(N)为在压力水平0.1或3.2 kPa下加载循环时不可恢复的应变；γp(N)为在0.1 或3.2 kPa的应力水平下加载循环时的最大应变.R为10次循环的平均弹性恢复百分比.

3.2.3改性乳化沥青重复蠕变恢复试验分析

重复蠕变恢复试验结果见表8.MSCR的测试结果反映了沥青材料的粘弹塑性性能.通过加载和卸载，在具有两个应力水平的1 s蠕变阶段和9 s恢复阶段收集应变数据.在蠕变阶段，应变水平随着应力水平的增加而增加.在恢复阶段，由于立即恢复的弹性应变和逐渐恢复的黏性应变，应变先快速恢复后缓慢恢复.Jnr和R分别为高温稳定性和弹性.

图1为使用不同改性剂改性过后的不同类型改性乳化沥青MSCR试验结果.

表8 重复蠕变恢复试验结果

图1 5种改性乳化沥青蠕变恢复试验结果

改性剂种类对于沥青的蠕变恢复性能有较大的影响，使用了聚合物改性剂后在100还是3 200 Pa应力水平下不可恢复部分的值与普通乳化沥青相比均有大幅减小.也就是说，五种改性乳化沥青对应的不可恢复蠕变平均差值Jnr-difff增大，蠕变恢复后不可恢复蠕变柔量Jnr减小，沥青材料承受荷载、抵抗变形的的能力增强.沥青胶结料不可恢复的永久性塑性变形小，代表弹性恢复性能好，高温稳定性越强，抗车辙能力越好，车辆行驶作用下产生的剪切变形越少.因此，在低应力水平下改性剂于乳化沥青抗车辙性能的改善效果：重庆牌>丙烯酸>CR>SBR>北京牌.在高应力水平下改性剂于乳化沥青抗车辙性能的改善效果：重庆牌>SBR>CR>丙烯酸>北京牌.

普通乳化沥青在外力卸除后会恢复部分变形量，不能恢复的部分为永久变形.恢复百分比R反映了沥青材料的弹性大小.当使用改性剂对乳化沥青进行改性后，聚合物改性乳化沥青永久变形量减小，沥青的弹性和延迟变形得以提高.因此在低应力比的条件下，改性剂对于乳化沥青弹性性能的改善效果：重庆牌>丙烯酸>CR>北京牌>SBR.在高应力比的条件下，改性剂对于乳化沥青弹性性能的改善效果：重庆牌>CR>SBR>丙烯酸>北京牌.

在同样的温度下，不同改性乳化沥青在0.1 kPa加载时的恢复百分比高于在3.2 kPa加载时的恢复百分比，而Jnr与之相反，在0.1 kPa加载时低于在3.2 kPa加载时的不可恢复蠕变柔量Jnr.

4 结 论

1) 常温蒸发获取残留物的方式乳化沥青中水分自然挥发的过程较为接近，不会造成乳化沥青残留物的老化，更适用于乳化沥青蒸发.

2) PG分级试验表明，在同样胶乳掺量的情况下，高温改善效果由高到低分别是SBR>CR>重庆牌>北京牌>丙烯酸，这与软化点试验的结果一致，表明这两个实验在评价沥青的高温性能具有很好的相关性.

3) MSCR实验表明，在低应力比下的条件下，乳化沥青弹性性能和高温稳定性的改善效果均是重庆牌>丙烯酸>CR>北京牌>SBR.在高应力比条件下，重庆胶乳改善高温性能的效果最明显，北京胶乳最差.