天然胶乳改性沥青制备与基本性能

谭 荷，黄浩波，张海燕，何慧兵，贾晓鹏

（1 河北工程大学，河北邯郸 056038； 2 江西省高速公路物资有限公司，江西南昌330000；3 中路交建（北京）工程材料技术有限公司，北京100088；4 江西省恒瑞交通科技有限公司，江西九江332000）

随着我国交通道路行业的快速发展，对沥青路面的要求在不断提高，相应地对材料要求也在提高。天然胶乳作为一种改性剂，其综合性能优异, 工艺成膜性能好,湿凝胶强度高, 容易硫化, 且所得制品具有弹性较大, 强度较高, 伸长率较大, 蠕变较小等特点。期望将天然胶乳与基质沥青进行改性，有望改善沥青的温度稳定性、塑性、储存稳定性等。Ramez A. Al-Mansob 等［1］研究了环氧化天然橡胶（ENR）改性沥青的的常规性能（针入度、软化点、粘度、储存稳定性）和流变性能，认为ENR 改性沥青的储存稳定性与ENR 的掺加量有关。曹荣吉等［2］通过室内试验研究了采用标准马来西亚橡胶SMR20 进行沥青改性的可行性，确定了改性沥青加工温度宜控制在160 ～180 ℃、SMR 最佳掺量为4%、加入稳定剂可以提高改性沥青的储存稳定性。本文通过常规沥青实验（三大指标）、荧光显微试验、离析、沥青薄膜加热试验等［3-10］，研究天然胶乳改性沥青的制备工艺及性能（实验均参照新版JTG E20-2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程）。

1 材料与工艺参数

1.1 原材料

基质沥青选用双龙70#、SK90 基质沥青，其常规性能指标见表1，天然胶乳选用市售的天然胶乳，测试的指标见表2。

表1 基质沥青性质Table 1 Base asphalt properties

由表1 可看出，双龙70# 的软化点高于SK90，针入度值低于SK90，故后面试验均采用双龙70#。

表2 天然胶乳成分表Table 2 Composition of natural rubber latex

采用拉伸试验来评价天然胶乳原材料的力学强度。将成型好的试验样品裁切成规范要求的哑铃型试件（图1），分别将其置于常温和60℃的试验温度环境中，待试 件温度稳定之后进行拉伸试验，试验结果见表3。

图1 天然胶乳固化状态Fig.1 The cured state of natural rubber latex

表3 天然胶乳拉伸试验检测值Table 3 Detected value of natural rubber latex tensile test

1.2 天然胶乳改性沥青的制备

将基质沥青在160℃烘箱中加热，待沥青烘化后，将沥青放置在搅拌机中，在165 ～175 ℃条件下，将天然胶乳缓慢加入，在天然胶乳加入过程中，要避免凝固现象发生，然后在170 ～180 ℃条件下发育1h 左右。

1.3 工艺参数试验

1.3.1 制备温度

将掺量为5% 的天然胶乳与基质沥青进行改性，在掺量、稳定剂等相同的条件下，只改变搅拌时的温度，以145～155、155～165、165～175、175～185 ℃作为研究区间，通过基本实验指标（表4）可得出在一定温度范围内，最佳制备温度为165～175 ℃。

表4 不同温度下天然胶乳改性沥青检测值Table 4 Detected values of natural rubber latex modified asphalt at different temperatures

由表4 看出，除温度外其他条件都相同，在天然胶乳缓慢胶乳过程中，随着温度的升高，软化点也随之升高，但是在180℃左右会降低，针入度大致呈上升趋势，延度呈上升趋势。软化点和针入度在165 ～175 ℃呈现出较好的结果，延度虽然呈上升趋势，但在165 ～175℃和175 ～185 ℃内延度相差并不大，而且在温度达到175 ～185 ℃时，沥青会经过一个漫长的过程，期间沥青和天然胶乳会发生一定程度的老化，达不到理想的预期目标。故取天然胶乳改性沥青制备的最佳温度为165 ～175 ℃。

1.3.2 稳定剂

稳定剂是一种保持高聚物塑料、橡胶、合成纤维等稳定, 防止其分解、老化的试剂，可以减慢反应, 保持化学平衡, 降低表面张力, 防止光、热分解、氧化分解提高储存稳定性。

在掺量、温度等相同的条件下，制备有稳定剂、无稳定剂两种样品，通过基本实验指标（表5）可看出，在有稳定剂的情况下，三大指标均比没有添加稳定剂较好；通过荧光显微观察（图2）较直观地可以看出，在有稳定剂的情况下，天然胶乳分子分散较均匀。

表5 有无稳定剂条件下天然胶乳改性沥青检测值Table 5 Detected value of natural latex modified asphalt with or without stabilizer

图2 有无稳定剂条件下荧光图Fig.2 Fluorescence image with or without stabilizer

改性沥青稳定剂在一定的热条件下产生活性基团，与天然胶乳等聚合物分子链、沥青活性基团发生交联接枝，使天然胶乳与沥青形成稳定的胶体体系，从而提高改性沥青的热稳定性，由图2 可看出，稳定剂可以使天然胶乳均匀分布在沥青中，扩大天然胶乳中橡胶相与沥青的接触面积，使其有更好的相容性，从而提高各方面性能。在表5 中，没有稳定剂的情况下，虽然针入度较好，但在实际运用过程中，只要针入度满足规范要求即可。

1.3.3 掺量

为更好地比较天然胶乳掺量对改性沥青的影响，在稳定剂等其他条件都相同的情况下，分别制备了天然胶乳掺量为3%、4%、5%、6%、7% 的天然胶乳改性沥青样品，检测改性沥青的各项指标，确定天然胶乳掺量在一定范围内，天然胶乳改性沥青的最佳掺量为7%，见表6 和图3。

表6 不同掺量下天然胶乳改性沥青检测值Table 6 Detected values of natural rubber latex modified asphalt under different content

图3 离析试验的软化点差ΔSPFig.3 The softening point difference ΔSP of the segregation test

由表6 看出，软化点随着天然胶乳掺量的增加呈上升趋势，针入度和延度随着天然胶乳掺量的增加呈下降趋势，由图3 可看出，随着天然胶乳掺量的增加，软化点差ΔSP 先下降后上升，等掺量为6% 时软化点差ΔSP急剧上升，说明随着天然胶乳的增加，天然胶乳改性沥青的储存稳定性会下降，故天然胶乳最佳掺量为7%，要想增加天然胶乳的掺量可选用其他方法。当天然胶乳的掺量较少时在沥青中的分布数量相对较少，对基质沥青改性的效果并不明显，当天然胶乳的掺量较多时，会使天然胶乳改性沥青的性能偏向天然胶乳，分子间布朗运动越大交联固化越快，故只有在最佳掺量下，才会充分发挥天然胶乳和沥青的优势，达到预期效果。

2 基本性能研究

2.1 沥青旋转黏度试验

通过布洛克菲尔德黏度计（简称布氏黏度）旋转法测定温度为175 ℃时，选用21 号转子、转速为50r/min，测试不同天然胶乳掺量的布氏黏度，结果如图4 所示。

图4 不同天然胶乳掺量下布氏黏度检测值Fig.4 Detected values of Brookfield viscosity under different natural rubber latex content

175℃布氏黏度随着天然胶乳掺量的增加呈上升趋势，表明天然胶乳掺量可提高沥青的高温性能。在掺量达到5% ～6% 时，布氏黏度急剧上升，说明掺量为5% ～7% 天然胶乳改性沥青的高温性能比天然胶乳掺量为3%～5%时要好。

2.2 沥青薄膜加热试验

将天然胶乳改性沥青加热到流动性较好的条件下，分别在四个老化盘中倒入50±0.5 g 改性沥青，在温度为163±1 ℃的条件下，加热5h 后，测其5℃延度与25℃针入度，结果见表7。

表7 不同掺量下老化沥青检测值Table 7 Detected value of aged asphalt under different content

由表7 可以看出，随着天然胶乳掺量增加，薄膜加热后的针入度数值呈上升趋势，而延度大致呈下降趋势、延伸性降低，在低温环境中，天然胶乳和基质沥青材料本身偏向脆性易发生脆断。沥青老化过程中，沥青组分大致按芳香分→胶质→沥青质的路线向重质化的方向转化，致使老化后沥青的塑性下降。沥青的极性分量均随着老化而降低，极性分量的降低表明沥青对水分子的吸附能力也有所减弱。

由图5 在荧光显微镜下可明显看出，天然胶乳改性沥青在老化前后变化较大，通过分别取老化后天然胶乳改性沥青上部1/3、中部1/3、下部1/3 进行荧光显微观察，发现上部1/3、中部1/3 处的荧光显微图像和老化前的微观效果相差较大。图6 是老化后取底部1/3 处沥青在放大倍数为400 倍和100 倍的荧光显微镜下观察到的图片，可以明显看出，多数天然胶乳、稳定剂出现在底部，说明天然胶乳和基质沥青只是简单存在部分地吸附、相容，而并非完全熔融，随着时间的变化稳定性发生了变化，但具体是发生了简单的物理变化还是化学变化还需要进一步进行研究。

图5 天然胶乳改性沥青老化前后微观效果Fig. 5 The microscopic effect of natural rubber latex modified asphalt before and after aging

图6 老化后底部沥青在不同放大倍数下微观效果Fig.6 The microscopic effect of the bottom asphalt after aging under different magnifications

3 结论

通过室内试验研究了采用市售的天然胶乳进行沥青改性的可行性，确定了改性沥青加工的工艺参数，通过常规沥青试验和荧光显微镜试验确定了天然胶乳的最佳掺量和稳定剂的作用，主要研究结论如下：

（1）天然胶乳改性沥青的加工温度宜控制在165 ～175 ℃，加入稳定剂可以提高天然胶乳与沥青的相容性，改善改性沥青的储存稳定性。

（2）针对研究中采用的原材料，最佳的天然胶乳掺量为沥青质量的7%，要提高改性沥青的性能，需要进一步提高天然胶乳的掺量。

（3）175℃布氏黏度随着天然胶乳掺量的增加而增加，在一定范围内，天然胶乳掺量越多天然胶乳改性沥青的高温性能会越好。

（4）薄膜加热试验后针入度变大，延度变小，粘度增大, 总体性质变脆、变硬，在荧光显微下看出老化前后荧光显微效果相差极大，说明天然胶乳和基质沥青只是简单存在部分地吸附、相容，而并非完全熔融，具体原因还需要进一步研究。