SBS-SBR胶乳复合改性乳化沥青流变性能

畅润田

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

随着我国早期建设道路陆续进行维修养护阶段，具有可以常温施工、节约能源、减少环境污染等优点的乳化沥青逐渐成为道路材料和技术应用、研究与发展的主流方向[1-2]。但是沥青本身的技术指标无法满足路面使用性能要求，聚合物苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）能够显著提高沥青的高温抗车辙、低温抗开裂性、抗老化以及改善沥青路面的耐疲劳性能，是目前筑路使用最广泛的聚合物改性剂[3-4]。SBS聚合物可以在沥青内部发生交联，使体系的黏弹特征发生明显变化[5-6]，对乳化设备、乳化条件和储存条件都要求较高，若掺量太低，则不能满足沥青路面的性能要求。SBR胶乳与乳化沥青相溶性较好，操作便捷，且SBR胶乳生产工艺简单，但其改性效果略差。在此，将改性剂SBS与SBR胶乳同时用于乳化沥青改性，充分发挥SBR胶乳与乳化沥青较好的相溶性和其对沥青低温、抗水损性能良好的改性效果[7]，因而将两者同时用于乳化沥青改性，不仅有效解决SBS改性沥青乳化困难的问题，SBS和SBR胶乳对乳化沥青改性效果具有协同增效作用，使乳化沥青各方面性能均有较为显著的提升。

流变学作为力学的一个新分支，主要用于复杂结构材料的研究，可以表征高分子材料的分子量，能快速、有效地进行原材料、中间产品和最终产品的质量检测和质量控制。流变学通过测试样品复数黏度、复数模量以及相角随着交联反应进行所产生的相应变化，以评价样品的黏性与弹性性质，其测定值主要取决于温度和加载频率，因而用于表征聚合物改性沥青非常有效[5]。本文重点考察了乳化沥青蒸发残留物的流变行为，并以此为重要依据选出效果较好的改性方案。试验选用shell 90号基质沥青，先用掺量2%的SBS改性，采用阳离子乳化剂乳化形成沥青乳液，添加相应掺量的SBR胶乳即制得改性乳化沥青。流变性能测试结果显示，在SBS掺量2%的基础上，添加3%的SBR胶乳可以显著改善乳化沥青蒸发残留物的模量和相角，且模量和相角曲线均呈现出明显的平台稳定区，说明此改性条件下，沥青内部大分子交联结构能够形成非常稳定的空间网络结构，达到提升沥青路用性能的效果，并且这一结论与改性乳化沥青蒸发残留物的三大指标随SBR胶乳掺量变化规律保持一致。

1 实验

1.1 实验原料

a）基质沥青 shell 90号。其性能指标为软化点46℃，针入度（25℃）80.3×0.1 mm，延度（15℃）大于100 cm。

b）乳化剂 进口乳化剂MQK-1D，慢裂快凝阳离子乳化剂，适用于微表处施工。

c）改性剂 SBS 巴陵石化产的YH-791（SBS1301），其中苯乙烯含量为30%。

d）改性剂SBR胶乳 高氏阳离子SBR胶乳，乳白色液体，有效含量为60%。

1.2 改性乳化沥青的制备

1.2.1 SBS改性乳化沥青的制备

将基质沥青加热至180℃，加入掺量2%的SBS，在170℃～180℃、转速4 000 rpm下剪切搅拌50 min，使SBS均匀分散在沥青中；乳化剂溶于水后，加入无机稳定剂氯化钙后用盐酸调节pH到2.0，加热到60℃，倒入胶体磨中，将SBS改性沥青缓慢倒入胶体磨中持续1 min，得到SBS改性乳化沥青（设置乳化沥青固含量60%），冷却到室温，加入SBR胶乳搅拌均匀，即得SBS-SBR胶乳复合改性乳化沥青。

1.3 改性乳化沥青性能测试

改性乳化沥青储存稳定性、蒸发残留物三大指标以及混合料性能均按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的操作规程进行测试。

改性乳化沥青蒸发残留物的动态流变性能：复数黏度、储能和耗能模量、相角随频率与温度的变化关系曲线。采用美国TA公司生产的DSR（DHR-1），采用直径为25 mm的平板，板间距离为1 100 μm，应变恒定，为0.4%。样品安放好之后在待测温度下恒温30 min后进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 改性剂对乳化沥青指标以及混合料性能的影响

通过蒸发残留物实验得出，SBS-SBR胶乳复合改性乳化沥青固含量均在62%左右，三大指标以及5 d储存稳定性实验数据如表1所示。表中数据显示，改性乳化沥青5 d储存稳定性随改性剂种类和掺量的变化并没有出现明显的区别，且均满足规范要求（小于5%）。只添加2%的SBS作为改性剂时，乳化沥青蒸发残留物的延度和软化点分别为16.2 cm和55.7℃，并不能满足施工技术要求，SBR胶乳的添加能够明显改善残留物的性能，弥补低掺量的SBS改性沥青性能的不足，且不会对乳化设备提出额外要求。随SBR胶乳掺量的增加，针入度减小，软化点和延度呈增大趋势，因为经SBS和SBR改性后，沥青相态结构发生变化，稠度变大，高低温性能得到改善[8]。在SBS掺量2%的基础上，当SBR胶乳掺量为1%时与不加时效果区别并不明显，随其掺量增加，沥青三大指标的变化幅度较大，当掺量达到3%时，SBS与SBR胶乳复合改性沥青高低温性能有非常明显的改善，低温延度和软化点分别达到30.5 cm和65.1℃，说明此改性条件下，SBS和SBR胶乳具有较好的复合改性效果。

表1 SBS-SBR乳胶对乳化沥青常规指标的影响

2.2 改性剂对沥青动态流变行为的影响

动态剪切流变仪（DSR）用于测试不同温度和频率下沥青黏弹特性变化规律非常有效，黏性和弹性之间的关系常用来衡量沥青胶结料抗永久变形和疲劳开裂能力[9-10]。动态剪切实验主要测试沥青试样的动态黏弹参数，即复数模量G*、储能模量G′、耗能模量G″以及相角δ等参数。

图1和图2为不同SBR掺量条件下，SBS-SBR胶乳复合改性乳化沥青的复数模量G*分别随温度和扫描频率的变化曲线。G*表征重复剪切情况下材料变形时总阻力大小[10]，能够反应沥青路面的抗车辙变形能力。从图中可以看出，SBR乳胶的掺量对样品复数模量变化规律没有明显影响，都是在低频和高温区达到最小值，高频和低温时达到最大值，与沥青路面在实际应用中变化规律一致[11]；在温度和频率扫描范围内，随着SBR掺量的增加，样品的复数模量不断提高，尤其是SBR胶乳掺量达到3%时，G*的升高提高幅度更加明显，说明在测试范围内，SBR胶乳掺量越大，改性沥青抗永久变形的能力越强[12]；随SBR胶乳掺量的增大，样品模量的衰减幅值明显降低，说明SBR的加入可以降低低掺量SBS改性沥青的温度敏感性和抗车辙性能[13]，且掺量越高，改善效果越明显。

图1 不同SBR掺量条件下，SBS-SBR改性乳化沥青复数模量G*随温度的变化曲线

图2 不同SBR掺量条件下，SBS-SBR改性乳化沥青复数模量G*随频率的变化曲线

图3和图4为不同SBR掺量条件下，SBS-SBR胶乳复合改性乳化沥青的相角δ随温度和频率的变化关系。相角代表样品在外界作用下产生形变时应力和应变的相位差，衡量物质的形变恢复能力，能够精确地评价改性沥青胶结料的性能。相角δ越大，物质越接近黏流态，此时结构中分子链段运动困难，以致形变跟不上外力的变化，相应沥青路面弹性恢复能力差[13]。图中曲线显示，改性沥青相角δ随改性剂SBR掺量的增加呈明显的下降趋势；对于温度与频率扫描曲线，当SBR掺量为1%时，相角降低幅度较小，说明在SBS掺量2%的基础上，SBR胶乳掺太少时，并不能明显改善改性沥青的弹性性能；当SBR掺量达到2%时，相角下降趋势非常明显，而当掺量增高到3%时，相角不仅有明显的下降，且曲线分别在温度40℃～65℃之间和频率较高处出现稳定的平台区，表明改性沥青内部存在复杂的大分子铰链结构，从而使样品在该温度段对温度和在高频区对频率的敏感程度大幅削减[14]，说明此时SBS和SBR胶乳复合使用在改性沥青内部形成了较为完善的空间网络结构，进而赋予改性沥青良好的弹性性能[13]。

图3 不同SBR掺量条件下，SBS-SBR改性沥青相角δ随温度的变化曲线

图4 不同SBR掺量条件下，SBS-SBR改性沥青相角δ随频率的变化曲线

图5和图6为SBS掺量2%条件下，不同SBR掺量对应改性沥青复数黏度η*随温度和频率的变化规律。从图中可以看出，复合改性剂SBS-SBR胶乳在高温区和低频段对乳化沥青复数黏度η*变化规律影响更为明显，在SBS掺量2%的基础上添加3%的SBR胶乳后复数黏度η*较不添加SBR的样品提高了一个数量级，说明此条件下复合改性剂SBS-SBR胶乳的高分子结构在沥青内部形成稳定完善的三维网络结构，提高体系的黏度。随温度升高，改性剂聚合物链状结构柔性增加，且分子热运动加强，导致分子间作用力减弱，因而所有样品的η*均随温度上升呈下降趋势。随剪切频率的增大，相应剪切力增大，样品复数黏度逐渐减小，且改性剂掺量较大的样品复数黏度下降幅值更加明显，这是由于在外部切应力作用下，改性沥青内部的大分子结构更容易松散，当频率增大到一定程度后，大分子之间的交联点可能被完全破坏，进而使黏度迅速下降[15]，因而改性剂掺量较大的样品复数黏度受频率的影响更明显。

图5 不同SBR掺量条件下，SBS-SBR改性沥青复数黏度η*随温度的变化曲线

图6 不同SBR掺量条件下，SBS-SBR改性沥青复数黏度η*随频率的变化曲线

3 结论

在SBS改性乳化沥青中加入适量胶乳SBR能够有效解决SBS掺量不足改性效果差和掺量大难以乳化的问题。本文选取改性剂SBS掺量2%对基质沥青进行改性，乳化后添加SBR胶乳的方法，适用于普通乳化设备，且显著提升乳化沥青的各项性能指标。蒸发残留物三大指标和湿轮磨耗实验结果显示，在掺量2%的SBS改性沥青基础上，添加2%的SBR胶乳即可得到满足规范的改性乳化沥青，而当掺量增加到3%时改性效果的提升更加明显。通过常规性能结果与动态流变行为曲线结合分析得出，随SBR胶乳掺量的增加，改性效果明显提升，当掺量为3%时，样品内部能够形成较为完善的空间网状结构，进而保证改性沥青具有更好路面使用性能。