高掺量SBS改性乳化沥青的制备

李强，储昭胜，罗宵，黄绍龙，黄修林

(1.武汉市市政建设集团有限公司,湖北 武汉 430023；2.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062; 3.武汉市市政建设科研有限公司，湖北 武汉 430024)

0 引言

21世纪以来,伴随着大规模的基础建设投入，我国高等级公路和城市快速路发展迅猛.2018年末，我国公路里程达470万公里，其中高速公路通车里程已突破14万公里[1].随着公路里程的不断增加和公路使用强度的不断提升，道路预防性养护变得愈发重要.改性乳化沥青是一种将沥青进行改性和乳化而得到的重要化工产品，集改性沥青和乳化沥青的优点于一体，在道路养护工程中，具有广阔的应用前景[2].SBS是一种优良的改性剂，常见于改性乳化沥青领域[3-5].研究发现，其作为改性剂时，掺量低于3%，改性沥青能很好被乳化，但改性效果不佳[6-7]；掺量为3%～5%时，改性乳化沥青被很好地乳化，但稳定性差；随着掺量增加，乳化难度随之提高.高速公路建设对路面的要求越来越高,在一些情况下，SBS含量低于5%就难以满足高等级路面的要求.目前，改性乳化沥青较为广泛地应用于沥青路面的预防性养护，其可显著改善路面的表面功能，减轻路面的水损坏程度，提高行车安全性，延长使用寿命[8-9].

为进一步研发性能更加优良的乳化沥青，本文中自制高固含量SBS胶乳，并以其作为改性剂研制高掺量SBS改性乳化沥青.SBS胶乳的制备既解决了与沥青相溶性差的问题同时也节约了能耗和时间，高掺量SBS改性乳化沥青性能优良，是道路路用性能全面提升的必要材料.

1 实验

1.1实验原料及设备

实验原料：

环己烷(纯)：太仓沪试试剂有限公司生产；

SBS：分子量为10万～40万，线型结构，型号为SBS-792;

CMK-6：新乡市龙腾路用材料有限公司;

CM-251：天津康泽威科技有限公司生产;

op-10：天津康泽威科技有限公司生产;

有机稳定剂：上海源荣化工有限公司生产，掺量0.03%;

70#基质沥青:泰富沥青厂提供，其基本性能如表1所示.

表1 70#基质沥青技术指标

图1 高固含量SBS胶乳制备技术路线示意图

实验设备：剪切机(弗兰克)、减压蒸馏装置一套，乳液激光粒径分析测试仪、乳液机械稳定性测定仪、布氏粘度计、动力粘度测试仪，胶体磨一台，烘箱，软化点仪、针入度仪、延度仪等，实验其他辅助设备若干.

1.2实验方法

1.2.1 高固含量SBS胶乳制备技术路线 根据前期大量实验，首先选用环己烷作为溶剂，代替传统的有毒溶剂甲苯，与SBS按照一定比例配置SBS溶液；另配置皂液(其中乳化剂选择CM-251∶0P-10=7∶3复配)，控制温度在65～70 ℃，低速剪切，约3 000转，随之加SBS溶液，加速剪切至8 000转，乳化后加入稳定剂；最后，通过减压蒸馏回收环己烷，提纯SBS乳液[10].

图2 高掺量SBS改性乳化沥青制备技术路线

1.2.2 高掺量SBS改性乳化沥青制备技术路线 首先，将基质沥青在烘箱中加热到135 ℃左右4 h备用.其次按照一定配比配置皂液，其中乳化剂选择CMK-6，最佳掺量待下文研究，温度控制在60～70 ℃.然后皂液与定量SBS胶乳第一次过胶体磨.接着将混合液与加热好的沥青第二次过胶体磨.最后将制备的SBS改性乳化沥青经冷却后倒入储存罐，待测性能.

2 实验结果及分析

2.1 固含量对SBS胶乳的性能影响试配30%，40%，50%，60%固含量下的SBS胶乳，分别记为A、B、C、D组.其性能如表2所示.

表2 不同固含量下SBS胶乳的性能

由表2可以看出，D组SBS乳液直接破乳，在一定固含量范围内，SBS胶乳都可以很好地乳化，稳定性也好，但固含量高达60%时，SBS胶乳体系不稳定，容易破乳，表层结皮，本研究可以制备出固含52.2%的SBS胶乳，高于市场SBS胶乳一般为40%的固含量.

实验制备的SBS胶乳粘度小，粒径小，有利于提升所得乳液体系的稳定性能；密度接近水，不会产生分层，各项性能稳定，满足行业要求.

2.2 CMK-6乳化剂用量对SBS改性乳化沥青的影响基于本文中所制备的高固含量SBS胶乳，70#基质沥青，阳离子型乳化剂CMK-6，采用二次热混合法制备高掺量SBS改性乳化沥青.设计制备乳化沥青固含量为55%，SBS胶乳掺量为基质沥青的8%.配合比见表3.

表3 SBS胶乳改性乳化沥青配合比

上述数据均为质量分数

不同量乳化剂下对SBS改性乳化沥青的性能指标的影响规律如图3～图8所示.

图3 乳化剂用量对筛余量的影响

图4 乳化剂用量对软化点的影响

由图3可知随着乳化剂的增加，乳化程度越高，粒径越分散，颗粒越小，筛余量降低,当乳化剂用量为2.5%时，筛余量最低.由图4和5可得，随着乳化剂的增加，乳化沥青残留物软化点和延度均呈现先上升后下降趋势，当乳化剂含量超过一定范围后，残留的乳化剂分子会抑制乳化沥青破乳后的沥青分子间地相互融合，会影响蒸发残留物性能[11].由图6和图7可得随着乳化剂的增加，残留物针入度呈上升趋势，动力粘度略有上升最终稳定，说明SBS胶乳掺量才是影响粘度的关键因素.由图8可得，随着乳化剂含量增加，存储稳定性先减小后趋于稳定.综合可得，CMK-6乳化剂对SBS胶乳改性沥青具有良好的乳化效果，最佳用量为2.5%，此时综合性能最优.

图5 乳化剂用量对延度的影响

图6 乳化剂用量对针入度的影响

图7 乳化剂用量对动力粘度的影响

图8 乳化剂用量对存储稳定性的影响

2.3 SBS胶乳掺量对SBS改性乳化沥青的影响由2.2可知制备高掺量SBS改性沥青的乳化剂CMK-6的最佳用量为2.5%，在此条件下，探究不同SBS胶乳掺量下的改性乳化沥青的性能，如表4所示.

表4 不同SBS掺量下的改性乳化沥青的性能

由表4所示，SBS胶乳的掺量从10%上升至13%时，SBS胶乳改性乳化沥青均容易乳化，且随着SBS胶乳含量增加，残留物延度、软化点和60 ℃动力粘度逐渐上升，SBS改性乳化沥青的高低温性能优良，粘度高.但SBS胶乳超过14%时，乳化困难，即使能乳化，很快也会由于体系不稳定，水-沥青界面膜破乳，沥青分子聚集，发生沉降离析.当SBS胶乳掺量为13%时，软化点高达82 ℃，5 ℃延度为42.2 cm，动力粘度大于20 000 Pa·s，以此SBS改性乳化沥青作为胶结料，可广泛应用于高粘磨耗层，高粘微表处，粘层油等，对道路养护技术的开发推广具有重要意义.

3 结论

为了提高SBS在改性沥青中的掺量，从而提升沥青性能，本文中首先制备SBS胶乳，然后采用边乳化边改性工艺制备SBS改性乳化沥青，探究乳化剂CMK-6的最佳掺量和SBS胶乳的最高掺量，得出以下结论：

1)制备的SBS胶乳固含量高，可高达52.2%，粘度小，粒径小，乳液体系均匀，不易破乳；

2)对于SBS胶乳改性沥青，CMK-6型乳化剂具有良好的乳化效果，最佳用量为2.5%，此时综合性能最优.

3)制得SBS改性乳化沥青掺量SBS胶乳掺量可高达13%，蒸发残留物软化点高达82 ℃，5 ℃延度为42.2 cm，60 ℃动力粘度大于20 000 Pa·s，以此高性能高掺量SBS改性乳化沥青为胶结料可广泛应用于道路养护工程.