基质沥青和乳化剂对SBR 改性乳化沥青性能的影响评价

杨婉怡，郭祥军，朱伟涛，徐立廷，程兴仓，彭 庚

（1.北京首发公路养护工程有限公司，北京 102613；2.壳牌（中国）有限公司，北京 100004；3.濮阳市公路管理局，河南 濮阳 457000；4.北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044）

引言

目前，在生产SBR 改性乳化沥青过程中，SBR改性剂掺量多数采用经验确定，并且在国内市场及国际市场中，品牌多样、良莠不齐的基质沥青及乳化剂使得SBR 改性乳化沥青生产混乱且质量不够稳定，严重制约了SBR 改性乳化沥青的大面积推广。因此，确定SBR 改性剂的合理掺量并找到适宜生产的基质沥青及乳化剂组合，对于SBR 改性乳化沥青的制备具有重要意义。

1 SBR 改性乳化沥青原材料的选择

SBR 改性乳化沥青是常见的公路沥青路面养护材料，其生产原材料包括基质沥青、SBR改性剂、乳化剂、稳定剂和水等。

1.1 基质沥青

基质沥青在SBR 改性乳化沥青中质量比达55%～70%，因此基质沥青的优劣直接影响乳化沥青的性能以及施工建设的工程质量。为比较国内外不同基质沥青所制的SBR 改性乳化沥青性能，选取具有代表性的国产A 型及进口B 型基质沥青，其主要技术指标见表1。

表1 基质沥青主要技术指标

1.2 乳化剂

乳化剂是影响改性乳化沥青贮存稳定性的关键因素，由工程经验确定乳化剂用量为1.6%。选用国内外具有代表性的国产A 型和进口B 型两种不同品牌的慢裂乳化剂，其主要技术指标见表2、表3。

表2 国产A 型乳化剂技术指标

表3 进口B 型乳化剂技术指标

1.3 SBR 胶乳

SBR 即丁二烯和苯乙烯共聚物，是目前使用较为广泛的沥青改性剂，其与沥青制备得到的丁苯橡胶乳胶改性乳化沥青具有良好的耐久性及高温稳定性。所用的SBR 改性剂有效含量为60%，主要技术指标见表4。

表4 SBR 改性剂主要技术指标

2 原材料对改性乳化沥青性能的影响分析

2.1 不同SBR 掺量对改性乳化沥青性能的影响分析

为分析不同SBR 掺量对改性乳化沥青性能的影响并确定SBR 掺量，选用国产A 型基质沥青、进口B 型乳化剂（掺量1.6%），在不同SBR 掺量下制备SBR 改性乳化沥青，对比所得改性乳化沥青蒸发残留物的基本性能指标，结果见表5。

表5 不同SBR 掺量下改性乳化沥青蒸发残留物性能指标

由表5 可知，随着SBR 掺量的提高，改性乳化沥青针入度下降，这是由于SBR 的掺入提高使得SBR 颗粒在沥青中由分散转为连续，导致改性沥青整体相态发生转变，分子之间变得致密，沥青黏度提高、自由能变小，针入度降低。改性乳化沥青的延度在不同的SBR 掺量下均保持较高水平，并随着SBR 掺量的提高逐渐增大，这表明SBR 改性后的乳化沥青延度有较大的改善，并且SBR 改性剂掺量与延度呈良好的正相关。改性沥青的软化点随SBR 掺量的提高而逐渐增大，当掺量达到4.0%时软化点达到规范《公路沥青路面施工技术规范（JTG F40—2004）》要求。综合考虑经济因素及性能指标，确定SBR 的最佳掺量为4.0%。

2.2 不同油源基质沥青对SBR 改性乳化沥青性能的影响

为研究不同油源基质沥青对SBS 改性乳化沥青性能的影响，选用进口B 型乳化剂（1.6%掺量），SBR乳胶改性剂（4.0%掺量），并分别以国产A型基质沥青、进口B 型基质沥青为原材料沥青制备SBR 改性乳化沥青。通过对蒸发残留物进行检测试验对比主要技术指标，结果见表6。

表6 不同基质沥青的SBR 改性乳化沥青性能指标

由表6 可知，选择两种不同油源的基质沥青所制备的SBR 改性乳化沥青均可得到满足规范《公路沥青路面施工技术规范（JTG F40—2004）》要求，其中采用国产A 型基质沥青制备的改性乳化沥青，在固含量、针入度、延度、黏度以及贮存稳定性等方面均高于进口B 型，综合性能更好。根据基质沥青生产厂家的产品质量验证报告及油源地基质沥青成分含量分析，可能存在原因：进口B 型基质沥青中沥青质含量较高，在乳化改性过程中沥青相的密度增大，因此其微粒在与乳液水相混合时不能较好的相容。

2.3 不同种类乳化剂对SBR 改性乳化沥青性能的影响

为研究不同种类乳化剂对SBR 改性乳化沥青性能的影响，选用SBR 乳胶改性剂（4.0%掺量），进口A 型基质沥青，分别以国产A 型乳化剂、进口B型乳化剂为原材料制备SBR 改性乳化沥青。乳化剂掺量为1.6%，对其蒸发残留物进行指标试验，对比其主要技术指标，结果见7。

表7 不同乳化剂的SBR 改性乳化沥青性能指标

由表7 可知，选择两种不同种类的乳化剂进行生产试验，均可得到满足规范《公路沥青路面施工技术规范（JTG F40—2004）》要求的SBR 改性乳化沥青，但采用进口乳化剂作为原材料的产品，在性能指标上略显优势，特别是延度和贮存稳定性较另一种更好。根据乳化剂生产厂家的产品质量验证报告分析，可能存在原因：国产A 型乳化剂的黏度较差，因此导致改性乳化沥青的乳化难度提高，胶体磨的生产循环过程中可能会有流速降低或堵塞不通等现象出现，影响乳液质量，因此性能不佳。

3 原材料对改性乳化沥青混合料性能的影响分析

改性乳化沥青在实际使用过程中的破乳、成型过程与室内对其进行试验时的蒸发、凝结过程存在一定差异，对改性剂改性效果的评价也受此影响。为了更好地选择更适宜生产SBR 改性乳化沥青的基质沥青及乳化剂，通过对不同原材料组合制备的改性乳化沥青混合料进行湿轮磨耗试验和负荷轮碾压试验，以此评价改性乳化沥青的路用性能。

3.1 SBR 改性乳化沥青性能指标

在4.0%SBR 乳胶改性剂掺量下，分别选取国产A型、进口B 型基质沥青，国产A 型、进口B 型乳化剂，制备4 种不同组合的SBR 改性乳化沥青（国产A+国产A、国产A+进口B，进口B+国产A、进口B+进口B），乳化剂掺量为1.6%。对四种SBR 改性乳化沥青进行性能检测，结果见表8 ～表11。

表8 改性乳化沥青性能指标（国产A 沥青+国产A 乳化剂）

表9 改性乳化沥青性能指标（国产A 沥青+进口B 乳化剂）

表10 乳化沥青各项性能指标（进口B 沥青+国产A 乳化剂）

表11 乳化沥青各项性能指标（进口B 沥青+进口B 乳化剂）

3.2 集料

集料在微表处混合料中体积占比80%以上，且其性能相对稳定，因此集料选择对稀浆混合料整体路用性能和表面功能均有非常明显的影响。所用集料为河北承德易县玄武岩，共分为粗中细三挡，其指标见表12。按照质量比为粗∶中∶细=1 ∶1 ∶3 将集料均匀混合，最终得到集料级配合成见表13。

表12 集料性能指标

表13 合成级配

最终试验结果见图1，两种石料的级配曲线均在微表处级配范围的上下限区间内，且砂当量的平均值大于65%，符合规范《公路沥青路面微表处设计与施工技术规范》（DB62T 3129—2017）要求的砂当量值。

图1 集料级配曲线

3.3 改性乳化沥青混合料性能

根据《微表处与稀浆封层技术指南》，通过采用4 种不同原材料组合的SBR 改性乳化沥青拌和制备得到改性乳化沥青混合料（油石比9.5%），并进行黏聚力、湿轮磨耗及负荷车轮黏砂试验，试验结果见表14。

表14 混合料技术指标

从试验结果可以看出，国产A 基质沥青+进口B 乳化剂组合所生产的SBR 改性沥青混合料黏聚力最高，负荷载轮碾压值最低，表示该组合下混合料集料与沥青黏附效果较好。湿轮磨耗试验结果表明，两种试验时间下该组合下混合料最低的磨耗值。此外，4 种组合的混合料1 h 到6 d 磨耗值的提高分别为：61.0%、56.8%、57.8%、66.4%，表明国产A 基质沥青+进口B 乳化剂组合所生产的SBR 改性沥青混合料的耐磨性能最佳，且耐磨性能不易随着路面使用时间的增加而降低。因此，推荐的SBR 改性乳化沥青的最佳组合为选用国产A 基质沥青与进口B 型乳化剂（1.6%掺量），在4.0%胶乳掺量下制备SBR 改性乳化沥青。

4 原材料对改性乳化沥青混合料性能的影响分析

选取两种基质沥青及乳化剂两两组合配制SBR改性乳化沥青，并对比其混合料路用性能以选出最佳组合。但目前市场中基质沥青及乳化剂产地、品牌繁多，所推荐的原材料组合并不适用所有工程。为指导实际工程中材料选择，通过分析原材料对改性乳化沥青混合料性能的影响提出原材料选择原则。

4.1 基质沥青

对比基质沥青指标及改性乳化沥青指标可知，当乳化剂型号相同时，基质沥青指标对改性乳化沥青蒸发残留物指标影响较大，基质沥青针入度、延度、软化点越高，改性乳化沥青针法残留物对应的指标也越高。由此可知，选择三大指标良好的基质沥青可以对改性乳化沥青起到提高抗剪切能力、塑性能力以及抵抗高温变形能力的作用。

对比基质沥青指标及改性乳化沥青混合料指标可知，当乳化剂型号、矿料级配、油石比相同时，基质沥青对混合料黏聚力及负荷轮碾压试验结果影响较小，对湿轮磨耗结果影响较大。这表明基质沥青对混合料水稳定性及耐磨性能有较大的影响，分析其原因发现，所选国产A 型沥青的含蜡量远低于进口B 型沥青，蜡对沥青路面的使用性能的影响主要体现在蜡会使沥青与石料的黏附性降低，从而降低沥青混合料的耐磨性能，在水侵蚀下易使路表面矿料颗粒剥离，即降低混合料的水稳定性。由此可知，选择含蜡量较低的基质沥青可以对改性乳化沥青起到提高水稳定性、耐磨性的作用。

4.2 乳化剂

乳化剂对改性乳化沥青的作用主要是利用其两亲性分子的结构特点，使得溶液中颗粒分散有序排列，从而起到乳化、分散的功能。所选两种乳化剂皆为阳离子乳化剂，阳离子乳化剂一般为酰胺类乳化剂，因此总胺量对其乳化效果影响较大。由乳化剂基本指标对比可知，国产A 型乳化剂的固含量及总胺量明显低于进口B 型乳化剂，即进口B 型乳化剂中有效成分含量更高。通过对比可知，当基质沥青种类相同时，采用进口B 型乳化剂的改性乳化沥青的三大指标较高，贮存稳定性较好，表明进口B 型乳化剂乳化效果更好，对应的改性乳化沥青性能及稳定性更强。采用进口B 型乳化剂的混合料黏聚力及负荷轮碾压试验结果更佳，证明采用高固含量及高总氨量改性剂的改性乳化沥青与集料之间黏附效果更好。除此之外，采用进口B 型乳化剂时，改性乳化沥青及混合料其余各项性能皆有不同程度的提升。由此可知，选择固含量、总胺量较高的阳离子乳化剂可以使乳化效果更好，提高改性乳化沥青及混合料性能。

5 结论

（1）以SBR 改性剂掺量为唯一变量，综合评价改性乳化沥青蒸发残留物的各项指标，优选得到最佳SBR 改性剂掺量为4.0%。（2）以基质沥青种类为唯一变量，综合评价改性乳化沥青蒸发残留物的各项指标，优选得到国产A 型基质沥青制备的乳化沥青性能更佳。（3）以乳化剂种类为唯一变量，综合评价改性乳化沥青蒸发残留物的各项指标，优选得到进口B 型乳化剂制备的乳化沥青性能更佳。（4）通过将国产A 型基质沥青、进口B 型基质沥青、国产A 型乳化剂以及进口B 型乳化剂两两组合，优选出使用国产A 基质沥青与进口B 型乳化剂（1.6%掺量），在4.0%胶乳掺量下制备SBR 改性乳化沥青的最佳组合。（5）综合分析不同基质沥青、乳化剂组合制备得到的SBR 改性乳化沥青及沥青混合料的各项性能，推荐在SBR 改性乳化沥青生产过程中，采用针入度、软化点、延度指标良好且含蜡量低的基质沥青以及固含量、总胺量较高的阳离子乳化剂。