粘层用复合改性乳化沥青制备及层间性能研究

宋家楠

(辽宁新发展公路科技养护有限公司 沈阳市 110103)

0 引言

应用于路面养护和路面层间粘结的乳化沥青粘层材料，以施工便利和节约能耗等优点被广泛使用。传统的乳化沥青固含量在50%～60%之间，有效沥青量较少，当作为结构层间的粘结材料使用时，在车辆行驶产生的剪切力作用下极易出现道路结构层间的滑移、脱离，进而促使路面整体承载力下降，因此高性能道路粘层用改性乳化沥青的研究越来越被业内人士重视。周力博[1]自制一种水性聚氨酯改性粘层材料，该材料可以显著提升粘层材料层间抗剪强度。张丰雷等[2]通过对自制的水性聚氨酯改性乳化沥青进行常规性能、荧光和红外光谱分析发现，水性聚氨酯改性剂能同时对沥青进行物理改性和化学改性。李俊禧等[3]通过研究制备一种水性聚氨酯和SH溶液复合改性的乳化沥青，该改性乳化沥青有较好的高温稳定性和低温抗裂性，但SH溶液低温性能改善有限。

水性聚氨酯因其有活泼的异氰酸酯基(-NCO)和氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)而使其具有优异的粘结力[4]，由于水性聚氨酯的分散介质是水，所以甲酸酯基团能够依附水分子并均匀地分散到乳化沥青中并最终发挥粘结作用，又由于聚氨酯的化学键(-NHCOO-)具有软段硬段循环重复的特性[5]，所以硬段的存在使乳化沥青的高温指标得到提升但低温指标却起了负面影响。SBR乳液的主要成分是丁苯橡胶，它是一种高分子弹性体材料，能有效改善乳化沥青的低温性能。介绍一种水性聚氨酯与SBR乳液复合改性的粘层用乳化沥青，这种改性乳化沥青既保持较好的高、低温性能，又有更优异的粘结性能。

1 材料与设备

1.1 材料

本试验主要原材：水性聚氨酯选用万华化学集团生产的脂肪族水性聚氨酯产品；沥青为辽宁盘锦的北沥牌90#基质沥青，普通乳化沥青乳化剂使用辽宁路通化学有限公司生产的RN-90阳离子快裂乳化剂； SBS改性沥青为辽宁新发展公路科技养护有限公司生产的SBS-IC型改性沥青，改性乳化沥青乳化剂选用源荣化工生产的E-106型阳离子中快裂型乳化剂；SBR乳液为山东显元化工生产的EL-1型阳离子胶乳，基质沥青和SBS改性沥青的主要指标见表1。

表1 沥青技术指标及检测结果

1.2 设备

乳化沥青加工设备包括：上海越平公司生产的PHS-25型酸度计；昆山金珂华电子有限公司生产的JM3002型电子天平；山东大山路桥公司制造的Ds-ECM型乳化沥青实验机。

2 基本性能试验

2.1 样品制备

普通乳化沥青和改性乳化沥青制备过程基本相同，主要步骤为加热沥青，用乳化剂、水、添加剂制备皂液，热沥青和皂液加入到乳化沥青实验设备中，并按比例混合后通过胶体磨剪切和研磨制备成乳化沥青产品。由于普通乳化沥青和改性乳化沥青制备时沥青和乳化剂均不同，制备过程中沥青和皂液的加热温度、皂液的酸碱度、胶体磨的转速等操作过程根据乳化剂使用说明书进行调整。

水性聚氨酯改性乳化沥青和水性聚氨酯与SBR乳液复合改性乳化沥青(下文简称复合改性沥青)是将水性聚氨酯改性剂单独或与SBR乳液复合添加到普通型粘层用乳化沥青中混合均匀后制得。

2.2 技术性能试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的规定，对乳化沥青样品进行技术性能检测，结果见表2。

表2 粘层用乳化沥青检测结果

(1)稳定性

从筛上剩余量和贮存稳定性试验结果可知，水性聚氨酯改性乳化沥青和复合改性乳化沥青的稳定性很好，说明所选水性聚氨酯与不同类型的乳化沥青有很好的和易性和相溶性。

(2)高低温性能

沥青的三大指标中，沥青材料的高温稳定性能是用软化点来表征的，结果越高其抵抗高温变软性能越优秀。延度指标表示试验条件下沥青的变形能力，表征沥青的低温抗裂性能，从表2中蒸发残留后的三大指标试验结果可知，改性后的样品2至样品5的高温稳定性能明显优于样品1，即优于普通乳化沥青，其中样品3、样品4和样品5的高温稳定性能要优于样品2，即普通SBS改性乳化沥青，样品3、样品4和样品5的高温性能随水性聚氨酯掺量的增加而增高。表2中的延度结果也显示，水性聚氨酯改性或水性聚氨酯参与的复合改性乳化沥青的低温抗裂性能弱于SBS改性乳化沥青，且水性聚氨酯掺量为10%的样品其低温性能明显比掺量为5%的样品差，即聚氨酯掺量越多沥青的低温抗裂性越差，这是因为SBS是苯乙烯-丁二烯嵌段共聚的橡胶弹性体，而水性聚氨酯是重复的有机化学键(-NHCOO-)形成具有软硬段的共聚物，硬段嵌段物对沥青高温性能奉献正能量，但对低温抗裂性能起负作用，因此样品3、样品4和样品5的低温性能差于样品2，同时样品3、样品4和样品5的低温抗裂性能随聚氨酯含量增加而下降的原因也是由于硬段含量增加造成的。SBR胶乳也叫丁苯橡胶乳液，作为一种液态橡胶，它的弹性可以增加沥青的低温性能，由于SBR没有SBS的嵌段空间网络结构，对沥青的高温性能不起作用，因此将SBR与水性聚氨酯共同复合改性乳化沥青，两种改性剂作用取长补短，得到的复合改性乳化沥青具有满意的高低温性能。

3 抗拉与抗剪切试验

3.1 试件制备

制作AC-10密级配沥青混凝土马歇尔试件若干，根据工程经验，将各乳化沥青样品按0.9kg/m2涂布量均匀涂抹于马歇尔试件一侧平面上，当样品破乳时，将两块马歇尔试件上下垂直放置，将涂油面相互黏结并压实，之后将已粘接的试样置于60℃烘箱中恒温6h左右，待乳化沥青完全破乳后取出置于室温下冷却后待用，图1为抗拉与抗剪切试验试件样品制备过程。

图1 抗拉与抗剪试验试件制备

3.2 试验方法

对于路面粘层材料层间粘结力的抗拉强度与抗剪强度检测，目前国内外技术文献无统一的规范标准，本研究抗拉试验和抗剪切试验使用北京航天科宇测试仪器有限公司出品的路面层间粘结力拉拔试验仪和路面层间直剪试验仪进行检测，见图2、图3。

图2 路面层间粘结力拉拔试验

图3 路面层间直剪试验

抗拉试验是在试件两端加载垂直于粘结面的正应力，抗剪试验是在试件上加载与粘结面平行的剪切应力，抗拉试验和抗剪切试验可以模拟路面层间结构在车辆荷载作用下的受力状态。抗拉强度和抗剪强度按下式(1)、式(2)计算。

R=F拉/S

(1)

τ=F剪/S

(2)

式(1)、式(2)中：R为粘层材料抗拉强度(MPa)；τ为粘层材料抗剪强度(MPa)；F拉为抗拉试验试件破坏时最大荷载(N)；F剪为抗剪试验试件破坏时最大荷载(N)；S为抗拉与抗剪试验受力面积(mm2)。

3.3 试验结果与分析

按照试验方案进行抗拉和抗剪切试验，试验结果见表3和图4。从试验结果可知5个乳化沥青样品中，样品2至样品5的改性乳化沥青，其路面层间粘结性能，即抗拉强度与抗剪强度优于普通粘层用乳化沥青样品1；而在改性的乳化沥青样品2至样品5中，水性聚氨酯改性的乳化沥青，即样品3至样品5的粘结性能又优于普通SBS改性乳化沥青，不同掺量的水性聚氨酯改性乳化沥青其粘结性能随聚氨酯掺量的增加而增强，这种现象也证明聚氨酯材料可以很好地融于乳化沥青中并发挥其 “胶水”的特性，考虑乳化沥青基本性能和经济性，水性聚氨酯改性乳化沥青中聚氨酯掺量为5%时，其路面层间既有优良的粘结性能，又有很好的低温抗裂性；从样品3和样品4结果还可知，SBR胶乳对粘层油乳化沥青的层间粘结性能没有作用，结合前文分析，SBR胶乳只对乳化沥青低温抗裂性能有很好的帮助。

表3 抗拉与抗剪切试验检测结果

图4 抗拉与抗剪切试验检测结果对比图

4 结语

(1)水性聚氨酯和SBR胶乳作为改性剂可以很好地与粘层用乳化沥青相溶，复合改性后的粘层用乳化沥青既有很好的高温稳定性能又有一定的低温抗裂性能。

(2)水性聚氨酯和SBR胶乳作为改性剂共同复合改性的粘层用乳化沥青时，两种改性剂性能互补，这种复合改性乳化沥青可以大幅提升路面层间结构的抗拉强度和抗剪强度。

(3)考虑工程造价及综合性能，水性聚氨酯和SBR胶乳复合改性的乳化沥青中，水性聚氨酯掺量不宜高于5%。