岩沥青/SBR复合改性乳化沥青的制备与性能研究

何青云,苏兴赛,江晓晓,陈艳艳,王宁

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450000)

普通乳化沥青低温性能和高温性能较差,很难满足施工技术要求。改性乳化沥青在微表处及稀浆封层应用比较广泛,也常用于公路损害的修补,常用的乳化沥青改性剂有SBR和SBS乳胶两种[1-3]。SBR改性乳化沥青制备工艺简单,低温抗变形性能显著,高温和黏结性能不好;SBS改性乳化沥青对生产设备和工艺要求比较高,其高温性能和耐疲劳性较好,低温性能一般[4]。

岩沥青作为一种天然沥青,因其长时间与大自然共同生存,经历风吹日晒、细菌和微生物等的侵蚀,形成了较稳定的性质[5]。岩沥青具有矿物成分、软化点和沥青含量高的特点,常用来作为提升沥青的高温性能和抗剪切变形性能。

因此,采用合适的制备工艺,选取岩沥青和SBR为改性剂,研究改性乳化沥青高低温性能和黏度的影响,通过其与乳化沥青、SBR改性乳化沥青3种乳化沥青对比分析,得出复合改性乳化沥青具有更佳的综合性能。

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

本试验采用郑州市郑发市政有限公司提供的70#沥青,测试该沥青,符合规范要求,基质沥青技术指标见表1。选用LT-CMK5型乳化剂,其主要性能指标见表2。本文选用盐酸来调节pH值,稳定剂选用氯化钙,水选用郑州市自来水。本文所用的是西安某公司的SBR阳离子丁苯胶乳,其技术指标如表3所示。伊朗岩沥青外观呈黑色粉末,沥青含量高、灰分含量较低,用来改性乳化沥青比较合适,其技术指标如表4所示。

表1 基质沥青主要性能指标

表2 乳化剂技术指标

表3 SBR乳胶性能指标

表4 岩沥青技术指标

1.2 试样制备

本论文选用边乳化边改性的制备方法,其中油水体积比58∶45,乳化剂掺量2.0%、皂液pH值调至2.0～2.5,稳定剂掺量0.2%。SBR乳胶掺量为5%,伊朗岩沥青掺量为3%。

1)将基质沥青放在140 ℃烘箱内加热,直至能自由流动后备用。2)在烧杯中加入一定量75 ℃左右的水,加入称量好的氯化钙,用玻璃棒搅拌直至水中无沉淀物。待水溶液凉至65 ℃左右时加入乳化剂,用胶头滴管取适量的盐酸至乳液中调至酸碱度2～3待用。3)开启胶体磨,依次将制备好的皂液和基质沥青缓慢注入其中。4)将加热至180 ℃伊朗岩沥青慢慢加入胶体磨中,随后将SBR乳胶(或SBR乳胶单掺)也加入其中,充分剪切后得到改性乳化沥青。乳化沥青的制备同上面步骤1)、2)、3)。

2 试验方法

2.1 基本性能试验

为了较好地反映改性乳化沥青的性能好坏,对3种不同乳化沥青的蒸发残留物三大指标、布氏黏度进行试验测试,对1 d和5 d储存稳定性也进行试验测定,分析3种乳化沥青的高低温性能和储存稳定性。

2.2 动态剪切流变试验

采用DSR测定沥青流变参数,对3种乳化沥青试样的剪切模量G*、相位角δ、车辙因子G*/sinδ随温度变化而变化进行分析,研究3种乳化沥青的高温性能。

3 结果与分析

3.1 蒸发残留物性能试验

3种乳化沥青蒸发残留物的三大指标试验结果如表5所示。

表5 三种乳化沥青残留物的基本性能指标

由表5得出:复合改性乳化沥青的针入度比SBR改性乳化沥青降低了11.23%,比乳化沥青低17.14%,这表明复合改性乳化沥青抵抗剪切变形能力较好;其软化点较SBR改性乳化沥青提高了19.93%,比乳化沥青提高了40.61%,表明岩沥青和SBR乳胶的掺入在很大程度上提高了乳化沥青的高温性能,这是因为SBR乳胶和岩沥青在乳化沥青中形成了一个黏聚力极大、极其稳定的浆体形状;复合改性乳化沥青的延度比SBR改性乳化沥青低49.6%,较未改性乳化沥青提高了60%,表明岩沥青的加入削弱了乳化沥青低温性能,因为伊朗岩沥青在低温状态下容易变脆导致延展性能变差。

由表6可以看出,在相同的温度下,岩沥青/SBR复合改性乳化沥青的布氏黏度值越大。在100 ℃时,复合改性乳化沥青的布氏黏度值较乳化沥青增加了10.27倍,比SBR改性乳化沥青提高了7.15倍。这表明岩沥青和SBR的加入显著提高了乳化沥青残留物的布氏黏度值,有利于提升乳化沥青的高温性能。

表6 3种乳化沥青的蒸发残留物黏度值

3.2 储存稳定性能分析

三种乳化沥青试样1 d、5 d的储存稳定性结果如表7所示。由表7可知:加入SBR乳胶和伊朗岩沥青对乳化沥青1 d和5 d储存稳定性会产生不利影响,与乳化沥青相比,复合改性乳化沥青较优。

表7 三种乳化沥青储存稳定性

3.3 高温流变性能分析

3种不同乳化沥青在不同温度下的相位角、复数剪切模量及车辙因子的变化见图1。

图1 三种乳化沥青的复数剪切模量、相位角、车辙因子

由图1可知:1)随着温度的升高,乳化沥青、SBR改性乳化沥青和复合改性乳化沥青3种试样的G*逐渐减小,δ逐渐增大,G*/sinδ逐渐减小。由图1(a)可以看出,3种沥青的升降趋势基本相同,但在相同的温度下,复合改性乳化沥青的剪切模量G*高于乳化沥青和单掺改性乳化沥青,温度为52 ℃时,乳化沥青、单掺改性乳化沥青和复合改性乳化沥青的G*分别是8.63,10.27,13.87 kPa,复合改性乳化沥青比乳化沥青提高了60.72%,比单掺改性乳化沥青提高了35.05%,这表明岩沥青/SBR的加入增强了乳化沥青高温抗剪切变形能力,比其余两种乳化沥青抗剪切变形能力好。2)由图1(b)可以看出,随着温度的升高,3种乳化沥青相位角δ递增,在相同的温度下,复合改性乳化沥青的δ最低,例如,在温度为52 ℃时,复合改性乳化沥青相位角为77.63°,单掺改性乳化沥青相位角为80.51°,未改性乳化沥青相位角为83.81°。说明岩沥青和SBR的加入增加了乳化沥青的黏性成分和弹性成分,提高了乳化沥青的黏弹性能。3)由图1(c)可以得出,3种乳化沥青的G*/sinδ随着温度升高逐渐降低。在相同温度下,复合改性乳化沥青的G*/sinδ最高,单掺改性乳化沥青其次,乳化沥青最低。在64 ℃时,复合改性乳化沥青的G*/sinδ为3.47 kPa,SBR改性乳化沥青的G*/sinδ为2.48 kPa,乳化沥青的G*/sinδ为1.58 kPa,复合改性乳化沥青比乳化沥青增加了1.89 kPa,比SBR改性乳化沥青提高了0.99 kPa。这说明岩沥青和SBR的掺入可以提高乳化沥青的抗车辙变形能力,增强了乳化沥青的高温性能。以上表明,岩沥青和SBR的加入可以有效提高乳化沥青的高温性能。

4 结论

本研究选取SBR乳胶和伊朗岩沥青为改性剂,成功制备了SBR乳胶(掺量为3%)与岩沥青(掺量为5%)复合改性乳化沥青、单掺SBR(掺量为3%)改性乳化沥青、未改性的乳化沥青,进行了试验测定。试验结果表明:

1)复合改性乳化沥青与乳化沥青、SBR改性乳化沥青相比,蒸发残留物的针入度降低、软化点和布氏黏度值升高,在100 ℃时,布氏黏度值是乳化沥青的10.27倍。这说明岩沥青和SBR乳胶的加入改善了乳化沥青的抗剪切变形性能和高温性能;延度较SBR改性乳化沥青低,说明岩沥青的加入削弱了SBR改性乳化沥青的低温性能,但仍能满足规范要求。

2)加入改性剂之后,乳化沥青1 d和5 d的储存稳定性有所降低,但都满足规范要求。加入SBR乳胶和岩沥青,比单掺SBR乳胶的储存稳定性好。

3)DSR试验中,在相同温度下,复合改性沥青的剪切模量高于单掺改性乳化沥青和未改性乳化沥青,其相位角最小,车辙因子最高,这表明复合改性剂的加入使乳化沥青中弹性成分和黏性成分增加,有更好的抗车辙变形能力,乳化沥青的高温性能得到了显著的提升。