王志超 吕艳艳 杨国明 邹媛丽

摘      要：考察了SBR胶乳掺量对改性乳化沥青乳化性能及蒸发残留物基本性质、流变性质的影响，并对蒸发残留物显微结构形态进行了观察。SBR的加入对改性乳化沥青乳化性能影响较小。随着SBR胶乳掺量的增大，蒸发残留物软化点升高、延度增大、针入度降低，通过流变分析，其高低温性能均得到改善。在显微镜下，随着掺量的增大，SBR颗粒在沥青中分布逐渐密集，掺量达到5%后，出现聚集成网状结构趋势。

关  键  词：SBR胶乳;改性乳化沥青;乳化性能;残留物性质;流变分析

中图分类号：TQ 522.65       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）06-1186-05

Abstract： The effect of SBR latex content on the emulsifying properties，the basic properties and rheological properties of modified emulsified bitumen were investigated. The microstructure and morphology of the evaporated residue were observed. The results showed that the addition of SBR had little effect on the emulsifying performance of modified emulsified asphalt. With the increase of the SBR latex content，the softening point of the evaporation residue increased，the ductility increased and the penetration decreased， and the high and low temperature performance both were improved. Under the microscope， with the increase of the SBR content， the distribution of SBR particles in the asphalt gradually increased. When the content reached 5%， the network structure appeared.

Key words： SBR latex; Modified emulsified asphalt; Emulsifying properties; Properties of the residue; Rheological analysis

隨着交通量日益增长，公路行业对路面要求越来越高。在很多情况下，普通乳化沥青已经无法满足沥青路面的使用要求，因而对改性乳化沥青需求逐渐增大。改性乳化沥青作为一种新型的道路材料，与普通乳化沥青相比，具有无可比拟的性能优势，应用广泛，在常温下既可喷洒使用，用作封层、透层、黏结层等，又可与集料拌和，用于微表处、稀浆封层、碎石封层等[1，2]。其中，SBR胶乳改性乳化沥青[2]具有改善乳化沥青与集料的黏结性能、改善乳化沥青高低温性能、感温性能、制备工艺相对简单等优点，日益受到重视。国外研究人员通过研究SBR胶乳改性乳化沥青的流变特性，发现在线性粘弹区，聚合物的加入明显改善了改性乳化沥青残留物的刚度和弹性。而由于乳化剂、胶乳等材料性能的较大差异性，国内对于乳化沥青残留物的流变性能重视不足，乳化沥青标准体系中也未增加残留物流变性能的指标，无法为生产和应用提供技术理论支撑。

本文主要对SBR改性乳化沥青进行了研究，考察了SBR胶乳掺量对乳化沥青性能的影响。从粒度、黏度、稳定性三个方面考察了SBR改性乳化沥青乳化性能;从三大基本指标考察了改性乳化沥青蒸发残留物基本性质，从沥青动态力学角度[3]对沥青蒸发残留物的复数模量（G*）、储存模量（G'）、损失模量（G''）、相位角（δ）等黏弹性指标进行了考察，以对其高温性质进行评价;从低温角度考察了改性乳化沥青残留物弯曲蠕变劲度及蠕变速率，以评价其低温抗开裂能力;并从微观角度对乳化沥青残留物显微结构形态[4]进行了观察，并与沥青性质进行了关联。

1  实验部分

1.1  原料

基质沥青为中海油绥中36-1 AH-70（后文简称中海70），其基本性质和组成如表1所示。皂液调制使用的是自来水和盐酸，乳化剂及SBR胶乳均来自国内某公司。

1.2  改性乳化沥青的制备

采用德国Hebert Rink胶体磨制备改性乳化沥青。称取一定量乳化剂加入到水中溶解，加入盐酸调节pH值为2，加入一定量SBR胶乳，加热至50 ℃待用。先用热水预热胶体磨，加入皂液，随后在搅拌下慢慢加入已升温至130 ℃沥青，加入完成后，在胶体磨中乳化1 min，停机，取出乳化沥青，并迅速降至室温。

1.3  性能评价

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0656-1993、T0623-1993规范分别测定乳化沥青稳定性和25 ℃赛波特黏度，利用HX204快速水分测定仪测定乳化沥青固含量。利用LS 13320型激光粒度仪对乳化沥青的粒度分布进行分析。

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0651-1993、T0604-2011、T0605-2011、T0606-2011规范进行乳化沥青蒸发残留物试验，并分析乳化沥青蒸发残留物的针入度、软化点和延度。

采用美国TA公司AR2000EX动态剪切流变仪对乳化沥青蒸发残留物的流变性质进行分析，取1 g沥青置于25 mm平行板上，降低平行板高度至间距为1 050 μm，用热刮刀修边，降低距离至1 000μm，进行温度扫描和频率扫描实验，控制应变10%，角速度10rad/s，温度扫描范围为58～88 ℃，频率扫描范围为0.1～100 rad/s;采用美国cannon公司TE-BBR-F沥青弯曲梁流变仪对乳化沥青蒸发残留物低温性质进行分析，温度为-18、-12 ℃。

采用奥林巴斯BX51型荧光显微镜观察SBR在乳化沥青蒸发残留物中的形态，常温下观察，放大倍数为100倍。

2  结果与讨论

2.1  乳化性能

在相同制备工艺下，控制SBR改性乳化沥青固含量均在62%左右，如表2所示。从改性乳化沥青1 d及5 d稳定性可以看出，制备的乳化沥青稳定性较好，SBR胶乳的加入未对改性乳化沥青的稳定性产生影响。这可以从乳化沥青粒度分布中得到解释，如图1所示为静置1 d后改性乳化沥青颗粒分布图，随着SBR胶乳掺量的变化，粒度图峰形变化不大，平均粒径均在2μm左右，绝大部分颗粒分布在10μm以下，颗粒粒径较小，因此乳化沥青稳定性较好。而改性乳化沥青黏度也未因SBR胶乳的加入而发生明显变化。这表明掺量在本实验范围内时，SBR胶乳的加入未对改性乳化沥青乳化性能产生明显影响。

按规范制备改性乳化沥青蒸发残留物，并对其常规性能指标进行评价，结果如表3所示。软化点、针入度、延度分别评价其高温性能、软硬程度和低温性能。随着胶乳掺量的增大，蒸发残留物针入度降低，软化点升高，在掺量为5%下，软化点提高接近20 ℃，高温性能改善明显。在5 ℃下，基质沥青低温延度脆断，在掺量达到3%以上后，延度均大于100 cm，SBR的加入极大地改善了乳化沥青的低温性质。这表明，SBR的加入对乳化沥青的高低温性能均有较大的提高。

2.3  乳化沥青蒸发残留物黏弹性能

物体在外力作用下既产生弹性变形，又表现出黏性流动变形的性质，称为黏弹性性质，沥青是一种典型的黏弹性材料。储存模量G'表征材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量，损耗模量G''表征材料在形变过程中因黏性形变而以热的形式损耗的能量，|G*|为绝对模量[5]，车辙因子G*/sinδ反应沥青材料的抗永久变形能力。

图2为不同SBR掺量下G'和G''温度扫描结果。由图2可知，G'和G''随SBR掺量的增加均呈增大趋势，且在高温区更加明显。相同温度下G''大于G'，说明在56～84 ℃范围内，SBR胶乳改性乳化沥青蒸发残留物的黏性成分大于弹性成分，但随着胶乳掺量的增加，两者之间差距逐渐减。在同一SBR胶乳掺量下，随着温度升高，G'和G''均减小，且两者之间的差距逐渐增大，说明其高温性能得到较大改善（图3）。

Superpave规范中定义了车辙因子G*/sinδ以表征沥青的高温抗车辙能力，G*/sinδ越大表示抗车辙能力越强。由图4可知，随着SBR胶乳掺量的增大，车辙因子增大，且随着掺量增大，其抗车辙能力增加较多。

图5为不同SBR胶乳掺量的乳化沥青蒸发残留物G'和G''随频率的变化。由图5可知，在测定频率范围内，G'和G''均随频率增加而增加，相同频率下，G''大于G'，低频范围内两者相差较大，随着频率增加，两者差距减小。掺量在3%、5%条件下其模量远大于0%、1%条件下，高温性质得到改善。

2.4  乳化沥青蒸发残留物低温流变特性

用弯曲梁流变仪来测量沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的劲度。若沥青材料的劲度太大，则呈现脆性，路面容易開裂破坏，而表征沥青劲度随时间的变化率m值越大，则意味着当温度下降使路面产生收缩时，结合料的响应如同降低了劲度的材料，从而导致材料中的拉应力减小，低温开裂的可能性也会随之减小[6]。

图6为不同温度下SBR胶乳掺量对乳化沥青蒸发残留物弯曲蠕变劲度影响。如图6所示，在同一温度下，随着SBR胶乳掺量的增大，其蠕变劲度逐渐减小，说明其柔性增加，抗开裂能力增强，但掺量增加到3%后，基本不再发生变化。当温度降低，蠕变劲度均增大，但随着掺量增大，增幅降低，低温性质得到改善。

图7为不同温度下SBR胶乳掺量对乳化沥青蒸发残留物蠕变速率的影响。随着SBR胶乳掺量的增大，m值逐渐增大，并且在-18 ℃下趋势更加明显，说明SBR的加入极大提高了沥青在低温下的抗开裂能力。

2.5  乳化沥青蒸发残留物微观形态

SBR改善沥青高低温性能机理主要是物理共混作用[7]。在高温下，SBR弹性模量大于沥青弹性模量，SBR的这种加强作用提高了高温下沥青的性能。在低温下，沥青的流动性能降低，变脆变硬。SBR粒子分散于连续相的沥青中，形成“分散相软、连续相硬”的共混体系，从而具有较好的低温抗裂性能[8]。

在未加入SBR胶乳前，由于所用乳化剂中含有一定荧光基团，出现少量荧光颗粒。随着SBR胶乳掺量的增大，荧光性颗粒分布逐渐密集，当SBR掺量达到5%后，有部分SBR颗粒聚集生成较大的颗粒。从显微镜观察来看，掺量在5%以下时，未发生相转变，沥青仍为连续相，SBR颗粒为分散相，较为均匀的分布在沥青中。随着SBR胶乳掺量的提高，SBR在沥青中分布越来越密集，从而对沥青高低温性能的改善逐渐提高。

3  结 论

（1）SBR胶乳的加入未对改性乳化沥青的乳化性能影响较小。在SBR胶乳掺量为5%以下时，乳化沥青粒度、黏度、稳定性均未发生较大变化。

（2）随着SBR胶乳掺量的增大，乳化沥青蒸发残留物软化点升高，针入度降低，低温延度大幅提高。

（3）SBR胶乳改性乳化沥青蒸发残留物动态力学分析表明，在同一温度下，随着SBR胶乳掺量的增大，G'和G''均增大，相位角减小，车辙因子增大，高温性能提高;在同一SBR胶乳掺量下，随着温度升高，G'和G''均减小，且两者之间的差距逐渐增大，随着频率增大，G'和G''均增大。

（4）在一定温度下，随着SBR胶乳掺量的增大，沥青蠕变劲度降低，蠕变速率增大，改性乳化沥青低温性质得到改善。

（5）随着SBR胶乳掺量的增大，SBR颗粒在沥青中分布逐渐密集，掺量达到5%后，出现聚集成网趋势。

参考文献：

[1] 王红，韩冬.改性乳化沥青的发展和应用概况[J]. 石油沥青，2006，20（5）：1-6.

[2] 荀武举， 吴长龙， 申凯华， 等. 一种新型阴离子乳化沥青的研制[J]. 当代化工， 2016， 45（2）：231-233.

[3] 冯雷雷，樊君，刘洪海. 丁苯胶乳改性乳化沥青的制备及其性能[J]. 石油炼制与化工，2009，40（3）：56-60.

[4] 张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M]. 北京：人民交通出版社，2006：143-146.

[5] 樊亮，马士杰，林江涛，等. 荧光显微分析技术在沥青研究中的应用[J]. 公路工程，2011，36（6）：70-73.

[6] 陈华鑫，王秉纲. SBS改性沥青的动态力学性能[J]. 华南理工大学学报 （自然科学版），2007，35（7）：37-40.

[7] 封基良.沥青BBR小梁试验的流变分析[J]. 武汉理工大学学报交通科学与工程版，2006，30（2）：205-208.

[8] 郭晓艳. SBR胶乳改性沥青机理的研究[J]. 石油沥青，2000（3）：11-17.

[9] 陈宪宏，孙立夫.SBR改性乳化沥青的研究[J]. 湖南科技学院学报，2007， 28（4）：110-112.