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采用先乳化后改性方法制备SBR、SBS、水性环氧树脂(WEP)、VAE四种改性乳化沥青，基于改性乳化沥青蒸发残留物针入度、5℃延度、软化点、黏韧性试验确定最佳改性剂掺量，基于室内试验对比分析不同改性乳化沥青及其混合料的性能。结果表明，掺加SBR、SBS、WEP、VAE四种改性剂均可以显著提高乳化沥青的高温性能和黏韧性，并能显著提高乳化沥青混合料的力学性能、路用性能、抗疲劳性能和高温长期稳定性。建议用于乳化沥青改性剂时，SBR、SBS、WEP、VAE四种改性剂用量以不超过5%为宜。
关键词
乳化沥青 | 改性 | 改性乳化沥青混合料 | 性能
低碳、节能、环保沥青路面修建技术一直是公路工程行业的热点和难点[1-3]，以冷拌冷铺沥青混合料替代热拌沥青混合料，具有节约能源、保护环境、降低建设成本低等优势，已成为实现低碳交通的重要途径之一。随着实体工程应用和研究的不断深入，加之使用过程中冷铺冷拌沥青混合料产生的松散、车辙等早发性病害比较普遍，传统的乳化沥青混合料显然已经不能满足极端气候条件和重载交通的需要，工程中对乳化沥青混合料提出了更高的要求，要求乳化沥青低温下具有更强的弹性和塑性，高温下具有更好的稳定性和结构强度，同时要求乳化沥青混合料有更高的粘结强度和耐久性。在此背景下，季节等[4]、张庆等[5]研究了水性环氧树脂改性乳化沥青及其乳化沥青混合料的路用性能与粘附特性。
周卫锋等[6]研究了水性环氧树脂改性乳化沥青的性能，从高温性能考虑，建议水性环氧树脂的最佳掺量为10%。李秀君等[7]研究了水性环氧树脂改性乳化沥青的粘结特性，结果表明，使用水性环氧树脂改性剂可以显著提高乳化沥青的层间粘结性。谢新宇等[8]研究了聚合物改性剂类型对改性乳化沥青性能的影响。张倩等[9]基于宏观性能与微观性状确定了SBR胶乳在SBR改性乳化沥青中的最佳掺量为3.0%~3.5%。本研究分别采用SBR、SBS、WEP、VAE乳液对乳化沥青进行改性，并对4种改性乳化沥青蒸发残留物性能、改性乳化沥青混合料的力学性能、路用性能和耐久性进行对比，研究成果可为冷铺冷补乳化沥青混合料的推广应用和改性剂的选择提供借鉴。
1、试验
试验原材料
基质沥青：辽宁盘锦宝莱生物能源有限公司生产的90#A道路石油沥青，其针入度为86.5(0.1mm)、软化点为47℃，10℃延度大于150cm，性能符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》要求；乳化剂：美德维实伟克CCR-5阳离子慢裂慢凝乳化剂，pH值为5~7，有效固含量为85%；SBS、SBR改性剂胶乳：均由美德维实伟克生产；VAE乳液：CP149型，南京某石化公司生产；水性环氧树脂(WEP)：E56型，其固化剂为胺类固化剂，WEP与固化剂的质量比为10:1。4种改性剂的主要技术性能见表1。水：自来水；集料：石灰岩碎石和石灰岩机制砂，其性能符合JTGF40-2004的要求。为了调节改性乳化沥青混合料的胶浆状态、破乳时间和早期成型强度，在改性乳化沥青中添加了适量的P·O42.5水泥，其性能符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》的要求。
改性乳化沥青的制备
采用先乳化后改性工艺制备改性乳化沥青。固定乳化沥青的固含量为63%，改变SBS、SBR、VEA和WEP的折固掺量分别为乳化沥青质量的1%、2%、3%、4%、5%、6%。改性乳化沥青制备步骤为：
(1)加热基质沥青至150℃，同时加热水至70~80℃；
(2)在热水中加入盐酸，调节pH值至2~3，加入5%乳化剂，搅拌3min至均匀；
(3)开启胶体磨，将乳化剂水溶液加入胶体磨中，缓慢加入基质沥青，保持80~90℃，以4500r/min的速率剪切20min完成乳化沥青制备(不掺改性剂的乳化沥青以下简称普通乳化沥青)；
(4)加入预定质量的乳化沥青改性剂，保持乳液温度为80~90℃，在胶体磨中以1500r/min速率剪切3min，完成改性乳化沥青的制备。经测试，4种改性乳化沥青的1.18mm筛筛余量小于0.5%，蒸发残留物含量大于63%，水煮后改性乳化沥青与集料粘附面积接近100%，且4种改性乳化沥青均未出现凝絮等破乳现象，改性剂胶乳与乳化沥青的配伍性良好。
试验方案
基于针入度评价体系中的25℃针入度、软化点、5℃延度试验、黏韧性试验评价改性乳化沥青残留物的性能。进而采用修正马歇尔法确定改性乳化沥青的最佳乳化沥青用量和最佳拌和用水量，采用常规三大路用性能试验、室内加速加载试验研究不同改性乳化沥青冷再生混合料的路用性能和耐久性。
2、改性乳化沥青蒸发残留物性能
对比分析改性剂种类和掺量对乳化沥青常规性能的影响。采用蒸发法获取改性乳化沥青残留物，控制电热炉加热温度为100℃，保证水分沸腾，同时沥青不老化，最后将改性乳化沥青放入163℃烘箱中30min，确保水分已经完全蒸发。5℃针入度、软化点、5℃延度试验、黏韧性的试验方法按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，试验结果见图1。
由图1可见：
(1)随着SBS、SBR、VAE和WEP掺量的增加，改性乳化沥青残留物的针入度减小，软化点、黏韧性增大；随着SBS、SBR掺量的增加，改性沥青的延度增大，而随着VAE和WEP掺量的增加，改性沥青残留物的延度减小。由此可见，掺加SBS、SBR、VAE和WEP均能显著改善乳化沥青的高温性能；VAE和WEP掺量越大，改性乳化沥青的低温性能越差。
(2)黏韧性是改性沥青试样在拉伸过程中所承受的拉力与拉伸长度的乘积，可以较全面地反映沥青试样的低温拉伸性能。掺入VAE和WEP后，改性沥青蒸发残留物的黏韧性试验结果与5℃延度变化趋势不同，随着VAE和WEP掺量增加，VAE、WEP改性沥青的黏韧性先提高后趋于稳定，表明在延度减小的同时，VAE、WEP改性乳化沥青的拉伸强度不断提高，综合考虑拉伸强度和低温变形能力，VAE和WEP对乳化沥青的低温性能影响不大或略有提高。
(3)相同改性剂掺量下，4种改性乳化沥青残留物针入度的大小排序为：SBR＞VAE＞WEP＞SBS，软化点高低排序为：WEP＞SBS＞VAE＞SBR，5℃延度大小排序：SBS＞SBR＞WEP＞VAE，黏韧性大小排序：SBS＞SBR＞VAE＞WEP，由此可见，WEP对乳化沥青高温性能的改善效果最佳，SBR、SBS对乳化沥青的低温性能的改善作用最明显。
(4)对比不同改性剂掺量下改性乳化沥青的针入度、延度、黏韧性和5℃延度的变化趋势，4种改性剂掺量在5%以内时，随改性剂掺量增加，针入度、延度和黏韧性变化明显；而且当改性剂掺量超过5%时，继续增加改性剂掺量对改性沥青残留物性能影响趋缓，综合考虑性能和工程经济性，4种改性剂的掺量均不宜超过5%，因此以下试验4种改性剂折固掺量均为5%。
3、改性乳化沥青混合料的性能
改性乳化沥青混合料的配合比设计
选用AC-10和AC-5两种矿料级配，合成级配见表2。按照修正马歇尔乳化沥青用量预估公式预估AC-10的最佳改性乳化沥青用量为9.5%，AC-5矿料级配的最佳乳化沥青用量为10.8%。
在拌和乳化沥青冷再生混合料前先加入1.5%水泥与集料干拌60s，再加入乳化沥青，搅拌90s，完成混合料拌和。采用双面各击实50次成型马歇尔试件，不脱模在105℃环境箱中加速养生24h，然后取出马歇尔试件，待试件冷却后再双面各击实25次，完成试件制备。以预估的最佳沥青用量为中值，间隔1%变化5组改性乳化沥青用量成型试件，测试马歇尔稳定度，试验结果见图2。
由图2可知，随着乳化沥青用量的增加，AC-10、AC-5乳化沥青混合料的马歇尔稳定度均呈先增大后减小，以马歇尔稳定度峰值确定乳化沥青冷再生混合料最佳乳化沥青用量，并测试最佳乳化沥青用量下的马歇尔密度和空隙率，结果见表3。
由表3可知：
(1)对于AC-10乳化沥青混合料，普通乳化沥青、SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青、WEP改性乳化沥青、VAE改性乳化沥青的最佳用量分别为9.5%、10.0%、10.5%、10.5%、10.0%，最佳乳化沥青用量下的空隙率介于4.6%~5.7%。对于AC-5乳化沥青混合料，普通乳化沥青、SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青、WEP改性乳化沥青、VAE改性乳化沥青的最佳用量分别为10.5%、11.5%、11.5%、11.5%、10.5%，最佳乳化沥青下的空隙率介于5.9%~6.7%，相比普通乳化沥青混合料，SBR、SBS、水性环氧树脂、VAE改性乳化沥青混合料在最佳乳化沥青用量下的马歇尔稳定度分别提高了35.2%、64.8%、51.9%、22.2%。AC-5、AC-10乳化沥青混合料在最佳乳化沥青用量下的马歇尔稳定度优于DB41/T1280-2016《溶剂型冷补沥青混合料施工技术规范》规定的≥3.0kN要求，同时空隙率满足5.0%~7.5%的要求。
(2)相同改性剂，在最佳乳化沥青用量下，AC-10乳化沥青混合料的马歇尔稳定度大于AC-5乳化沥青混合料。
(3)相同混合料类型，马歇尔稳定度大小排序：SBS改性乳化沥青混合料＞WEP改性乳化沥青混合料＞SBR改性乳化沥青混合料＞VAE改性乳化沥青混合料＞普通乳化沥青混合料。
力学性能
试验采用AC-10矿料级配，在最佳乳化沥青用量下成型试件，养生结束后基于劈裂强度试验、无侧限抗压强度试验、动态压缩模量试验、贯入剪切试验研究不同改性乳化沥青混合料的强度特性。试验方法参照JTGE20-2011、JTGD50-2017进行，试验结果见表4。
由表4可知，4种改性乳化沥青的劈裂强度、抗压强度、动态压缩模量和贯入剪切强度均高于普通乳化沥青混合料。
1种改性乳化沥青中，以SBS和WEP改性乳化沥青混合料的力学性能最好，其次为SBR改性乳化沥青混合料，VAE改性乳化沥青混合料的力学性能相对最差。与普通乳化沥青混合料相比，掺加SBS、SBR、WEP和VAE改性剂后，4种改性乳化沥青混合料的劈裂强度分别提高了47.4%、107%、78.9%、26.3%，抗压强度分别提高24%、49.4%、61.9%、16.4%，动态压缩模量分别提高了17.4%、29.6%、41.9%、11.5%，贯入剪切强度分别提高了14.7%、48.4%、59%、6.4%，表明使用改性沥青能显著提高乳化沥青混合料的力学性能。
4种改性乳化沥青混合料的动态压缩模量达到了9200~11700MPa，与JTGD50-2017推荐的常用沥青混合料20℃条件下动态模量取值范围7500~11500MPa较接近，60℃贯入剪切强度大于0.8MPa，抗压强度达到了4.12~5.73MPa，改性乳化沥青冷拌冷铺混合料的力学性能达到了热拌沥青混合料的水平。
路用性能
按照JTGD50-2015规范要求，采用60℃车辙试验、-10℃低温弯曲试验和浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价乳化沥青混合料的三大路用性能。试验方法按照JTGF40-2004进行，结果见表5。
由表5可知：
(1)车辙试验结果表明，普通AC-10、AC-5乳化沥青混合料的动稳定度分别为2687、1556次/mm，表现出了良好的高温性能。对于AC-10矿料级配，掺加SBR、SBS、WEP和VAE后，相比普通乳化沥青混合料动稳定度提高了20%、100.4%、156.7%、54.7%；对于AC-5矿料级配，掺加SBR、SBS、WEP和VAE后，相比普通乳化沥青混合料动稳定度分别为提高了50.8%、164.3%、243.6%、123.4%。
表明矿料级配越细，相应的改性沥青混合料高温性能越差，掺加改性剂对AC-5乳化沥青混合料高温性能改善效果优于AC-10乳化沥青混合料。4种AC-10改性乳化沥青混合料的动稳定度达到3224~6898次/mm，其中以WEP对乳化沥青混合料高温性能的改善效果最佳(6898次/mm)，其次为SBS、VAE，SBR改性沥青混合料的高温性能相对最差，但也达到3224次/mm。因此，对高温性能要求严苛的地区，应优考虑采用WEP改性乳化沥青混合料。
(2)低温弯曲试验结果表明，SBS、SBR改性乳化沥青混合料的弯曲应变均达到3000με以上，具有优良的低温抗裂性能，相同试验条件下AC-5比AC-10具有更好的低温抗裂性能，乳化沥青混合料的整体柔韧性良好，SBS、SBR改性AC-5砂砾式乳化沥青混合料可作为应力吸收层使用。相比普通乳化沥青混合料，掺加SBR、SBS、WEP和VAE后，AC-5、AC-10改性乳化沥青混合料的弯拉强度和弯曲应变均有明显提高，说明这4种改性剂对乳化沥青混合料的低温性能均有一定的改善作用。
(3)水稳定性试验结果表明，5种乳化沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度均大于85%，冻融劈裂强度比均大于80%，尤其是掺加SBS、SBR、WEP和VAE后改性乳化沥青混合料的冻融劈裂强度比和马歇尔残留稳定度均达到90%以上，4种改性乳化沥青混合料均表现出优良的水稳定性，可应用于多雨湿热地区沥青路面冷铺罩面工程。
高温长期稳定性
采用南非进口的MMLS1/3试验设备模拟行车荷载对乳化沥青混合料的疲劳损伤作用。MMLS1/3试件厚80mm，试验温度60℃，接地压强0.7MPa，试验胶轮加载速率为7.2km/h，不同加载次数下试验胶轮轮迹正下方的车辙深度发展规律试验结果见图3。
由图3可知：
(1)随着胶轮加载次数增加，5种乳化沥青混合料在试验荷载作用下的产生的车辙深度持续增大，与此同时，车辙增长速率逐渐减小，加载5万~10万次后，车辙深度随加载次数增大速度趋缓，此时车辙发展进入稳定迁移期。
(2)相同加载次数下，改性乳化沥青冷再生混合料的车辙变形量明显小于普通乳化沥青冷再生混合料，其中SBS、WEP改性乳化沥青混合料的车辙变形量相对最小，同时稳定迁移期车辙增长速率也较小。
试验过程中，5种乳化沥青混合料并未出现明显的松散或产生较大裂纹，表现出了优良的抗疲劳耐久性能。加载120万次时，SBR、SBS、WEP、VAE改性乳化沥青混合料的车辙变形量比普通乳化沥青混合料分别降低了32.3%、55.1%、49.2%、43.9%，可见掺加4种改性剂均能显著改善乳化沥青混合料在高温持续荷载作用下的长期稳定性，4种改性乳化沥青混合料在高温持续荷载作用下的抗变形稳定性高低排序为：SBS＞WEP＞VAE＞SBR。
(1)掺加SBR、SBS、WEP、VAE四种改性剂均能显著提高乳化沥青的高温性能。SBS、SBR能显著改善乳化沥青的低温性能，WEP和VAE对乳化沥青的低温性能改善不明显或略有负面影响，综合考虑乳化沥青蒸发残留物的性能和工程经济性，建议用于乳化沥青改性剂时，SBR、SBS、WEP、VAE四种改性剂的掺量均以不超过5%为宜。
(2)SBR、SBS、WEP、VAE四种冷拌冷铺改性乳化沥青混合料的力学性能和路用性能均可达到热拌沥青混合料相同技术性能。建议将SBS、WEP和VAE改性乳化沥青混合料应用于南方潮湿、高温多雨地区，SBR改性乳化沥青可用于我国北方等寒冷地区。
(3)掺加SBR、SBS、WEP、VAE均可显著提高乳化沥青混合料的高温长期稳定性，4种改性乳化沥青混合料在高温持续荷载作用下的抗疲劳耐久性和抗变形稳定性高低排序为：SBS＞WEP＞VAE＞SBR。
全文完。首发于《新型建筑材料》2020年4月。作者简介：苑敏，女，1971年生，副教授。地址：河北省邢台市桥西区钢铁北路552号邢台职业技术学院建筑工程系
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