桥面防水粘结层高粘复合改性剂的开发及性能分析

李豪，王笑风，杨博，万晨光，刘建飞

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

目前，较为成熟的乳化沥青改性剂主要包括：水性环氧树脂、SBR、SBS、EVA 和CR 等，但是随着交通荷载的日益繁重，单一的沥青改性技术难以满足多种性能同时兼顾的问题，难以适应多样化、高性能的道路使用、养护需求。由多种单一性能胶乳复配而成的复合改性剂技术越来越得到广泛应用。

目前，市场上复合改性剂材料来源较少，性能参差不齐，对厂家有很高的依赖性，并且掺量较高，例如日本常用的TPS改性剂在固含量50%的基质沥青中掺量高达到13%，部分厂家在复合改性剂中加入水和增稠剂等组分，有效成分降低。本试验依托桥面防水粘结层工程，开发出一种桥面防水粘结层高粘复合改性剂，并对其进行性能分析测试。

1 试 验

1.1 控制指标

对于高粘改性沥青作为桥面防水粘结层材料选择软化点、延度和60 ℃动力黏度等作为主要控制指标[1-2]，为避免防水粘结层材料沾粘后续施工车辆和热拌沥青混合料造成防水粘结层流淌，要求防水粘结层材料具备一定的软化点；较高的延度保证防水粘结层材料低温下具备不开裂的性能；60 ℃动力黏度表示沥青材料在外力作用下抵抗剪切变形的能力。同时作为桥面防水粘结层等路面结构，粘结强度关系到路面的使用年限。由于载荷、环境等原因，不同地域的控制指标差异很大。根据不同规范规定，同时结合河南地区桥面铺装的温度区间在0～60 ℃以及超、重载现象严重的实际情况，对高粘改性沥青作为防水粘结层材料具有严格的性能要求。基于以上分析，高粘改性沥青的部分性能控制指标如表1 所示。

表1 高粘改性沥青的主要技术指标

1.2 试验原料

（1）基质乳化沥青：基质沥青为阳离子喷洒型中裂AH-70 沥青，技术指标如表2 所示。

表2 基质乳化沥青的技术指标

（2）高粘复合改性剂：试验室自制，制备所需的原材料水性SBS、SBR 和CR 胶乳等均为市购。市场普通改性剂：聚合物改性乳胶，阳离子型，上海缔富实业。

1.3 试验方法

（1）称取试验方案所需质量的水性SBS、SBR、EVA 和CR胶乳，在常温下混合；开动搅拌设备，设定转速为800 r/min，充分搅拌，制得高粘复合改性剂。

（2）称取试验所需质量的基质乳化沥青和高粘复合改性剂，在常温下混合；开动搅拌剪切设备，设定转速为800 r/min，充分剪切，制得高粘复合改性乳化沥青。

（3）高粘复合改性乳化沥青的软化点、延度和60 ℃动力黏度等常规指标根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行测试。

（4） 高粘复合改性乳化沥青的粘结强度根据GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》进行测试，复合件剪切和拉拔强度根据JCT 975—2005《道桥用防水涂料》进行测试。

（5）高粘复合改性剂的粒径分布、在沥青中的分布状况分别由激光粒度分析仪和荧光显微镜测得。

2 高粘复合改性剂组分比例优化

2.1 正交试验设计

高粘复合改性剂由多种胶乳复配而成，考虑到不同原材料对沥青的改性效果具有很大差异，选取不同的原材料掺量对主要性能的影响进行正交试验。本研究以软化点、5 ℃延度和粘结强度（23 ℃，1.0 kg/m2）作为考察指标，通过初步试验选择水性SBS、SBR 和CR 胶乳掺量（相对基质乳化沥青的掺量）为考察因素，采取L9（33）进行正交试验，因素水平见表3。

表3 高粘复合改性剂优化正交试验因素水平

2.2 正交试验结果分析

正交试验设计及极差、方差分析如表4 所示。

表4 正交试验结果分析表

2.2.1 对沥青软化点的影响

由表4 可知，3 种因素对软化点的影响顺序依次为SBS掺量＞CR 掺量≈SBR 掺量，即SBS 掺量对软化点提升起主要作用。方差分析结果中，3 种因素F 值依次为FA＞FB＞FC，相对SBR 和CR，SBS 掺量影响较为显著，与极差分析结果一致。这是由于SBS 是由聚苯乙烯段和聚丁二烯段组成的嵌段共聚物，聚苯乙烯段在聚丁二烯连续相中构成网状结构，而嵌段共聚物作为整体在沥青中又作为分散相形成连续的网络结构，这种网络结构能显著提高沥青的高低温稳定性能。

2.2.2 对沥青延度的影响

由表4 可见，SBR 掺量对5 ℃延度的影响比SBS 掺量和CR 掺量明显，SBS 掺量增加，大幅提高软化点的同时，对5 ℃延度起到抑制作用。3 种因素对延度的影响顺序为SBR 掺量＞SBS 掺量＞CR 掺量，保证较理想延度需在提高SBR 掺量的同时严格限制SBS 掺量。

2.2.3 对沥青粘结强度的影响

作为防水粘结层材料，重要的作用是将混凝土桥面板和沥青混凝土面层连结成一个整体，确保在行车载荷环境下桥面铺装结构不发生移动。因此，具备足够的粘结强度是桥面防水粘结材料的重要性能指标。由表4 分析发现，SBS、SBR 和CR 掺量对粘结强度的影响依次为CR 掺量＞SBS 掺量≈SBR掺量，即CR 掺量起主要作用。方差分析中，FC＞FA＞FB，相对SBS 和SBR，CR 对材料粘结性能具有显著影响，与极差分析结果一致。

2.2.4 高粘复合改性剂配比确定

根据高粘改性剂正交试验结果，SBS、SBR 和CR 各组分相对乳化沥青掺量分别为2%、3%和2%时，沥青的软化点为80 ℃、5 ℃延度为67 cm、粘结强度（23 ℃，1.0 kg/m2）为0.84 MPa，各项指标均较好，符合性能指标要求。因此，初步确定高粘复合改性剂各组分配比为m（SBS）∶m（SBR）∶m（CR）=2∶3∶2。

3 高粘复合改性剂掺量的影响分析

按照确定的各组分配比，配制高粘复合改性剂，分别在基质乳化沥青中添加1%、3%、5%、7%、9%和11%的高粘复合改性剂，制备不同掺量的高粘复合改性沥青样品，进行主要指标的变化分析。根据各指标变化趋势确定改性剂合适的掺量。

3.1 改性剂掺量对沥青软化点的影响（见图1）

由图1 可见，随改性剂掺量的增加，高粘改性乳化沥青的软化点显著升高，二者呈线性相关，其线性拟合曲线如式（1）所示。改性剂掺量为11%时软化点高达90 ℃。

图1 改性剂掺量对沥青软化点的影响

3.2 改性剂掺量对5 ℃沥青延度的影响（见图2）

由图2 可见，随着高粘改性剂掺量的增加，沥青的5 ℃延度先增大后减小，掺量5%时延度达到最大，超过100 cm。高粘改性剂掺量较少时，难以起到改善作用；高粘改性剂掺量较高时，对延度起到抑制作用，并且难以成型试件。5 ℃延度迅速增加后又迅速降至接近为0。对5 ℃延度随改性剂掺量变化趋势进行拟合如式（2）所示。

3.3 改性剂掺量对沥青60 ℃动力黏度的影响

（见图3）

由图3 可见，随高粘改性剂掺量的增加，改性剂中的SBS、SBR 等聚合物交联程度提高，沥青的60 ℃动力黏度迅速增大，且增长速度越来越快。高粘改性剂掺量为11%时，60℃动力黏度高达8×105Pa·s，改性沥青具有优异的高温稳定性，发生变形能力变小，对60 ℃动力黏度随改性剂掺量变化趋势进行拟合，见式（3）所示。

根据拟合公式（1）、（2）、（3），计算出改性剂掺量为5%～8%时，沥青的软化点为70～80 ℃、5 ℃延度大于60 cm、60 ℃动力黏度为2.0×105～6.0×105Pa·s。表明改性剂掺量为5%～8%的高粘复合改性沥青具有优异的高温稳定性、低温抗裂性能等，满足作为防水粘结层材料的性能要求。

4 不同洒布量下的粘结性能分析

剪切和拉拔试验是通过成型混凝土桥面板-防水粘结层-混合料面层的3 层次结构试件，最大程度模拟真实桥面结构。因此，选择剪切和拉拔试验评价高粘乳化沥青作为防水粘结层材料时的粘结性能。选择改性剂掺量为7%的高粘改性沥青进行0.6、0.8、1.0 和1.2 kg/m2洒布量下的复合件剪切和拉拔试验，试验如图4 所示，测试结果如图5 所示。

图4 复合件的剪切和拉拔试验

由图5 可见，随高粘改性沥青洒布量的增加，复合件的剪切和拉拔强度呈先提高后降低的趋势。沥青喷洒量为0.6～1.0 kg/m2时，剪切和拉拔强度随沥青洒布量的增加越来越高，均在1.0 kg/m2时达到最高，分别为1.2、0.6 MPa；沥青洒布量超过1.0 kg/m2以后，随沥青洒布量的增加，强度逐渐降低。主要是由于当高粘乳化沥青喷洒量较小时，未将层间完全充满，无法提供足够的粘结力；而当超过复合件所需洒布量时，多余的沥青会在高温下软化，在层间形成类似润滑剂作用，导致层间抵抗变形能力减弱，复合件的拉拔和剪切强度开始下降。

5 储存稳定性分析

胶乳中由于粒径过大或粒经分布不均，会导致胶乳体系产生奥斯瓦尔德熟化、胶乳颗粒发生团聚、沉降等物理现象，而这些物理现象导致胶乳中的平衡体系遭到破坏现象[3-4]。高粘复合改性剂由多种不同体系高分子乳液复配而成，稳定性对其尤为重要。通过激光粒度分析仪分析高粘复合改性剂粒径分布，并和市场普通改性剂进行对比，粒径分布测试结果如图6 所示。

由图6 可见，高粘复合改性剂的D50为0.460 μm，小于市场普通改性剂D50粒径（0.792 μm），粒径越小，改性剂各组分渗透效果越好，易于分散，使高粘复合改性剂对乳化沥青具有更好的改善性能。高粘复合改性剂粒径为0.32～0.83 μm，远小于市场普通改性剂0.51～1.67 μm，相同条件下，高分子化合物乳液颗粒下沉速度和粒径相关，乳液粒径越大，储存越不稳定。与市场普通改性剂相比，高粘复合改性剂具有优异的储存稳定性。

将储存2 月的2 种改性剂进行粒度分析，结果如图7 所示。

图7 的试验结果进一步验证了这一规律：高分子复合胶乳粒径分布范围越窄，储存稳定性越好。粒径较小的高粘复合改性剂几乎未发生任何变化，粒径较大的市售普通改性剂发生严重的团聚现象，粒径最大达39 μm。

高粘复合改性剂中的SBS 组分在荧光显微镜下能够激发出黄绿色的荧光，从而与乳化沥青混合后，可有效分辨两者的分布状态。将贮存7 d 掺量50%的高粘改性乳化沥青样品进行荧光显微分析，结果如图8 所示。

由图8 可见，在放大10 倍条件下，高粘改性剂中的SBS组分在沥青中均匀分布；在放大40 倍条件下，乳化沥青和SBS乳液颗粒稳定存在，显示出高粘改性剂与基质乳化沥青具有优异的储存稳定性能。

6 结 论

（1）通过正交试验设计，高粘复合改性剂中各组分的优化配比为m（SBS）∶m（SBR）∶m（CR）=2∶3∶2。

（2）高粘复合改性剂相对乳化沥青掺量为5%～8%时，沥青的软化点为70～80 ℃，延度大于60 cm，60 ℃动力黏度为2.0×105～6.0×105Pa·s，满足作为防水粘结层材料的性能需求。

（3）掺量7%的高粘改性沥青喷洒量在1.0 kg/m2时具有最高的剪切和拉拔强度，分别为1.2、0.6 MPa。

（4）激光粒度分析仪和荧光显微镜测试发现，高粘复合改性剂粒径比市场普通改性剂小，渗透效果更好，不发生团聚，储存稳定性更好；且改性剂中的SBS 组分在乳化沥青中沥青中均匀分布，与乳化沥青能够稳定混溶。