基于结晶水合物发泡的SBS改性沥青微观发泡降粘及其物理与流变性能

《Polymers》：Micro-Foamed-Based Viscosity Reduction of SBS-Modified Asphalt and Its Physical and Rheological Properties Peifeng Cheng, Aoting Cheng, Yiming Li, Rui Ma and Youjie Chen

本研究提出了一种基于含高结晶水的无机化合物（如Na2SO4·10H2O等）的微发泡技术，用于降低SBS改性沥青（SBS-modified asphalt）的粘度，从而实现温拌沥青（WMA， Warm-Mix Asphalt）的低能耗施工。研究发现，该技术能在短时间内实现可逆的物理降粘，使施工温度降低10–15%，并在60分钟内保持稳定的降粘效果。相比未发泡的SBS改性沥青，微发泡沥青（MFPA， Micro-Foamed Asphalt）的相容性、抗车辙（rutting resistance）及疲劳寿命（fatigue life）分别提升了约65%、32%和30%，同时展现了更优的抗老化性能。这为克服传统机械发泡或沸石/乙醇基发泡的局限性，提供了一种可靠且环境友好的新型低粘度沥青材料制备方案。

　　

1. 引言

SBS改性沥青因其优越的路用性能和耐久性，广泛应用于高等级路面。然而，其固有的高温粘度需要更高的拌合与压实温度，这不仅增加了能耗和温室气体排放，也对施工人员健康构成风险。温拌沥青（WMA）技术能够将施工温度降低20–30 °C，成为过去十年全球道路建设的重要解决方案之一，其中发泡技术占据了WMA生产的约76.5%。尽管如此，传统机械发泡沥青依赖专用设备，参数控制严格，且高温高压条件可能加速沥青老化；而使用沸石或乙醇等水性发泡方法则存在发泡性能变异性大、运输施工存在潜在风险等缺点。因此，本研究探索利用结晶水含量高且固定（55.9–63.0%）、无VOCs、来源广泛且热化学行为稳定的无机水合物（如Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O和Na₂CO₃·10H₂O）进行微发泡的可行性，旨在开发一种工艺简单、性能可控、可持续的SBS改性沥青降粘技术。

2. 材料与方法

本研究所用材料包括来自辽宁盘锦的AH-90基质沥青和星型SBS 792改性剂。三种结晶水合物Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O和Na₂CO₃·10H₂O作为发泡剂，分别制备了三种微发泡SBS改性沥青（MFPA），分别命名为NS-10H、PS-12H和CS-10H。其制备流程为：先将基质沥青加热至120°C，随后分别添加1.0%、3.0%、5.0%和7.0%的微发泡材料，在160°C、1000 rpm下初步搅拌以诱导发泡效应，然后缓慢加入3.0 wt%的SBS，再将搅拌速度升至2000 rpm保持10分钟，最后在160°C下以4000 rpm高速剪切20分钟。为了评估沥青在运输、拌合铺筑以及使用过程中的老化，分别进行了旋转薄膜烘箱试验（RTFOT， Rolling Thin-Film Oven Test）和压力老化容器试验（PAV， Pressure Aging Vessel）。

研究采用了多种方法进行系统评估：物理性能测试（针入度、软化点、延度）用于评价基本物理性质；发泡性能测试通过测量最大膨胀比（ER_max）、半衰期（HL, half-life）和发泡指数（FI, foamed index）来表征；粘度-温度分析用于评估降粘效果及耐久性；此外，还通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉伸粘附试验、扫描电镜（SEM， Scanning Electron Microscopy）和荧光显微镜（FM， Fluorescence Microscopy）分析了发泡剂对沥青化学性质、界面粘附和相容性的影响。在流变性能评估方面，利用动态剪切流变仪（DSR， Dynamic Shear Rheometer）、弯曲梁流变仪（BBR， Bending Beam Rheometer）测试了沥青的高温、低温及疲劳性能，并对气泡演化行为进行了形态分析，最终阐明了结晶水合物诱导微发泡的机理。

3. 主要结果与发现

3.1 发泡特性

研究结果表明，利用高结晶水含量的无机水合物在SBS改性沥青中热解释放H₂O和CO₂进行微发泡，是一个短期、可逆的物理降粘过程。制备的MFPA表现出优异的发泡特性：其最大膨胀比（ER_max）达到8–10，半衰期（HL）稳定在约180秒，发泡指数（FI）峰值约为1160。这些数据表明，所选发泡剂能在沥青中产生稳定且持久的微发泡结构。

3.2 物理与降粘性能

掺入微发泡材料后，MFPA的施工温度可降低10–15%，且降粘效果在60分钟内保持稳定。与未发泡的SBS改性沥青相比，MFPA的相容性（基于荧光显微镜观察到的SBS分布）、抗车辙因子（基于DSR测试）和疲劳寿命（基于线性振幅扫描LAS测试）分别提升了约65%、32%和30%。这表明微发泡过程不仅没有损害SBS改性沥青的固有优势，反而在一定程度上增强了其高温性能和抗疲劳能力。

3.3 流变与耐久性能

在短、长期老化条件下，MFPA展现了更好的抗老化能力。具体而言，与老化的SBS改性沥青相比，MFPA的抗车辙能力提升了37%，抗疲劳性能改善了30%，而其低温性能（基于BBR测试的蠕变劲度S和m值）基本保持不变。这一发现意义重大，说明微发泡技术能在降低施工温度的同时，有效保持甚至改善沥青在服役期的长期性能。

3.4 微观形态与机理

通过SEM和FM观察发现，结晶水合物颗粒在沥青中均匀分散，其热分解释放的气体形成了大量微米级气泡。这些微小气泡在沥青基体中起到了“滚珠”效应，降低了沥青的内摩擦，从而实现粘度下降。同时，微发泡过程并未显著破坏SBS的聚合物网络结构，从而保证了材料整体的力学性能。

4. 结论

综上所述，本研究成功开发并评估了基于三种高结晶水含量无机水合物的SBS改性沥青微发泡技术。该技术通过温和可控的释气过程，实现了显著的施工温度降低和稳定的粘度下降，同时提升了沥青混合料的相容性、高温抗车辙性能和抗疲劳寿命。尤其在抗老化方面表现出色。这项工作为克服现有发泡沥青技术的局限性，开发更环保、性能更可靠的温拌沥青材料提供了新的思路和技术路径。