牛曉偉，王永維，王文峰，韓　超，王仁輝，吳　昊

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112）

?

乳化瀝青殘留物獲取方法對(duì)比研究

牛曉偉1,2，王永維1,2，王文峰1,2，韓超1,2，王仁輝1,2，吳昊1,2

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112）

摘要：文章對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外乳化瀝青殘留物不同的獲取方法，結(jié)果表明：與其他獲取瀝青殘留物的方法相比，低溫蒸發(fā)法能夠最大程度地避免高溫給乳化瀝青性能檢測(cè)帶來(lái)的影響；建議針對(duì)不同類型、不同乳化劑的樣品，應(yīng)當(dāng)設(shè)置不同的低溫蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)時(shí)間，同時(shí)為了減少蒸發(fā)時(shí)間，建議采用破乳劑以快速獲取乳化瀝青殘留物。

關(guān)鍵詞：乳化瀝青殘留物；低溫蒸發(fā)法；性能測(cè)試

隨著公路事業(yè)的蓬勃發(fā)展和現(xiàn)代交通通行及運(yùn)輸壓力的不斷加大，許多服役期的高速公路過(guò)早地出現(xiàn)了病害，甚至一些新建的道路也出現(xiàn)了早期病害。為此，國(guó)內(nèi)外研究專家采取了一系列預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和路表處治措施，如稀漿封層、微表處、超薄磨耗層以及超薄罩面技術(shù)等。其中乳化瀝青可以有效降低瀝青的黏度和施工溫度，具有節(jié)約能源、降低成本、使用方便、用途廣泛、施工季節(jié)長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

乳化瀝青殘留物的性能是評(píng)價(jià)乳化瀝青性能的關(guān)鍵指標(biāo)。研究表明，殘留物的三大指標(biāo)、彈性恢復(fù)、粘韌性及韌性、60 ℃動(dòng)力黏度等性能指標(biāo)與乳化瀝青的路用性能具有良好的相關(guān)性［1］。為獲取這些指標(biāo)參數(shù)，須先要準(zhǔn)確獲取能夠代表乳化瀝青實(shí)際路用效果的乳化瀝青殘留物，但目前對(duì)乳化瀝青殘留物獲取方式上沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外都有各自的標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的側(cè)重點(diǎn)不同，如ASTM D244標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于蒸發(fā)殘留物含量的測(cè)定，SH/T0099.4側(cè)重于殘留物性能的測(cè)定，這給乳化瀝青性能評(píng)價(jià)帶來(lái)了極大的困難［2-4］。除此之外，以高溫蒸發(fā)或蒸餾獲取乳化瀝青殘留物的方式，相當(dāng)于對(duì)乳化瀝青進(jìn)行了一次老化，在一定程度上給乳化瀝青殘留物的檢測(cè)帶來(lái)偏差［5-7］。鑒于此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外乳化瀝青殘留物的獲取方法進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青殘留物進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。

1　國(guó)內(nèi)外乳化瀝青殘留物獲取方法

脫除乳化瀝青中的水分是獲得乳化瀝青殘留物的必要條件不同的國(guó)家和組織有著不同的脫水方法，主要有直接加熱蒸發(fā)法、蒸餾法、烘箱加熱蒸發(fā)法和低溫蒸發(fā)法。

直接加熱蒸發(fā)法為我國(guó)和日本所采用，具體方法為將300±l g乳化瀝青置于電爐或燃?xì)鉅t（放有石棉墊）上緩緩加熱，邊加熱邊攪拌，其加熱溫度不應(yīng)致乳液溢濺，直到確認(rèn)試樣中的水分已安全蒸發(fā)（通常需20~30 min）；然后在163±3.0 ℃下加熱1 min，稱量計(jì)算出瀝青含量，求出其蒸發(fā)殘留物占乳液的百分比，即得到固含量值。直接加熱蒸發(fā)獲取乳化瀝青殘留物的方法簡(jiǎn)便易行，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求不高，但受試驗(yàn)人員的主觀影響較大［8］。

蒸餾法中比較有代表性的是美國(guó)ASTM D244中提及的蒸餾法和低溫減壓蒸餾法［9-10］。其中D244蒸餾法是將200 g改性乳化瀝青倒入特制的鋁合金容器中，在260 ℃的溫度下蒸餾15 min（對(duì)于改性乳化瀝青，蒸餾溫度降為204 ℃），從而實(shí)現(xiàn)乳化瀝青中水與瀝青的分離。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程從開(kāi)始加熱到蒸餾結(jié)束需要60±15 min的時(shí)間，是目前美國(guó)在測(cè)試乳化瀝青殘留物含量及殘留物性質(zhì)時(shí)，應(yīng)用最為廣泛的一種方法。但是由于采用的蒸餾溫度較高，如果控制不好很容易造成乳化瀝青殘留物的老化。D244低溫減壓蒸餾法是在D244蒸餾法的基礎(chǔ)上對(duì)蒸餾設(shè)備進(jìn)行改裝，附加減壓裝置，在較低的溫度（135 ℃）條件下蒸餾60 min。由于附加了減壓裝置，使得該方法對(duì)操作過(guò)程的控制程度要求更高［11］。

烘箱加熱蒸發(fā)法主要有ASTM D244所規(guī)定的蒸發(fā)法和美國(guó)加利福尼亞州的方法［12］。D244規(guī)定的蒸發(fā)法是取4個(gè)容量為1 000 mL的燒杯，分別倒入攪拌均勻的乳液50±0.1 g；然后放入溫度已升至163±2.8 ℃的烘箱中加熱2 h，取出并徹底攪拌，再放入烘箱中加熱1 h后取出，進(jìn)行殘留物的指標(biāo)測(cè)定。美國(guó)加利福尼亞州的方法是取乳化瀝青40±0.1 g，在118 ℃條件下保溫30 min，然后升溫到138 ℃保溫1.5 h，攪拌，再在138 ℃條件下保溫1 h，將獲得的殘留物制成相關(guān)的試件，測(cè)試相應(yīng)殘留物性質(zhì)指標(biāo)。相對(duì)于直接加熱蒸發(fā)法，烘箱加熱蒸發(fā)法對(duì)蒸發(fā)的溫度和時(shí)間進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，減少了因加熱溫度和時(shí)間控制不一致給試驗(yàn)帶來(lái)的操作誤差。但是為保證乳化瀝青的水分能夠在相對(duì)較低的溫度下完全蒸發(fā)，所需要的蒸發(fā)時(shí)間就必然有所延長(zhǎng)，導(dǎo)致試驗(yàn)效率有所降低。

低溫蒸發(fā)主要有歐洲EN 13704-02低溫蒸發(fā)法，其方法是將適量（1.5~2.0 kg/m2，用量根據(jù)后期殘留試驗(yàn)用量確定）的乳化瀝青傾倒于不粘的托盤(pán)中，先于室溫下放置24±1 h；然后置于50±2 ℃烘箱中再放置24±1 h，冷卻至室溫后移出托盤(pán)，再行測(cè)試其性能［13］。美國(guó)AASHTO PP72-11低溫蒸發(fā)法又具體提出2種低溫蒸發(fā)獲取乳化瀝青殘留物的方法，其中一種方法與歐洲EN 13704-02低溫蒸發(fā)法較為相似，區(qū)別在于：（1)它規(guī)定了托盤(pán)材質(zhì)為硅膠盤(pán)；（2)規(guī)定先在25 ℃下放置24 ±1 h，然后置于60 ℃烘箱放置24±1 h；（3)冷卻至室溫的時(shí)間規(guī)定為1 h。另一種方法則是提出將樣品傾倒于硅膠盤(pán)后先行涂布均勻，然后在60 ℃的強(qiáng)制鼓風(fēng)烘箱中放置6 h±15 min，從烘箱中取出后使用玻璃或金屬棒緊貼試樣邊緣，使其在15 min內(nèi)降至室溫［14］。

綜合以上國(guó)內(nèi)外乳化瀝青殘留物獲取方法分析可以看出：目前各國(guó)廣泛采用的乳化瀝青殘留物獲取方法的獲取溫度均較高，為避免高溫對(duì)乳化瀝青殘留物可能帶來(lái)的不利影響，各國(guó)都在積極研究較低溫度下獲取殘留物的試驗(yàn)方法。

2　低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青殘留物

2.1試驗(yàn)樣品

為進(jìn)一步對(duì)低溫蒸發(fā)獲取乳化瀝青殘留物試驗(yàn)方法的適用性進(jìn)行研究，本文選擇同一基質(zhì)瀝青（韓國(guó)SK70號(hào)基質(zhì)瀝青）分別制備了5種不同類型乳化瀝青，分別采用我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范方法（T0651—1993）和美國(guó)AASHTO PP72-11低溫蒸發(fā)法對(duì)其進(jìn)行殘留物獲取與性能測(cè)試。表1為樣品信息。

表1　樣品信息

2.2低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青殘留物試驗(yàn)方法

將乳化瀝青樣品倒在半徑113 mm，壁厚2 mm，深8 mm的圓形硅膠盤(pán)內(nèi)（見(jiàn)圖1），用抹刀涂布均勻，形成覆蓋率約1.5~2.0 kg/m2的乳化瀝青膜。將托盤(pán)連同盛有乳化瀝青試樣的硅膠盤(pán)一起置于已恒溫至25±2 ℃的強(qiáng)制鼓風(fēng)烘箱內(nèi)，保持24±1 h；然后轉(zhuǎn)入已恒溫至60±2℃的強(qiáng)制鼓風(fēng)烘箱內(nèi)，保持24±1 h，從烘箱中取出后冷卻1h，將獲得的殘留物制成試件測(cè)其性能指標(biāo)。

圖1　硅橡膠圓盤(pán)（左）和涂覆的樣品（右）

2.3乳化瀝青殘留物性能測(cè)試

本文擬對(duì)乳化瀝青在低溫蒸發(fā)方式下的殘留物的軟化點(diǎn)、針入度、延度和60 ℃黏度進(jìn)行性能測(cè)試，其中蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)按照瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)（環(huán)球法）方法（T0606—2011）進(jìn)行測(cè)試；針入度按照瀝青針入度試驗(yàn)方法（T0604—2011）進(jìn)行；延度按照瀝青延度試驗(yàn)方法（T0605—2011）進(jìn)行測(cè)試。60 ℃黏度按照瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)（布洛克菲爾德黏度計(jì)法）方法（T0625—2011）進(jìn)行測(cè)試。

3　結(jié)果與討論

3.1乳化瀝青殘留物的性能對(duì)比

按照2種不同方法（我國(guó)規(guī)范方法T0651—1993和低溫蒸發(fā)法AASHTO PP72—11）獲取上述5種乳化瀝青的殘留物，測(cè)試其三大指標(biāo)和60 ℃黏度，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，（1)無(wú)論何種類型乳化瀝青，其殘留物性能60 ℃粘度均不同于原基質(zhì)瀝青，表明乳化瀝青殘留物中殘存的乳化劑對(duì)殘留物性能有著不同程度的影響［15］?？紤]到本文不同類型乳化瀝青所用的乳化劑不同，為合理分析，后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比均是針對(duì)各不同殘留物獲取方法之間進(jìn)行比較。需要說(shuō)明的是試驗(yàn)結(jié)果均是多次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。（2)對(duì)于普通乳化瀝青，采用低溫蒸發(fā)法所獲得的殘留物與規(guī)范法相比均呈現(xiàn)出軟化點(diǎn)升高，針入度和延度下降的趨勢(shì)；對(duì)于陽(yáng)離子改性乳化瀝青，兩種獲取方法所得殘留物的軟化點(diǎn)相同，但低溫蒸發(fā)法所得殘留物的針入度和延度亦呈下降趨勢(shì)。（3)對(duì)于普通乳化瀝青，采用低溫蒸發(fā)法獲取的殘留物60 ℃黏度值，較規(guī)范方法有明顯升高，尤其是中裂型陰離子乳化瀝青，60 ℃黏度升高了接近3倍；但是對(duì)于陽(yáng)離子改性乳化瀝青，其60℃黏度卻下降了76.7%。這可能是因?yàn)門(mén)0651—1993規(guī)范方法中的蒸發(fā)時(shí)間相對(duì)較短（20~30 min），而低溫蒸發(fā)法雖然蒸發(fā)溫度較低，但是處理時(shí)間較長(zhǎng)（60 ℃亦需處理24±1 h）；隨著水分的蒸發(fā)，瀝青中的輕質(zhì)組分也會(huì)隨之揮發(fā)，使得殘留物中重質(zhì)組分的比例相對(duì)增多，即乳化瀝青殘留物亦發(fā)生了部分老化，從而導(dǎo)致殘留物的軟化點(diǎn)升高，針入度和延度下降。同時(shí)，由于蒸發(fā)溫度較低，采用低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青殘留物時(shí)，極易造成乳液體系中少量水分的殘留。瀝青顆粒之間的少量水分因乳化劑的存在而橋接，使得體系形成“瀝青-水分（乳化劑）-瀝青”的嵌段結(jié)構(gòu)，由于整個(gè)體系的分子體積中加入了結(jié)合水，導(dǎo)致殘留物平均分子量有所增大，體系的黏度隨之上升。而對(duì)于改性乳化瀝青，由于體系中添加有SBR膠乳，隨著水分的脫除，SBR膠粒亦會(huì)隨瀝青殘留下來(lái)，成為SBR改性瀝青，因此其殘留物性質(zhì)也就更為復(fù)雜。

表2　不同方法所得乳化瀝青殘留物的三大指標(biāo)

3.2低溫蒸發(fā)法所獲殘留物的殘留水

采取低溫蒸發(fā)獲取的殘留物能夠最大程度地避免高溫給乳化瀝青性能檢測(cè)帶來(lái)的影響，但低溫蒸發(fā)使得乳化瀝青中水分的蒸發(fā)變得緩慢。為考察低溫蒸發(fā)法操作時(shí)體系中的水分是否蒸發(fā)完全，同時(shí)為了避免改性乳化瀝青改性劑對(duì)蒸發(fā)量的影響，對(duì)1#、2#、4#和5#普通乳化瀝青樣品，在不同蒸發(fā)時(shí)間下的殘留質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試的前24 h溫度設(shè)置為恒溫25 ℃，后續(xù)的試驗(yàn)溫度為60 ℃，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出樣品在25 ℃放置的前24 h，蒸發(fā)出的水量占整個(gè)水分蒸出量的86.9%~93.2%；在60 ℃繼續(xù)放置24 h，蒸發(fā)出的最大水量可上升至96.5%~98.2%；最終試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，殘留物中還留有1.8%~3.5%的殘留水分。相比于4#、5#樣品，陽(yáng)離子乳化瀝青1#和2#在前24 h這個(gè)階段水分蒸發(fā)的速度較快，蒸發(fā)量較多，分析原因是殘留水分的多少與樣品類型和乳化劑類型有關(guān)。與陽(yáng)離子乳化劑相比，陰離子乳化劑可借助分子親水基（羧基、磺酸基、硫酸基等）中較多的氧原子而通過(guò)氫鍵締合結(jié)合更多的水分子，并且占據(jù)了更大的空間，因此低溫蒸發(fā)時(shí)，陰離子乳化瀝青中的水就更難去除，從而也就體現(xiàn)出更大的黏度。因此針對(duì)不同類型、不同乳化劑的樣品，應(yīng)當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定不同的低溫蒸發(fā)時(shí)間。

采取低溫蒸發(fā)獲取殘留物能夠最大程度地避免高溫給乳化瀝青性能檢測(cè)帶來(lái)的影響，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采取延長(zhǎng)蒸發(fā)時(shí)間后仍然有一小部分殘留水分沒(méi)有完全蒸發(fā)。目前課題組已通過(guò)向乳化瀝青中添加合適的破乳劑和低溫蒸發(fā)相結(jié)合的方式快速地獲取乳化瀝青殘留物的含量和性能檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在較低溫度下快速地獲取乳化瀝青的殘留物，同時(shí)又避免了加熱或高溫對(duì)殘留物性能檢測(cè)試驗(yàn)的影響。然而乳化瀝青的品種多樣，要采用破乳劑和低溫蒸發(fā)相結(jié)合的方式作為快速的獲取乳化瀝青殘留物的含量和性能檢測(cè)的試驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還需大量的試驗(yàn)樣本和數(shù)據(jù)的支持。

圖2　不同蒸發(fā)時(shí)間下乳化瀝青蒸發(fā)量

4　結(jié)論

（1）低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青殘留物時(shí)，雖然蒸發(fā)溫度較低，但是時(shí)間較長(zhǎng)，乳化瀝青殘留物亦會(huì)發(fā)生部分老化，從而導(dǎo)致殘留物的軟化點(diǎn)升高，針入度和延度下降。

（2）低溫蒸發(fā)法獲取乳化瀝青殘留物時(shí)，由于整個(gè)體系的分子體積中加入了結(jié)合水，導(dǎo)致殘留物平均分子量有所增大，體系的黏度上升。

（3）相比較直接加熱蒸發(fā)法、蒸餾法、烘箱加熱蒸發(fā)法來(lái)獲取瀝青殘留物的方法，低溫蒸發(fā)獲取殘留物能夠最大程度地避免高溫給乳化瀝青性能檢測(cè)帶來(lái)的影響。

（4）建議采用破乳劑和低溫蒸發(fā)相結(jié)合的方式獲取乳化瀝青殘留物，并根據(jù)乳化劑類型的不同確定不同的低溫蒸發(fā)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

［1］肖晶晶，蔣瑋，王振軍．改性乳化瀝青殘留物性能檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)體系研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（14）：70-74.

［2］孔憲明，劉國(guó)祥．乳化瀝青殘余物獲取方法解析［J］．石油瀝青，2004，18（6）：19-22.

［3］王毅，杜菲，黃震．不同蒸發(fā)溫度對(duì)乳化改性瀝青的性質(zhì)影響［J］．山西建筑，2010，36（19）：156-157.

［4］常玉艷，裴建軍，姚德宏．兩種乳化瀝青蒸發(fā)殘留物含量測(cè)定法的比較［J］．石油瀝青，2004，18（6）：49-43.

［5］Transportation Research Circular E-C122. TRB Asphalt Emulsion Technology：Review of Asphalt Emulsion Residue Procedures ［R］. 2007.

［6］Waters J C，Bosma G M， Herrington P R. Residual Binder Extraction from Emulsions for Quality Assurance Testing［R］. New Zealand Transport Agency，2008.

［7］D7497—09 Practice for Recovering Residue from Emulsified Asphalt Using Low Temperature Evaporative Technique［S］. 2009.

［8］JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］．

［9］ASTM D244-09 Standard Test Methods and Practices for Emulsified Asphalts［S］.

［10］ASTM D6997-04 Standard Test Method for Distillation of Emulsified Asphalt［S］.

［11］ASTM D7403-09 Standard Test Method for Determination of Residue of Emulsified Asphalt by Low Temperature Vacuum Distillation［S］.

［12］ASTM D6934-08 Standard Test Method for Residue by Evaporation of Emulsified Asphalt［S］.

［13］BS 2000-493：2002 Petroleum products-Bitumen and bituminous binders-Recovery of binder from bitumen emulsions byevaporation ［S］.

［14］AASHTO PP72-11 Recovering Residue from Emulsified Asphalt Using Low-Temperature Evaporative Techniques［S］.

［15］劉國(guó)祥，孫景偉，林元奎，等．乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度與黏度［J］．新型建筑材料，2006（12）：18-20.

Research on Obtaining Methods for Asphalt Emulsion Residues

Niu Xiawei1，2， Wang Yongwei1，2， Wang Wenfeng1，2， Han Chao1，2， Wang Renhui1，2， Wu Hao1，2
（1. JSTI Group， Nanjing 211112， China； 2. National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials， Nanjing 211112， China）

Abstract:In this paper， different obtaining methods for asphalt emulsion residues are discussed. The results show that comparing with other obtaining methods， low temperature evaporation method can avoid the effects of high temperature on emulsified asphalt test. It was suggested that different evaporative temperature and time should be set for different asphalt emulsions using varied emulsifiers and demulsifier should be used to reduce the evaporation time and obtain emulsified asphalt residue quickly.

Key words:asphalt emulsion residue； low temperature evaporation method； performance test

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672–9889（2016）03–0001–04

收稿日期：（2016-03-10）

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2014319775130）；江蘇省自然科學(xué)基金（青年基金）（項(xiàng)目編號(hào)：BK20150074）

作者簡(jiǎn)介：牛曉偉（1981-），男，山西長(zhǎng)治人，工程師，主要從事道路材料研發(fā)工作。