常皓宇，劉文昶，杜曉博，張宏超

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

隨著我國道路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，大量已建公路漸漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修期，相比于傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料，使用改性乳化瀝青制得的微表處混合料養(yǎng)護(hù)施工更加便捷、綠色環(huán)保，因此在工程中應(yīng)用十分廣泛。由于乳化瀝青是一種油水混溶的不穩(wěn)定體系，儲(chǔ)存過程中往往會(huì)出現(xiàn)瀝青顆粒絮凝、聚結(jié)的現(xiàn)象，既不利于乳化瀝青的長期儲(chǔ)存，在實(shí)際施工中也會(huì)帶來色澤不均、松散等問題。開展乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性研究，對提升微表處施工質(zhì)量有重要意義，有利于乳化瀝青在道路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[1]。

本研究通過復(fù)配得到一種改性瀝青乳化劑，并對其儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，以在乳化劑使用時(shí)能獲得性能穩(wěn)定、質(zhì)量較高的乳化瀝青產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要原材料包括ESSO70 號基質(zhì)瀝青，SBR膠乳，乳化劑有效組分A、B、C，穩(wěn)定劑，鹽酸等。

基質(zhì)瀝青：實(shí)驗(yàn)選用的基質(zhì)瀝青為ESSO70號瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 70 號基質(zhì)瀝青的主要性質(zhì)

改性劑：改性劑采用TG301-FS52 型SBR 膠乳。

乳化劑：研究中采用的改性瀝青乳化劑通過多種有效成分復(fù)配得到，主要組分包括酰胺類活性組分A、季銨鹽類活性組分B，高級醇活性組分C，性質(zhì)如表2所示。

表2 乳化劑有效組分主要性質(zhì)

穩(wěn)定劑：試驗(yàn)中所用穩(wěn)定劑包括聚乙烯醇與無水氯化鈣。

乳化設(shè)備：乳化設(shè)備使用JM-L65 型衛(wèi)生立式膠體磨，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，加工細(xì)度為2～40 um。

1.2 制備方法

1.2.1 乳化劑制備

將初始呈膏體狀的乳化劑活性組分A、B、C置入反應(yīng)釜中，加熱至70～80 ℃，使原材料由膏體狀逐漸融解成液態(tài)。再向反應(yīng)釜中加入小分子溶劑，繼續(xù)加熱并攪拌均勻，即可得到所述改性瀝青乳化劑。

1.2.2 改性乳化瀝青制備

采用邊改性邊乳化的方式制備改性乳化瀝青，首先精確計(jì)量乳化劑、水的用量，將制備好的乳化劑加入80 ℃左右的熱水中溶解，隨后加入SBR 膠乳和無機(jī)酸，調(diào)節(jié)pH 值至2～3 之間，形成皂液。啟動(dòng)膠體磨，將皂液和加熱至150 ℃，熱瀝青加入膠體磨攪拌研磨10 min 左右，得到成品改性乳化瀝青。

1.3 分析方法

參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于BCR 改性乳化瀝青和微表處的技術(shù)要求，對乳化瀝青和微表處混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測。乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性檢測參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0655—1993 試驗(yàn)方法進(jìn)行，儲(chǔ)存穩(wěn)定性的數(shù)值越小，表明乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性越好。

2 結(jié)果與論證

2.1 乳化劑對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

2.1.1 乳化劑組分設(shè)計(jì)對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

針對乳化劑三種有效成分，設(shè)計(jì)了7 種不同的配伍方案，考察乳化劑組分設(shè)計(jì)對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，乳化劑設(shè)計(jì)方案如表3。

分別以上述方案的乳化劑制備乳化瀝青，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表3 乳化劑設(shè)計(jì)方案 %

圖1 乳化劑儲(chǔ)存穩(wěn)定性結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，整體看來，采用設(shè)計(jì)方案4～7 制備的乳化瀝青比設(shè)計(jì)方案1～3 制備的乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性更好，這是由于設(shè)計(jì)方案4～7 中有效組分的分子種類更多，在乳化過程中，多種分子會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，協(xié)同后乳化劑分子可以進(jìn)一步降低瀝青-水界面的表面張力，增加界面膜的強(qiáng)度，提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性。對比各方案儲(chǔ)存穩(wěn)定性檢測結(jié)果，最終確定乳化劑組分配比按方案6 設(shè)計(jì)，組分A、B、C 比例為20 ∶30 ∶50，此種方案生產(chǎn)的乳化劑性能穩(wěn)定，能獲得較好的乳化效果。

2.1.2 乳化劑摻量對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

采用前述乳化劑配方，加入不同比例的乳化劑分別制備乳化瀝青，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同乳化劑摻量下乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著乳化劑摻量的提高，乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性也得到顯著提升。這是由于當(dāng)乳化劑濃度較低時(shí)，分布在瀝青-水界面乳化劑分子較少，不能有效減少油-水間表面張力差，因而無法維系瀝水包油體系的穩(wěn)定存在。隨著乳化劑摻量提高，瀝青-水界面膜強(qiáng)度逐漸增加，形成較為穩(wěn)定的乳化瀝青溶液[2]。當(dāng)乳化劑摻量到達(dá)一定程度后，界面膜強(qiáng)度不會(huì)再繼續(xù)升高，此時(shí)繼續(xù)摻加乳化劑不會(huì)進(jìn)一步提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性，綜合考慮最終確定乳化劑摻量為2%。

2.2 皂液pH 值對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

為保證乳化效果，制備乳化瀝青時(shí)往往需要進(jìn)行調(diào)酸，研究中利用鹽酸調(diào)節(jié)皂液的pH 值，研究pH 值變化對乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，見圖3。

圖3 不同皂液pH 值乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著皂液pH 值降低，酸性增強(qiáng)，乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到提升，這是由于乳化劑主要組分A 為酰胺類活性組分，在酸性條件下能形成銨鹽，增強(qiáng)了乳化劑的親水性，從而使乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性提升[3]。但是pH值也不宜過低，否則既不能進(jìn)一步改善乳化效果，也可能造成設(shè)備損壞，綜合考慮最終確定皂液pH 建議值為2～3 之間。

2.3 改性劑對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

摻加改性劑可以有效改善乳化瀝青的性能指標(biāo)，研究中分析了SBR 膠乳摻量對改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性和蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同SBR 摻量對乳化瀝青性質(zhì)影響

從圖4分析試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著SBR 膠乳摻量增加，改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性會(huì)大幅下降，不能滿足規(guī)范要求，這是由于SBR 膠乳加入會(huì)增加乳化瀝青的黏度，使瀝青顆粒更容易聚結(jié)絮凝，從而導(dǎo)致儲(chǔ)存穩(wěn)定性下降[4]。同時(shí)隨著SBR 膠乳摻量增加，改性乳化瀝青針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)和延度逐漸升高，說明改性劑的添加能有效提升乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性，綜合考慮確定SBR 的摻量為5%，并加入適量穩(wěn)定劑來改善乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2.4 穩(wěn)定劑對儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

研究表明摻加穩(wěn)定劑能大大提高乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，在研究中對摻加聚乙烯醇、摻加氯化鈣、聚乙烯醇與氯化鈣復(fù)配（復(fù)配比例為1 ∶1）三種穩(wěn)定劑進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

對比圖5結(jié)果可發(fā)現(xiàn)將聚乙烯醇與氯化鈣復(fù)配后效果更好，更有利于儲(chǔ)存穩(wěn)定性的提升，這是由于氯化鈣屬于無機(jī)穩(wěn)定劑，可以提高水的密度，聚乙烯醇屬于有機(jī)穩(wěn)定劑，可以提高水的黏度，二者結(jié)合能更好地縮小水相與油相的物理差異，有利于油水混溶，降低了瀝青微粒的沉淀速度和聚集效應(yīng)，從而提高了乳化瀝青體系的穩(wěn)定性[5]。

同時(shí)，整體看來隨著穩(wěn)定劑用量增加，改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性也逐漸提高，在穩(wěn)定劑摻量為0.4%時(shí)，改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性還不能滿足BCR 改性乳化瀝青的技術(shù)要求，當(dāng)摻量達(dá)到0.6%～1%后，改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好，最終確定穩(wěn)定劑用量為0.8%。

圖5 穩(wěn)定劑對儲(chǔ)存穩(wěn)定性影響

3 乳化瀝青性能檢測

參照試驗(yàn)結(jié)果，最終確定乳化劑添加量為2%、SBR 添加量為5%、皂液pH 值為2～3 之間，穩(wěn)定劑摻量為0.8%，在該條件下制備改性乳化瀝青，并對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 改性乳化瀝青性能檢測結(jié)果

由表4可見，所得改性乳化瀝青綜合性能良好，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都能滿足瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中的相關(guān)要求。

4 結(jié)論

a）復(fù)配得到的改性瀝青乳化劑在有效組分A、B、C 配伍比例為20 ∶30 ∶50 時(shí)能獲得最佳的乳化效果。

b）乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)，適當(dāng)提升乳化劑摻量，降低皂液pH 值，加入穩(wěn)定劑可以改善乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，改性劑摻量提高會(huì)對儲(chǔ)存穩(wěn)定性造成不利影響。

c）將無機(jī)穩(wěn)定劑與有機(jī)穩(wěn)定劑復(fù)配，能更有效提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性指標(biāo)。

d）復(fù)配制得的改性瀝青乳化劑性能良好，在乳化劑添加量為2%、SBR 添加量為5%、皂液pH 值為2～3，穩(wěn)定劑摻量為0.8%的條件下制備得到BCR 改性乳化瀝青，性能滿足規(guī)范相關(guān)技術(shù)要求。