何青云,蘇興賽,江曉曉,陳艷艷,王寧

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450000)

普通乳化瀝青低溫性能和高溫性能較差,很難滿足施工技術(shù)要求。改性乳化瀝青在微表處及稀漿封層應(yīng)用比較廣泛,也常用于公路損害的修補(bǔ),常用的乳化瀝青改性劑有SBR和SBS乳膠兩種[1-3]。SBR改性乳化瀝青制備工藝簡單,低溫抗變形性能顯著,高溫和黏結(jié)性能不好;SBS改性乳化瀝青對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝要求比較高,其高溫性能和耐疲勞性較好,低溫性能一般[4]。

巖瀝青作為一種天然瀝青,因其長時(shí)間與大自然共同生存,經(jīng)歷風(fēng)吹日曬、細(xì)菌和微生物等的侵蝕,形成了較穩(wěn)定的性質(zhì)[5]。巖瀝青具有礦物成分、軟化點(diǎn)和瀝青含量高的特點(diǎn),常用來作為提升瀝青的高溫性能和抗剪切變形性能。

因此,采用合適的制備工藝,選取巖瀝青和SBR為改性劑,研究改性乳化瀝青高低溫性能和黏度的影響,通過其與乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青3種乳化瀝青對(duì)比分析,得出復(fù)合改性乳化瀝青具有更佳的綜合性能。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用鄭州市鄭發(fā)市政有限公司提供的70#瀝青,測試該瀝青,符合規(guī)范要求,基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1。選用LT-CMK5型乳化劑,其主要性能指標(biāo)見表2。本文選用鹽酸來調(diào)節(jié)pH值,穩(wěn)定劑選用氯化鈣,水選用鄭州市自來水。本文所用的是西安某公司的SBR陽離子丁苯膠乳,其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。伊朗巖瀝青外觀呈黑色粉末,瀝青含量高、灰分含量較低,用來改性乳化瀝青比較合適,其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表1 基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

表2 乳化劑技術(shù)指標(biāo)

表3 SBR乳膠性能指標(biāo)

表4 巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試樣制備

本論文選用邊乳化邊改性的制備方法,其中油水體積比58∶45,乳化劑摻量2.0%、皂液pH值調(diào)至2.0～2.5,穩(wěn)定劑摻量0.2%。SBR乳膠摻量為5%,伊朗巖瀝青摻量為3%。

1)將基質(zhì)瀝青放在140 ℃烘箱內(nèi)加熱,直至能自由流動(dòng)后備用。2)在燒杯中加入一定量75 ℃左右的水,加入稱量好的氯化鈣,用玻璃棒攪拌直至水中無沉淀物。待水溶液涼至65 ℃左右時(shí)加入乳化劑,用膠頭滴管取適量的鹽酸至乳液中調(diào)至酸堿度2～3待用。3)開啟膠體磨,依次將制備好的皂液和基質(zhì)瀝青緩慢注入其中。4)將加熱至180 ℃伊朗巖瀝青慢慢加入膠體磨中,隨后將SBR乳膠(或SBR乳膠單摻)也加入其中,充分剪切后得到改性乳化瀝青。乳化瀝青的制備同上面步驟1)、2)、3)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 基本性能試驗(yàn)

為了較好地反映改性乳化瀝青的性能好壞,對(duì)3種不同乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)、布氏黏度進(jìn)行試驗(yàn)測試,對(duì)1 d和5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性也進(jìn)行試驗(yàn)測定,分析3種乳化瀝青的高低溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

采用DSR測定瀝青流變參數(shù),對(duì)3種乳化瀝青試樣的剪切模量G*、相位角δ、車轍因子G*/sinδ隨溫度變化而變化進(jìn)行分析,研究3種乳化瀝青的高溫性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸發(fā)殘留物性能試驗(yàn)

3種乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 三種乳化瀝青殘留物的基本性能指標(biāo)

由表5得出:復(fù)合改性乳化瀝青的針入度比SBR改性乳化瀝青降低了11.23%,比乳化瀝青低17.14%,這表明復(fù)合改性乳化瀝青抵抗剪切變形能力較好;其軟化點(diǎn)較SBR改性乳化瀝青提高了19.93%,比乳化瀝青提高了40.61%,表明巖瀝青和SBR乳膠的摻入在很大程度上提高了乳化瀝青的高溫性能,這是因?yàn)镾BR乳膠和巖瀝青在乳化瀝青中形成了一個(gè)黏聚力極大、極其穩(wěn)定的漿體形狀;復(fù)合改性乳化瀝青的延度比SBR改性乳化瀝青低49.6%,較未改性乳化瀝青提高了60%,表明巖瀝青的加入削弱了乳化瀝青低溫性能,因?yàn)橐晾蕩r瀝青在低溫狀態(tài)下容易變脆導(dǎo)致延展性能變差。

由表6可以看出,在相同的溫度下,巖瀝青/SBR復(fù)合改性乳化瀝青的布氏黏度值越大。在100 ℃時(shí),復(fù)合改性乳化瀝青的布氏黏度值較乳化瀝青增加了10.27倍,比SBR改性乳化瀝青提高了7.15倍。這表明巖瀝青和SBR的加入顯著提高了乳化瀝青殘留物的布氏黏度值,有利于提升乳化瀝青的高溫性能。

表6 3種乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物黏度值

3.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性能分析

三種乳化瀝青試樣1 d、5 d的儲(chǔ)存穩(wěn)定性結(jié)果如表7所示。由表7可知:加入SBR乳膠和伊朗巖瀝青對(duì)乳化瀝青1 d和5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利影響,與乳化瀝青相比,復(fù)合改性乳化瀝青較優(yōu)。

表7 三種乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性

3.3 高溫流變性能分析

3種不同乳化瀝青在不同溫度下的相位角、復(fù)數(shù)剪切模量及車轍因子的變化見圖1。

圖1 三種乳化瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角、車轍因子

由圖1可知:1)隨著溫度的升高,乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青和復(fù)合改性乳化瀝青3種試樣的G*逐漸減小,δ逐漸增大,G*/sinδ逐漸減小。由圖1(a)可以看出,3種瀝青的升降趨勢基本相同,但在相同的溫度下,復(fù)合改性乳化瀝青的剪切模量G*高于乳化瀝青和單摻改性乳化瀝青,溫度為52 ℃時(shí),乳化瀝青、單摻改性乳化瀝青和復(fù)合改性乳化瀝青的G*分別是8.63,10.27,13.87 kPa,復(fù)合改性乳化瀝青比乳化瀝青提高了60.72%,比單摻改性乳化瀝青提高了35.05%,這表明巖瀝青/SBR的加入增強(qiáng)了乳化瀝青高溫抗剪切變形能力,比其余兩種乳化瀝青抗剪切變形能力好。2)由圖1(b)可以看出,隨著溫度的升高,3種乳化瀝青相位角δ遞增,在相同的溫度下,復(fù)合改性乳化瀝青的δ最低,例如,在溫度為52 ℃時(shí),復(fù)合改性乳化瀝青相位角為77.63°,單摻改性乳化瀝青相位角為80.51°,未改性乳化瀝青相位角為83.81°。說明巖瀝青和SBR的加入增加了乳化瀝青的黏性成分和彈性成分,提高了乳化瀝青的黏彈性能。3)由圖1(c)可以得出,3種乳化瀝青的G*/sinδ隨著溫度升高逐漸降低。在相同溫度下,復(fù)合改性乳化瀝青的G*/sinδ最高,單摻改性乳化瀝青其次,乳化瀝青最低。在64 ℃時(shí),復(fù)合改性乳化瀝青的G*/sinδ為3.47 kPa,SBR改性乳化瀝青的G*/sinδ為2.48 kPa,乳化瀝青的G*/sinδ為1.58 kPa,復(fù)合改性乳化瀝青比乳化瀝青增加了1.89 kPa,比SBR改性乳化瀝青提高了0.99 kPa。這說明巖瀝青和SBR的摻入可以提高乳化瀝青的抗車轍變形能力,增強(qiáng)了乳化瀝青的高溫性能。以上表明,巖瀝青和SBR的加入可以有效提高乳化瀝青的高溫性能。

4 結(jié)論

本研究選取SBR乳膠和伊朗巖瀝青為改性劑,成功制備了SBR乳膠(摻量為3%)與巖瀝青(摻量為5%)復(fù)合改性乳化瀝青、單摻SBR(摻量為3%)改性乳化瀝青、未改性的乳化瀝青,進(jìn)行了試驗(yàn)測定。試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)復(fù)合改性乳化瀝青與乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青相比,蒸發(fā)殘留物的針入度降低、軟化點(diǎn)和布氏黏度值升高,在100 ℃時(shí),布氏黏度值是乳化瀝青的10.27倍。這說明巖瀝青和SBR乳膠的加入改善了乳化瀝青的抗剪切變形性能和高溫性能;延度較SBR改性乳化瀝青低,說明巖瀝青的加入削弱了SBR改性乳化瀝青的低溫性能,但仍能滿足規(guī)范要求。

2)加入改性劑之后,乳化瀝青1 d和5 d的儲(chǔ)存穩(wěn)定性有所降低,但都滿足規(guī)范要求。加入SBR乳膠和巖瀝青,比單摻SBR乳膠的儲(chǔ)存穩(wěn)定性好。

3)DSR試驗(yàn)中,在相同溫度下,復(fù)合改性瀝青的剪切模量高于單摻改性乳化瀝青和未改性乳化瀝青,其相位角最小,車轍因子最高,這表明復(fù)合改性劑的加入使乳化瀝青中彈性成分和黏性成分增加,有更好的抗車轍變形能力,乳化瀝青的高溫性能得到了顯著的提升。