新型乳化彩色瀝青開發(fā)與應用探討

劉 俊 ，陳思旻

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300457；2.天津市公路處，天津市 300170）

0 引言

彩色瀝青路面的研究與應用可追溯到20世紀50年代歐美等國家；到了20世紀60年代，前蘇聯(lián)道路科學研究所以及哈爾科夫公路學院也對彩色瀝青路面鋪設進行了研究，并先后在莫斯科、哈爾科夫、第比利斯等城市鋪筑數(shù)萬m2的彩色瀝青路面；日本也對彩色瀝青鋪面技術(shù)進行了很多研究，具體應用有：日本北九州市199號國道（街道段）靠邊的兩側(cè)車道鋪筑鐵紅色路面、神戶市中心長田楠日尾線中間車道鋪成黃色的密級配彩色路面等。而我國在20世紀80年代初才開始研究彩色路面，近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)水平的不斷提高，人們對道路與環(huán)境的協(xié)調(diào)性能有了更加深刻的認識，對道路的舒適性和功能性也有了更高的要求。彩色瀝青路面作為一種新型的鋪面技術(shù)，恰恰滿足了這些要求，引起了人們的廣泛興趣。目前，彩色瀝青在我國已經(jīng)進入實驗推廣階段，多個城市已嘗試采用彩色瀝青路面鋪設城市道路，如北京、上海、天津、重慶、成都、沈陽和廈門等城市（見圖1）。

圖1 國內(nèi)彩色瀝青路面應用

在道路中鋪設彩色瀝青路面，具有以下功能：（1）美化城市、改善道路環(huán)境，展示城市風格效果，具體應用于城市街道、廣場、風景區(qū)、公園和旅游景觀道路等地；（2）誘導車流，便于交通組織管理，具體應用于區(qū)分不同功能的路段和車道，以提高駕駛員的識別效果，增加道路的通行能力和交通安全；（3）緩解疲勞，提高行車安全，具體應用于陡坡、轉(zhuǎn)彎和限速區(qū)、交叉口、居民密集點和停車點附近、學校、醫(yī)院等處。因而彩色瀝青路面作為一種新型的鋪面技術(shù)，符合時代的需求，能夠營造現(xiàn)代交通的時代氣息，充分體現(xiàn)了“以人為本”的道路設計理念。但彩色瀝青路面造價昂貴，現(xiàn)成品彩色瀝青每噸價格約為15 000元，而普通瀝青每噸為4 000～6 000元，彩色瀝青價格高達普通瀝青的3～5倍，而彩色瀝青路面工程造價相比黑色瀝青路面要高出20倍左右，過高的價格嚴重限制了彩色瀝青路面的普及與推廣。因此，尋求一種切實有效的方法降低彩色瀝青的價格，成為了道路工作者急需解決的問題之一。

1 彩色路面技術(shù)的種類

目前彩色路面技術(shù)種類繁多，使用較多的有：熱拌彩色瀝青混凝土路面、乳化彩色瀝青稀漿封層和彩色抗滑磨耗層。根據(jù)著色機理的不同，通常可以分為：（1）普通瀝青著色，即將無機金屬鹽類顏料代替礦粉填入瀝青或瀝青混合料中，可以得到幾種彩色瀝青路面材料，例如將氧化鐵（俗稱鐵紅）加入普通瀝青混合料中可以得到鐵紅色的瀝青路面材料，加入氧化鉻可以得到墨綠色瀝青路面材料；（2）采用彩色集料著色，即在鋪筑好瀝青砂膠層之后，以彩色石料按照一定用量代替部分普通石料，在瀝青砂膠層仍保持足夠溫度時散布碾壓，使石料部分嵌入瀝青砂膠層內(nèi)，即可形成彩色路面；（3）使用彩色膠結(jié)料，即所謂的彩色瀝青。目前，隨著研究的不斷深入，彩色瀝青路面的種類和鋪面技術(shù)層出不窮，這也更加凸顯出使用彩色瀝青鋪設出來的彩色路面，其色澤鮮明、堅固持久的優(yōu)越性，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)彩色路面都是采用這種工藝制作的，若能在此基礎上，有效降低其價格，相信會具有更加廣泛的應用前景。

2 新型乳化彩色瀝青的概念

2.1 新型乳化彩色瀝青的定義

一般所謂的彩色瀝青是由高分子聚合物、樹脂、填充油和其它外加劑，經(jīng)高溫高速剪切所聚合而成。而新型乳化彩色瀝青是將粘稠彩色瀝青進一步加熱至流動態(tài)，再經(jīng)機械作用使之分散成為微小液滴，穩(wěn)定地分散在有乳化劑—穩(wěn)定劑的水中，形成水包油（O/W）型的彩色瀝青乳液。

2.2 新型乳化彩色瀝青的性能分析

新型乳化彩色瀝青，首先由于加入了高分子改性劑，在塑性方面將有很大的提高，延性明顯好于普通瀝青；其次在環(huán)保方面，有效降低了黑色瀝青中普遍存在的3-4苯丙衍生物等致癌物質(zhì)，對環(huán)境具有保護作用；最后考慮到乳化瀝青通常具有如下優(yōu)點：（1）可冷態(tài)施工，節(jié)省大量能源，并減少環(huán)境污染，有利工人健康；（2）良好的工作性，可均勻分布在集料表面，有較好的粘附性，可節(jié)省瀝青用量；（3）可延長施工季節(jié)，乳化瀝青特別是陽離子乳化瀝青施工，幾乎可以不受陰濕或低溫季節(jié)影響，能及時進行路面的維修和養(yǎng)護；（4）與熱瀝青、稀釋瀝青相比，乳化瀝青節(jié)約能源40%～50%、改善施工條件、降低工程造價20%～30%以上，并能有效地減少高溫加熱時引起的瀝青過度老化，以及致癌物苯丙吡的大量揮發(fā)。綜上所述，將彩色瀝青進一步乳化不但可有效降低成本，還可達到施工便利、節(jié)能環(huán)保的目的，從而為彩色路面的應用以及城市景觀道路色彩化的大面積推廣提供了切實可行的途徑。

2.3 新型乳化彩色瀝青的形成機理分析

新型乳化彩色瀝青的形成機理可概括為：彩色瀝青乳液中彩色瀝青由于乳化劑降低界面張力的作用、界面膜的保護作用以及雙層電荷的穩(wěn)定作用，最終能夠以“微滴”形式穩(wěn)定地分散在乳化劑-穩(wěn)定劑的水溶液中；其機理分析如下：

（1）乳化劑降低界面張力的作用；

根據(jù)吉布斯定律有：

式中：ΔG——彩色瀝青乳液體系的表面自由能；

δaω——彩色瀝青與水的界面張力；

ΔS——彩色瀝青微粒的總表面積。

由式（1）可知，當彩色瀝青與水的界面張力為一定值，隨著彩色瀝青液滴總表面積的增加，表面自由能亦增加。由于彩色瀝青及水體系是一個熱力學不穩(wěn)定體系，為了保持熱力學平衡，彩色瀝青液滴自然趨向“聚析”以降低表面自由能。為保持彩色瀝青液滴的高度分散性，即不縮小彩色瀝青液滴總表面積，而又能保持彩色瀝青及水體系的穩(wěn)定，唯一的途徑只有降低彩色瀝青及水的界面張力。乳化劑是一種兩親性物質(zhì)（見圖2），它在彩色瀝青與水的體系中，其分子的憎水基團（親油基）吸附于彩色瀝青的表面，而親水基團則進入水相，這樣定向排列可使彩色瀝青與水的界面張力大大降低，從而使彩色瀝青及水體系形成穩(wěn)定的分散系（見圖3）。

圖2 瀝青乳化劑結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 親水基與親油基沿油水界面定向排列

（2）界面膜的保護作用；

在水中加入具有乳化作用的表面活性劑以后，乳化劑在兩相界面上形成吸附層，乳化劑的極性基團朝向水，非極性基團朝向彩色瀝青，使彩色瀝青和水的界面張力下降，當彩色瀝青液滴周圍吸附的表面活性劑分子達到飽和時，在瀝青液滴與水的界面上形成界面膜，此膜具有一定的強度，對彩色瀝青液滴具有保護作用，當彩色瀝青液滴相互碰撞時，不易聚結(jié)，能保護乳液的穩(wěn)定。

（3）雙層電荷的穩(wěn)定作用。

彩色瀝青乳液中的彩色瀝青液滴周圍形成了一層帶有電荷的保護膜，為雙電層結(jié)構(gòu)。電荷來源于電離、吸附和彩色瀝青微滴與水之間的摩擦作用。這層帶電荷的保護膜能起穩(wěn)定作用，瀝青液滴相互碰撞時，因相同電荷的相互排斥作用，阻止了乳化液滴的聚析，從而形成穩(wěn)定的體系。

3 新型乳化彩色瀝青的開發(fā)與技術(shù)指標要求

3.1 新型乳化彩色瀝青的開發(fā)

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)彩色瀝青的途徑主要有兩條：

（1）普通瀝青脫色

瀝青脫色是利用適當溶劑將石油瀝青中瀝青質(zhì)組分脫去，剩下顏色較淡的組分，并配以適當改性材料配置得到。石財彥等人就曾應用物理、化學的方法使瀝青脫色，加入SBS改性劑、顏料等合成彩色瀝青，在此基礎之上，應用慢裂快凝乳化劑、改性劑制得彩色改性乳化瀝青。但由于該生產(chǎn)工藝復雜，主要是瀝青脫色存在一定難度，資金和設備投入大，且污染較嚴重，目前已經(jīng)很少使用。

（2）人工制備的淺色膠結(jié)料（即聚合物彩色瀝青）

聚合物彩色瀝青是利用現(xiàn)代石油化工產(chǎn)品經(jīng)人工配置而成，一般是由高分子聚合物、樹脂、填充油和其它外加劑，經(jīng)高溫高速剪切所聚合而成，該技術(shù)原理簡單，可操作性強，易于推廣。若能在此技術(shù)上進一步深入，將粘稠的聚合物彩色瀝青進一步加熱至流動態(tài)，再經(jīng)機械作用使之分散成為微小液滴，穩(wěn)定地分散在有乳化劑—穩(wěn)定劑的水中，形成水包油（O/W）型的彩色瀝青乳液，最終開發(fā)出新型乳化瀝青的生產(chǎn)技術(shù)與工藝。

3.2 新型乳化彩色瀝青的技術(shù)指標要求

新型乳化彩色瀝青的技術(shù)指標要求，應考慮彩色瀝青路面使用場合和環(huán)境，參考現(xiàn)行瀝青技術(shù)要求，并結(jié)合彩色瀝青的特性和目前我國彩色瀝青生產(chǎn)的技術(shù)水平綜合確定。同時，還應考慮到彩色瀝青的色彩耐久性問題，提出在RTFOT試驗后其顏色應保持穩(wěn)定的要求。此外，由于經(jīng)乳化工藝，就應考慮其破乳速度、初凝時間以及固化時間的控制。表1和表2分別為國外彩色瀝青膠結(jié)料性能要求和國內(nèi)彩色瀝青膠結(jié)料技術(shù)指標要求，可作為新型乳化彩色瀝青的技術(shù)指標要求的參考依據(jù)。

表1 國外彩色瀝青膠結(jié)料性能要求

表2 國內(nèi)彩色瀝青膠結(jié)料技術(shù)指標要求

5 期待解決的問題

新型乳化彩色瀝青的開發(fā)，即如何從生產(chǎn)上實現(xiàn)新型乳化彩色瀝青的制備，包括相應乳化劑和穩(wěn)定劑種類的選取與定量，同時其乳化方式與乳化設備的選取，以及其各項技術(shù)指標的檢測，最終制定出新型乳化彩色瀝青制備的最佳方案，還有待進一步深入研究。此外，目前彩色瀝青路面還暴露出諸如不耐臟、耐久性差、以及沒有系統(tǒng)完善的評價體系等問題，仍需不斷的探討、研究，直至解決和完善。

6 結(jié)語

新型乳化彩色瀝青不僅吸收了乳化瀝青經(jīng)濟、施工便利以及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，同時應用于鋪面還具有美化環(huán)境、誘導車流、便于交通組織管理的特殊功能，是將來新型路面材料發(fā)展的一大趨勢。開展新型乳化彩色瀝青的開發(fā)與應用研究，對于提高我國道路建設水平，特別是滿足時代的需求、充分體現(xiàn)“以人為本”的道路設計理念、減少彩色路面建設投資和美化城市環(huán)境、提高道路服務能力等諸多方面，都具有十分重要的理論意義和實用價值。

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