用于微表處的改性乳化瀝青研究

何宜典,李青芳

(陜西交通職業(yè)技術學院公路工程系,陜西西安 710018)

用于微表處的改性乳化瀝青研究

何宜典,李青芳

(陜西交通職業(yè)技術學院公路工程系,陜西西安 710018)

我國許多高速公路已經進入維修養(yǎng)護期,微表處理是一種經濟且方便快捷的預防性養(yǎng)護方法。通過室內試驗,分析了改性乳化瀝青對微表處混合料性能的影響。特別提出了復配改性劑能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,對微表處混合料高低溫性能、耐磨性能、抗車轍等性能改善較為顯著,提高了其社會效益。

微表處;乳化劑;復配改性劑;改性乳化瀝青

0 引 言

微表處是一種適用于高速公路、城市干線、機場道面的預防性養(yǎng)護技術,微表處混合料由改性乳化瀝青與集料、填料、水和外加劑按合理配比拌和成的稀漿混合料,其中改性乳化瀝青作為結合料,對混合料的性能具有決定性影響。微表處混合料對改性乳化瀝青的性能有較高的要求,在保持乳化瀝青特點的基礎上,如何提高和改善瀝青乳化產品的技術性能引起了道路工作者的高度重視[1],本文通過實驗確定了改性劑及復配改性劑對混合料性能的影響,以供同行參考。

1 乳化劑的性能要求

1.1 陽離子乳化劑類型及特點

目前,能滿足微表處要求的改性乳化瀝青所用的乳化劑主要為陽離子乳化劑。下面重點研究陽離子乳化劑的特點及性能。

(1)季胺鹽類

這種乳化劑目前是我國生產和應用最多的一種,常見的有 1631、1831和 18331等型號,其結構式分別為(a)、(b)、(c)。

這類乳化劑原料來源豐富,合成簡單,價格較低,已成為我國制作乳化瀝青的主要乳化劑之一。

(2)烷基胺類

這類乳化劑表示式為:R-NH2,其中R以C12～C22較好,一般直鏈較支鏈的好,用此制作的乳化瀝青的破乳速度一般較快。

(3)咪唑啉類

咪唑啉類的結構如下,這類乳化劑制作的改性乳化瀝青的破乳速度一般較慢。

1.2 乳化劑對乳化瀝青性能的影響

國外部分文獻中研究了不同乳化劑對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物延度的影響,認為乳化劑對乳化瀝青的性質可以起到改善作用,也可能起到降低作用,也有可能基本不產生影響?；诖?采用三種不同的乳化劑(分別用 E1、E2、E3表示),用完全相同的乳化工藝乳化西石化90#瀝青,得到乳化瀝青蒸發(fā)殘留物指標如表1所示。

表1 不同乳化劑乳化瀝青蒸發(fā)殘留物指標對比

從表1可以看出,盡管基質瀝青相同,但蒸發(fā)殘留物指標卻不同,針入度指標從高到低排序為E3＞E2＞E1,軟化點從高到低排序為E1＞E2＞E3,即相同的瀝青經乳化后,硬度變化不大。而延度指標差別大,其中E1、E3延度均大于100 cm,而E2僅為67 cm,相差甚遠?？梢?乳化劑可能影響瀝青的性質,僅靠控制基質瀝青的標號和質量來控制乳化瀝青的指標是不夠的,有必要對改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物指標做出要求。

1.3 微表處用乳化劑

“慢裂快凝”要求在微表處施工過程中有一定的慢裂時間,而施工后又要快速成型。這種施工技術要有合格的乳化瀝青及嚴格的施工工藝。所以,該技術是乳化劑、乳化瀝青、集料、添加劑、施工工藝等各種因素綜合作用的結果,選擇合格的乳化劑是首要條件。

結合我國公路交通的現(xiàn)狀,要滿足攤鋪作業(yè)的要求,又要盡快開放繁忙的交通,獲得“慢裂”和“快凝”雙重效果,通常有兩種方法:

(1)使用專門的“慢裂快凝”乳化劑。這種乳化劑可在確保拌和時間后,快速破乳,并通過化學力,使水分快速脫離,從而達到預期的目的。這種方法較先進,但往往價格昂貴。

(2)利用我國常用的中裂型乳化劑,加入一些緩破物質來實現(xiàn)。例如用我國最廣泛的季胺鹽類乳化劑,加入OP系列等乳化劑,從而達到拌和時間的要求。對季胺類乳化劑來說,由于其電性較強,一般與集料接觸即可發(fā)生破乳,所以這種乳化劑一般是中裂偏快,滿足不了微表處的要求。但是當引入環(huán)氧基時可降低分子中的相對正電量而呈現(xiàn)出一些非離子的性質,這就有可能延緩乳液與集料接觸的破乳速度。由于這些基團的存在直接影響正電荷與集料表面接觸,而呈現(xiàn)空間阻礙作用,從而能延緩破乳時間,達到慢裂快凝的要求。

2 改性劑對改性乳化瀝青性能的影響

一般來說,改性劑的加入,能提高瀝青軟化點、降低針入度,改善瀝青高溫性能;它還可以使瀝青的延度增加,改善瀝青的低溫性能,使瀝青高溫不軟、低溫不脆。除此之外,合適的改性劑能大大改善乳化瀝青對集料的裹附能力,提高混合料的粘聚力和耐磨能力。改性劑選擇[2]應考慮氣候特點、改性劑性能、改性工藝、經濟成本及其與基質瀝青配伍性等多方面因素。

2.1 膠乳改性劑的應用

目前,常采用橡膠或樹脂乳液對乳化瀝青進行改性,材料不同改性效果也不同。只有聚合物與瀝青共混后,在微觀及亞微觀范圍內形成相分離,在宏觀范圍內形成均相體系,才能獲得良好的改性效果,如果兩相完全溶解或者不發(fā)生溶脹,聚合物則起不到改性作用。實踐表明,丁苯橡膠(SBR)膠乳和氯丁橡膠(CR)膠乳對乳化瀝青的改性效果較好,并且制備方法簡單。

2.2 改性劑的改性效果評價

橡膠改性瀝青,可使瀝青兼具橡膠特點,對低溫性能、高溫性能、粘結力、粘附力、抗老化能力等均有提高,可從瀝青的三大指標來分析橡膠對瀝青的改性效果。

軟化點是反映瀝青感溫性能最常用的指標。軟化點提高意味著瀝青熱穩(wěn)流動度減小,耐熱性提高。由圖1可以看出,隨著橡膠摻量的增加,軟化點呈增加趨勢,當橡膠摻很小時,橡膠—瀝青近似于單相體系,橡膠摻量對軟化點影響很小;隨著橡膠摻量增加,會出現(xiàn)相的分離,表現(xiàn)為橡膠相分布在呈連續(xù)相的瀝青中,此時橡膠被瀝青中的輕組分所溶脹,使瀝青的性能得到改善,軟化點略有提高;橡膠摻量繼續(xù)增大(5%),則形成相互貫通的網(wǎng)絡,表現(xiàn)為兩個連續(xù)相,在此區(qū)域瀝青的軟化點隨著橡膠摻量的增加而明顯增大。

圖1 SBR橡膠摻量對軟化點的影響

由圖2可知:當溫度不大于25℃,在低于某個橡膠摻量時,針入度是隨著橡膠劑量的增加而加大,但當橡膠改性劑達到一定劑量后針入度不再增加,反而隨著橡膠劑量的增加而減小,這是因為隨著改性劑的增加,在瀝青中的橡膠網(wǎng)絡逐漸形成時針入度表現(xiàn)出極值轉折點。Brule通過對SBR改性瀝青的研究認為:當改性劑在瀝青中形成連續(xù)的網(wǎng)絡結構時,瀝青的高、低溫性能均會產生大幅度改善,這為確定改性劑劑量提供了依據(jù)。

圖2 SBR橡膠摻量對針入度的影響

針入度隨溫度的變化可近似用下式計算:

式中:P為針入度;A為溫度敏感系數(shù);B為瀝青含量。

由試驗數(shù)據(jù)通過回歸處理,得到原瀝青和橡膠改性瀝青的溫度敏感系數(shù),如表2所示。

斜率A值越低,說明針入度變化平緩,其溫度穩(wěn)定性愈好,亦即SBR改性瀝青較原瀝青溫度敏感性好,夏季不易軟化,脆點降低。

表2 改性劑摻量與溫度敏感系數(shù)的關系

表3 SBR對改性瀝青延度的影響

由表3知,25℃橡膠改性瀝青延度低于基質瀝青,其原因可能是SBR在瀝青中形成的交聯(lián)網(wǎng)狀混溶尚不夠均勻,粘彈性略差,同時又受母體中殘留溶劑的影響,常溫延度較小。當10℃≤T≤15℃時,SBR改性瀝青延度大于基質瀝青,表明SBR改性瀝青在低溫下有較大柔性,有更好的抗開裂能力;基質瀝青延度隨溫度下降顯著減小,而SBR改性瀝青延度變化平緩些。

2.3 不同SBR膠乳改性效果分析

采用兩種常用的90號瀝青(分別記為A1和A2),選用國外某改性乳化瀝青專用陽離子SBR膠乳(S1)和國內某SBR膠乳(S2)分別制成改性乳化瀝青,進行蒸發(fā)殘留物指標測試和相應的路用性能試驗,對不同SBR膠乳的改性效果進行比較分析。

2.3.1 蒸發(fā)殘留物指標比較

采用不同的SBR膠乳改性的乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點、針入度和延度指標如表4所示。

由表4可以看出,改性劑S1對兩種瀝青的改性效果均較好。以A1為例,當采用3%S1進行改性時軟化點從48.7℃上升至52.9℃,針入度由82增至84,延度更是有了大幅度的提高,當改性劑的摻量增至5%時,三大指標提高更加明顯。所以S1瀝青改性膠乳對乳化瀝青的改性效果非常明顯。而S2膠乳用于瀝青改性時,摻入3%的改性劑量,指標提高很小,當摻入5%時瀝青A1的軟化點僅從48.7℃提高到52.8℃,針入度基本沒有變化,延度從55 cm升至75 cm,改善效果不明顯。

表4 不同SBR膠乳改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標對比

2.3.2 不同SBR膠乳混合料的性能比較

試驗采用兩種瀝青及SBR膠乳制作改性乳化瀝青,按表5所示的兩種集料(J1、J2)拌制混合料,采用表6所列的方案進行濕輪磨耗試驗和荷載車輪試驗。

(1)濕輪磨耗(WTAT)試驗

濕輪磨耗試驗是評價微表處混合料性能優(yōu)劣的重要試驗,其中浸水1 h的WTAT值可以評價混合料的耐磨耗及瀝青與集料的裹附能力,浸水6 d的WTAT值可反映混合料抵抗水損害的能力。WTAT值越小,混合料的耐磨能力和抵抗水損害的能力越強。試驗方法按我國相關的規(guī)范進行。

表5 試驗所用集料基本情況

表6 試驗用混合料搭配比案

由圖3、圖4可以看出,摻加了改性劑的微表處混合料與普通稀漿混合料相比,瀝青與集料之間粘結更加牢固,耐磨耗和抗水損害能力增強。但是不同改性劑的改性效果存在較大差異,S1膠乳改性效果較好,而S2膠乳的改性效果相對不夠理想,應用時應謹慎選取。

(2)荷載車輪試驗

微表處混合料的荷載車輪試驗,是用條形試樣在車輪碾壓后單位寬度上的側向變形率和單位厚度的車轍深度率來評價混合料的抗車轍能力。其側向變形率和車轍深度率越小,說明混合料的抗車轍能力越強。

從圖5、圖6可以看出,車轍深度率的變化規(guī)律與側向變形率相近。添加改性劑后抗車轍性能比未改性時有所提高,S1膠乳改性的混合料車轍深度率與S2改性混合料差異不大。

圖3 不同混合料WTAT值

圖4 不同混合料WTAT值

綜上所述,不同SBR膠乳的改性效果不同。國外陽離子SBR膠乳是專為改性乳化瀝青開發(fā)的,它在乳化劑的選取、苯乙烯含量等技術上不同于其他用途的SBR;而國內的SBR膠乳一般要么是用作改性瀝青的陰離子膠乳,要么是將用于造紙、地毯、印染等行業(yè)的SBR膠乳用到乳化瀝青的改性中,所以改性效果不太理想。

圖5 側向變形率試驗結果

圖6 車轍深度率試驗結果

3 改性劑的復配

膠乳改性劑屬于高分子材料,具有很好的機械和力學性能,但一般說來,某一種單一的改性劑往往只具有某一些方面的優(yōu)勢,僅僅使用一種改性劑可能存在某種性能的局限性。例如SBR低溫性能好,粘結力大,而且價格較低;CR具有耐溶劑、耐老化、耐濕性能優(yōu)良,改性效果明顯等優(yōu)點。本文結合它們的特點,進行復配并研究它們復配后的性能。

為了驗證不同比例改性劑的復配效果,采用A1瀝青摻加不同比例的CR和SBR膠乳進行改性膠乳,總劑量為5%,分別測定它們的蒸發(fā)殘留物指標和路用性能指標。

3.1 蒸發(fā)殘留物指標

不同改性劑比例的改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物指標如表7所示。

可以看出,其中 CR∶SBR為 1∶4的軟化點改善最多,針入度也比其他降低的多,由原來的82降到68,同時延度也提高到100 cm以上,這說明改性劑CR∶SBR為1∶4是對高低溫性能效果最好。

表7 不同改性劑比例的改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物指標

3.2 路用性能

為了進一步驗證總劑量相同、比例不同的膠乳對瀝青的改性效果,用以上幾種不同比例的CR和SBR膠乳制作改性乳化瀝青,然后按表6所示的集料J1拌制混合料(對應的編號如表8所示),進行濕輪磨耗和荷載車輪試驗,試驗結果分別見圖7、圖8所示。

表8 不同改性劑改性乳化瀝青混合料編號

(1)濕輪磨耗試驗

由圖7可以看出,不同改性劑混合料的濕輪磨耗值都比未改性時有所降低,但幅度不同。其中CR∶SBR為1∶4的H2混合料和CR∶SBR為 0∶5的 H6混合料的濕輪磨耗值基本相當,但仍是H2混合料的較小。這說明改性劑CR∶SBR為1∶4的乳化瀝青混合料的抗磨耗性能較好。

(2)荷載車輪試驗

從圖8可以得出,改性后的單位側向變形率、車轍深度率指標都有較明顯的改善。其中側向變形率H2和H4混合料最小,改善率都在65%以上;車轍深度率H2和H3混合料最小,改善率在75%以上。

圖7 不同改性劑比例的濕輪磨耗值

圖8 荷載車輪試驗結果

由此可見,改性劑CR∶SBR 為 1∶4、1.5∶3.5、3.5∶1.5時抗車轍能力顯著增強[3]。試驗可知,由于不同的橡膠結構不同、含有的基團不同,即使改性橡膠的總劑量相同,但由于配比不同,稀漿混合料在高低溫性能、耐磨性能,抗車轍能力等則改性效果也有較大的差異。由試驗結果得知,CR∶SBR為1∶4時改性效果最為顯著。

4 結 語

綜上所述,不同SBR膠乳的改性效果存在較大差異,實際工程中應根據(jù)試驗來選擇。單一改性劑往往只具有某一方面優(yōu)勢,復配改性劑能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,產生很好的改性效果。實驗證明,CR∶SBR為1∶4是對微表處混合料高低溫性能、耐磨性能、抗車轍能力等性能改善較大,故實際應用中可用以參考。

[1]陳春輝.瀝青路面預防性養(yǎng)護技術的探討[J].筑路機械與施工機械化,2007,24(6):30-32.

[2]黃頌昌,徐 劍,等.改性乳化瀝青與微表處技術[M].北京:人民交通出版社,2010:55-60.

[3]徐 劍,黃頌昌.添加劑對微表處混合料抗車轍性能改善效果的研究[J].石油瀝青,2010,(3):50-51.

Research on Modified Emulsion Asphalt in Micro-surfacing

HE Yi-dian,LI Qing-fang
(Department of Highway Engineering,Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

Many expressways in China have entered into a period of repair and maintenance,and the micro-surfacing is an economic and convenient method for preventive maintenance.Here by laboratory tests,the analyses are made for the effects of modified emulsion asphalt on the mixture performance.Particularly,it is proposed that the compound modifiers could give full play to their advantages,and the high and low temperature performance,wearing resistance and anti-rutting performance of the mixtures in micro-surfacing would be improved significantly,thereby increasing the social benefits.

micro-surfacing;emulsifier;compound modifiers;modified emulsion asphalt

U416.217

A

1672—1144(2012)05—0085—06

2012-03-26

2012-04-22

河南省科技攻關項目“基于雙剪強度理論的瀝青混合料強度研究”(102102310271)

何宜典(1974—),男(漢族),陜西鎮(zhèn)巴人,講師,主要從事道橋設計教學與科研工作。