集料特性對(duì)集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響

張久鵬 賈彥順 裴建中 羅資軍 馬學(xué)軍

(1長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710064)(2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海200092)(3北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100191)

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集料特性對(duì)集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響

張久鵬1賈彥順1裴建中1羅資軍2馬學(xué)軍3

(1長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710064)(2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海200092)(3北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100191)

采用不同粒徑的石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖細(xì)集料制備了集料-改性乳化瀝青膠漿,測(cè)試了集料的化學(xué)成分、比表面積和表面電荷特性以及膠漿的黏度,分析了集料特性對(duì)膠漿黏度的影響規(guī)律.結(jié)果表明:隨著改性乳化瀝青的破乳,瀝青膠漿的黏度逐漸增大,并趨于穩(wěn)定;酸性集料膠漿的黏度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間最短;同種巖性的集料比表面積越大,集料膠漿的初始黏度越大,而膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越短;同等粒徑下,集料表面ζ電位值越高,膠漿初始黏度越小,而膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng);膠漿黏度穩(wěn)定所需的時(shí)間越短,表明乳化瀝青破乳越快,即可供施工的時(shí)間越短.

道路工程;集料;改性乳化瀝青;膠漿;黏度

改性乳化瀝青必須具有合適的破乳速度,才能保證混合料具有足夠的拌和、攤鋪時(shí)間,而乳化過(guò)程受乳化劑、改性劑類型及劑量、拌和用水量、施工溫度、水泥摻量以及集料種類等多種因素的影響[1].對(duì)此,研究人員已經(jīng)開(kāi)展了一系列的研究工作.宋哲玉等[2]研究了陰、陽(yáng)離子瀝青橡膠乳液與酸、堿性集料拌和后的破乳過(guò)程,指出乳化劑是影響2類乳液破乳過(guò)程的關(guān)鍵因素.馮虎等[3]發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子乳化瀝青的破乳度與乳化劑的種類和用量及破乳劑有關(guān),乳化劑含量越高,則化學(xué)穩(wěn)定性越好.施來(lái)順等[4]指出增大乳化劑用量、使用助劑、增加潤(rùn)濕水量、加入?yún)f(xié)同乳化劑等可延長(zhǎng)破乳時(shí)間;拌和溫度越高,越有利于破乳.蔣瑋等[5]指出水泥自身吸水、水化反應(yīng)需水以及水化反應(yīng)物的生成,可以促進(jìn)改性乳化瀝青的破乳.Taylor[6]分析了水包瀝青型乳液的熱不穩(wěn)定性,確認(rèn)水包湖瀝青型乳液的溫度接近表面活性劑的濁點(diǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)有效分解.Wang等[7]通過(guò)激光衍射技術(shù)研究了水泥乳化瀝青膠漿中乳化瀝青的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)溫度顯著影響該穩(wěn)定性.Borges等[8]研究了鹽度和水油比對(duì)原油包水乳液破乳行為的影響,指出高瀝青含量下同時(shí)增加鹽度和破乳劑含量可以獲得一個(gè)最優(yōu)的破乳速度.Fortuny等[9]分析了鹽度、溫度、水含量和pH值對(duì)原油乳液微波破乳的影響,發(fā)現(xiàn)溫度最高、無(wú)鹽、pH為7.0且水含量高(45%)的乳液可以獲得最好的破乳效果.

上述研究較少涉及集料特性對(duì)改性乳化瀝青破乳的影響,僅有的少量研究也是簡(jiǎn)單分析集料種類(或者酸堿性)對(duì)破乳過(guò)程的影響,且多采用觀測(cè)法評(píng)價(jià)、判定破乳形態(tài),導(dǎo)致破乳評(píng)判的不科學(xué)性.Ouyang等[10]通過(guò)測(cè)定水泥乳化瀝青膠漿的黏度和粒徑分布,研究了水泥乳化瀝青膠漿中乳化瀝青的破乳過(guò)程,結(jié)果表明水泥乳化瀝青膠漿黏度的變化可以反映膠漿中乳化瀝青的破乳過(guò)程.

實(shí)際上,不僅集料種類(或者酸堿性)對(duì)改性乳化瀝青的破乳有影響,集料的表面電荷、比表面積、粒徑尺寸等特性對(duì)其也有顯著影響.本文實(shí)測(cè)了石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖3種集料的主要化學(xué)成分、比表面積及表面電荷等特性,并將不同粒徑的集料與改性乳化瀝青拌和,以制備集料-改性乳化瀝青膠漿,根據(jù)膠漿黏度的變化來(lái)分析集料的酸堿性、比表面積及表面電荷對(duì)改性乳化瀝青破乳的影響,為改性乳化瀝青破乳評(píng)價(jià)及其混合料組成設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 改性乳化瀝青制備及其技術(shù)性能

本文選用雙龍70#基質(zhì)瀝青和廣泛采用的陽(yáng)離子乳化劑M,利用邊改性邊乳化的方法制備改性乳化瀝青.相關(guān)研究表明,SBR膠乳能夠顯著提高瀝青乳液破乳后集料與瀝青的黏附性,所制備的改性乳化瀝青兼具耐老化、耐熱化和耐腐蝕性以及較高的稀釋穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),且制備工藝較為簡(jiǎn)單,而對(duì)于陽(yáng)離子乳化瀝青,添加氯化鈣穩(wěn)定劑則可顯著改善乳液的穩(wěn)定性[2-4].因此,選用SBR膠乳作為改性劑,并加入氯化鈣作為穩(wěn)定劑,以制備改性乳化瀝青,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 SBR改性乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料特性分析

集料特性一般包括幾何、物理、力學(xué)及化學(xué)特性.文獻(xiàn)[11]表明,集料粒徑、酸堿性、比表面積以及表面電位等對(duì)破乳過(guò)程影響顯著.因此,本文選定石灰?guī)r、玄武巖和花崗巖3種常見(jiàn)集料,分析其酸堿性、比表面積及表面電位特性.文獻(xiàn)[12]表明,粒徑小于0.3 mm的集料比表面積約占集料總比表面積的80%.考慮到膠漿黏度儀對(duì)集料粒度的要求,本文最終選擇了0.3,0.15,0.075 mm集料進(jìn)行破乳評(píng)價(jià)研究.分別采用X熒光光譜儀、比表面積儀、電滲儀測(cè)定了集料的主要化學(xué)成分、比表面積和表面ζ電位,結(jié)果見(jiàn)表2～表4.由表2可知,石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖中SiO2含量分別為0.76%,55.85%, 86.74%,即石灰?guī)r為堿性集料,玄武巖為中性集料,花崗巖為酸性集料.由表3可知,對(duì)于同種集料,集料的比表面積隨粒徑的減小而增大.由表4可知,石灰?guī)r表面ζ電位最高,其次為玄武巖,而花崗巖表面ζ電位則最低.

表2 集料的主要化學(xué)成分 %

表3 集料的比表面積 m2/kg

表4 集料表面的ζ電位 mV

2 結(jié)果與分析

2.1 集料酸堿性對(duì)膠漿黏度的影響

為研究集料酸堿性對(duì)細(xì)集料膠漿黏度的影響,按集料與改性乳化瀝青質(zhì)量比100∶40的比例制備了集料-改性乳化瀝青膠漿,并利用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀分別測(cè)定了瀝青膠漿在不同時(shí)刻的黏度,結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖可知,3種集料膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間由短到長(zhǎng)分別為:酸性花崗巖集料膠漿、中性玄武巖集料膠漿、堿性石灰?guī)r集料膠漿.即用中性集料制備的混合料,其可拌和時(shí)間較堿性集料混合料短,而酸性集料混合料可拌和時(shí)間最短.

(a) 0.075 mm集料

(b) 0.15 mm集料

(c) 0.3 mm集料

2.2 集料比表面積對(duì)膠漿黏度的影響

為研究集料的比表面積對(duì)集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響,以石灰?guī)r為例,按集料與改性乳化瀝青質(zhì)量比100∶40的比例制備了0.075,0.15,0.3 mm石灰?guī)r集料-改性乳化瀝青膠漿,測(cè)定了瀝青膠漿在不同時(shí)刻的黏度,結(jié)果見(jiàn)圖2.由圖可知,同種巖性集料膠漿的初始黏度隨著集料粒徑的增大而減小,即隨集料比表面積的減小,集料膠漿的初始黏度減小.這是因?yàn)閷?duì)于相同質(zhì)量的單檔集料,隨著集料粒徑的增大,其表面積總和逐漸減小;在拌和過(guò)程中, 0.075 mm集料膠漿中改性乳化瀝青乳液與集料直接接觸的面積最大,故拌和后改性乳化瀝青乳液能夠迅速破乳,使得乳液中瀝青微?；謴?fù)到原有的瀝青性能,增大了集料膠漿的內(nèi)聚力,在宏觀上表現(xiàn)為集料膠漿黏度的增加.同種巖性的集料膠漿黏度值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也隨著粒徑的增大而增加.這是因?yàn)榧狭皆酱?改性乳化瀝青乳液與集料直接接觸的面積越小;乳液前期破乳而產(chǎn)生的瀝青聚集在集料表面形成穩(wěn)定的瀝青薄膜,阻礙了乳液與集料直接接觸,進(jìn)而對(duì)尚未破乳的乳液的破乳過(guò)程起到了一定的阻礙作用,導(dǎo)致大粒徑集料膠漿的黏度增長(zhǎng)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間.

圖2 石灰?guī)r集料比表面積對(duì)膠漿黏度的影響

2.3 集料表面電荷對(duì)膠漿黏度的影響

為了研究集料表面電荷特性對(duì)集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響,分別采用石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖集料制備了0.075,0.15,0.3mm細(xì)集料膠漿.為了消除集料比表面積的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,分別調(diào)整了玄武巖及花崗巖集料砂漿的配比(見(jiàn)表5),測(cè)定了瀝青膠漿在不同時(shí)刻的黏度,結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖可知,對(duì)于具有相同粒徑的集料膠漿的初始黏度值,花崗巖集料膠漿最大,玄武巖集料膠漿次之,而石灰?guī)r集料膠漿最小,表明集料表面ζ電位越高,具有相同粒徑的集料膠漿的初始黏度值越小.

表5 集料與改性乳化瀝青的質(zhì)量比

(b) 0.15 mm集料

(c) 0.3 mm集料

各集料膠漿黏度變化都呈先增加的趨勢(shì),然后逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值,這是由于隨著改性乳化瀝青乳液破乳進(jìn)程的逐漸推進(jìn),集料表面被瀝青裹覆的面積增大,阻斷了改性乳化瀝青乳液與集料間的直接接觸,乳液的破乳速度放緩,進(jìn)而導(dǎo)致集料膠漿的黏度增長(zhǎng)率變小,直到膠漿黏度達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).各集料膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間由短到長(zhǎng)依次為:花崗巖集料膠漿、玄武巖集料膠漿、石灰?guī)r集料膠漿,表明集料表面ζ電位越高,各集料膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng);這是因?yàn)榧媳砻姒齐娢辉礁?改性乳化瀝青乳液的中瀝青微粒周圍的擴(kuò)散雙電層保護(hù)膜越不容易破裂,乳液的破乳速度越慢.帶正電荷的集料需經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)電離作用,在集料表面附近的溶液中產(chǎn)生一定量的負(fù)電荷,使得乳液中瀝青微粒周圍的擴(kuò)散雙電層保護(hù)膜破裂,在集料表面逐漸形成瀝青膜,導(dǎo)致集料膠漿黏度逐漸變大.

3 結(jié)論

1) 隨著改性乳化瀝青的破乳,瀝青膠漿的黏度逐漸增大并趨于穩(wěn)定.膠漿黏度穩(wěn)定所需的時(shí)間越短,表明改性乳化瀝青破乳越快,而集料酸堿性、比表面積和表面電荷對(duì)其均有明顯影響.

2) 集料酸性越強(qiáng),膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間越短;而同種巖性的集料比表面積越大,膠漿的初始黏度越大,膠漿黏度穩(wěn)定時(shí)間越短.

3) 3種集料表面ζ電位由低到高的順序?yàn)?花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r.這表明同等粒徑下,集料表面ζ電位值越高,膠漿初始黏度越小,而膠漿黏度穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng).

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Effects of aggregate characteristics on viscosity of aggregate-modified emulsified asphalt mortar

Zhang Jiupeng1Jia Yanshun1Pei Jianzhong1Luo Zijun2Ma Xuejun3

(1Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064,China) (2Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Tongji University, Shanghai 200092,China) (3Beijing Jiaoke Transport Consultants Ltd., Beijing 100191,China)

Limestone, basalt and granite fine aggregates with different sizes were selected to prepare aggregate-modified emulsified asphalt mortar. The chemical composition, specific surface areas, the surface charges of aggregates and the rotational viscosities of modified-emulsified asphalt mortars were measured. The effect laws of aggregate characteristics on the viscosity of aggregate-modified emulsified asphalt mortar were analyzed. The results show that the mortar viscosity increases and tends to stabilize during the demulsification of modified emulsified asphalt. The stabilizing time of acidic aggregates mortar is the shortest. For the mortars mixed with the aggregates with the same lithology, the larger the specific surface area of aggregates, the larger the initial viscosity and the shorter the stabilizing time. For the mortars mixed with the aggregates with the same specific surface area, the bigger the ζ potential value on aggregate surface, the smaller the initial viscosity and the longer the stabilizing time. The shorter stabilizing time of mortar viscosity implies a faster demulsification speed of modified emulsified asphalt and the time available for construction would be shorter.

road engineering; aggregate; modified emulsified asphalt; mortar; viscosity

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.030

2014-11-02. 作者簡(jiǎn)介: 張久鵬(1983—),男,博士,副教授,zhjiupeng@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378073，51408043，51408047)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JQ7278).

張久鵬，賈彥順，裴建中，等.集料特性對(duì)集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(3):586-590.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.030

U414

A

1001-0505(2015)03-0586-05