改性乳化瀝青儲存穩定性研究

常皓宇，劉文昶，杜曉博，張宏超

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

隨著我國道路交通事業的迅速發展，大量已建公路漸漸進入養護維修期，相比于傳統的熱拌瀝青混合料，使用改性乳化瀝青制得的微表處混合料養護施工更加便捷、綠色環保，因此在工程中應用十分廣泛。由于乳化瀝青是一種油水混溶的不穩定體系，儲存過程中往往會出現瀝青顆粒絮凝、聚結的現象，既不利于乳化瀝青的長期儲存，在實際施工中也會帶來色澤不均、松散等問題。開展乳化瀝青儲存穩定性研究，對提升微表處施工質量有重要意義，有利于乳化瀝青在道路養護領域的推廣應用[1]。

本研究通過復配得到一種改性瀝青乳化劑，并對其儲存穩定性進行了研究，以在乳化劑使用時能獲得性能穩定、質量較高的乳化瀝青產品。

1 試驗部分

1.1 原材料及試驗設備

試驗主要原材料包括ESSO70 號基質瀝青，SBR膠乳，乳化劑有效組分A、B、C，穩定劑，鹽酸等。

基質瀝青：實驗選用的基質瀝青為ESSO70號瀝青，其主要技術指標檢測結果如表1所示。

表1 70 號基質瀝青的主要性質

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，性質如表2所示。

表2 乳化劑有效組分主要性質

穩定劑：試驗中所用穩定劑包括聚乙烯醇與無水氯化鈣。

乳化設備：乳化設備使用JM-L65 型衛生立式膠體磨，電機轉速為2 900 r/min，加工細度為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置入反應釜中，加熱至70～80 ℃，使原材料由膏體狀逐漸融解成液態。再向反應釜中加入小分子溶劑，繼續加熱并攪拌均勻，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 膠乳和無機酸，調節pH 值至2～3 之間，形成皂液。啟動膠體磨，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JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中關于BCR 改性乳化瀝青和微表處的技術要求，對乳化瀝青和微表處混合料的各項性能指標進行檢測。乳化瀝青儲存穩定性檢測參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0655—1993 試驗方法進行，儲存穩定性的數值越小，表明乳化瀝青的儲存穩定性越好。

2 結果與論證

2.1 乳化劑對儲存穩定性的影響

2.1.1 乳化劑組分設計對儲存穩定性的影響

針對乳化劑三種有效成分，設計了7 種不同的配伍方案，考察乳化劑組分設計對儲存穩定性的影響，乳化劑設計方案如表3。

分別以上述方案的乳化劑制備乳化瀝青，其儲存穩定性試驗結果如圖1所示。

表3 乳化劑設計方案 %

圖1 乳化劑儲存穩定性結果

分析試驗結果可知，整體看來，采用設計方案4～7 制備的乳化瀝青比設計方案1～3 制備的乳化瀝青儲存穩定性更好，這是由于設計方案4～7 中有效組分的分子種類更多，在乳化過程中，多種分子會產生協同效應，協同后乳化劑分子可以進一步降低瀝青-水界面的表面張力，增加界面膜的強度，提高儲存穩定性。對比各方案儲存穩定性檢測結果，最終確定乳化劑組分配比按方案6 設計，組分A、B、C 比例為20 ∶30 ∶50，此種方案生產的乳化劑性能穩定，能獲得較好的乳化效果。

2.1.2 乳化劑摻量對儲存穩定性的影響

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，其儲存穩定性試驗結果如圖2所示。

圖2 不同乳化劑摻量下乳化瀝青儲存穩定性

分析試驗結果可知，隨著乳化劑摻量的提高，乳化瀝青儲存穩定性也得到顯著提升。這是由于當乳化劑濃度較低時，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定存在。隨著乳化劑摻量提高，瀝青-水界面膜強度逐漸增加，形成較為穩定的乳化瀝青溶液[2]。當乳化劑摻量到達一定程度后，界面膜強度不會再繼續升高，此時繼續摻加乳化劑不會進一步提高儲存穩定性，綜合考慮最終確定乳化劑摻量為2%。

2.2 皂液pH 值對儲存穩定性的影響

為保證乳化效果，制備乳化瀝青時往往需要進行調酸，研究中利用鹽酸調節皂液的pH 值，研究pH 值變化對乳化瀝青儲存穩定性的影響，見圖3。

圖3 不同皂液pH 值乳化瀝青儲存穩定性

由圖3試驗結果可知，隨著皂液pH 值降低，酸性增強，乳化瀝青的儲存穩定性得到提升，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，增強了乳化劑的親水性，從而使乳化瀝青的儲存穩定性提升[3]。但是pH值也不宜過低，否則既不能進一步改善乳化效果，也可能造成設備損壞，綜合考慮最終確定皂液pH 建議值為2～3 之間。

2.3 改性劑對儲存穩定性的影響

摻加改性劑可以有效改善乳化瀝青的性能指標，研究中分析了SBR 膠乳摻量對改性乳化瀝青儲存穩定性和蒸發殘留物三大指標的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同SBR 摻量對乳化瀝青性質影響

從圖4分析試驗結果可知，隨著SBR 膠乳摻量增加，改性乳化瀝青的儲存穩定性會大幅下降，不能滿足規范要求，這是由于SBR 膠乳加入會增加乳化瀝青的黏度，使瀝青顆粒更容易聚結絮凝，從而導致儲存穩定性下降[4]。同時隨著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%，并加入適量穩定劑來改善乳化瀝青儲存穩定性。

2.4 穩定劑對儲存穩定性的影響

研究表明摻加穩定劑能大大提高乳化瀝青的儲存穩定性，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配（復配比例為1 ∶1）三種穩定劑進行對比試驗，試驗結果見圖5。

對比圖5結果可發現將聚乙烯醇與氯化鈣復配后效果更好，更有利于儲存穩定性的提升，這是由于氯化鈣屬于無機穩定劑，可以提高水的密度，聚乙烯醇屬于有機穩定劑，可以提高水的黏度，二者結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，從而提高了乳化瀝青體系的穩定性[5]。

同時，整體看來隨著穩定劑用量增加，改性乳化瀝青的儲存穩定性也逐漸提高，在穩定劑摻量為0.4%時，改性乳化瀝青儲存穩定性還不能滿足BCR 改性乳化瀝青的技術要求，當摻量達到0.6%～1%后，改性乳化瀝青儲存穩定性較好，最終確定穩定劑用量為0.8%。

圖5 穩定劑對儲存穩定性影響

3 乳化瀝青性能檢測

參照試驗結果，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，并對其各項性能指標進行檢測，試驗結果見表4。

表4 改性乳化瀝青性能檢測結果

由表4可見，所得改性乳化瀝青綜合性能良好，各項技術指標都能滿足瀝青路面施工技術規范中的相關要求。

4 結論

a）復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 時能獲得最佳的乳化效果。

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

c）將無機穩定劑與有機穩定劑復配，能更有效提高儲存穩定性指標。

d）復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，性能滿足規范相關技術要求。