環(huán)保型改性乳化瀝青的制備及其性能研究

楊明珠 張?zhí)? 楊文平

摘 要：為了制備兼具路面養(yǎng)護(hù)和環(huán)保的改性乳化瀝青，本文嘗試?yán)描F氮共摻雜二氧化鈦材料（Fe-N-TiO2）和丁苯膠乳（SBR膠乳）對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性。通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究不同材料摻量對改性乳化瀝青性能的影響，通過極差分析法確定出材料最佳配比。

關(guān)鍵詞：改性乳化瀝青;丁苯膠乳;正交試驗(yàn)法

中圖分類號：TE626.86文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0131-03

Study on Preparation and Performance of Environmental

Modified Emulsified Asphalt

YANG Mingzhu ZHANG Ti YANG Wenping

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In order to prepare modified emulsified asphalt with pavement maintenance and environmental protection， this paper attempted to use Fe-N-TiO2 and SBR latex to modify asphalt. Through orthogonal test， the influence of different material content on the performance of modified emulsified asphalt was studied， and the best material ratio was determined by range analysis.

Keywords： modified emulsified asphalt;SBR latex;orthogonal test

截至2019年末，全國公路總里程501.25萬km，全國四級及以上等級公路里程469.87萬km，占公路總里程的93.7%[1]。交通對路面的要求越來越高，提高路面的使用性能已經(jīng)成為道路工程研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。改性乳化瀝青是指采用各種措施使乳化瀝青性能得以改善的乳化瀝青，作為一種良性的道路建筑材料，其被廣泛應(yīng)用于道路施工、養(yǎng)護(hù)等領(lǐng)域。

汽車尾氣和PM2.5污染是伴隨著我國公路里程增加產(chǎn)生的大氣污染現(xiàn)象，因此，加強(qiáng)汽車尾氣催化分解型路面材料的研究具有重要的環(huán)境效益和社會意義。二氧化鈦（TiO2）是一種常用的環(huán)保型催化劑，具有反應(yīng)速率快、溫和、價格低廉、不會產(chǎn)生有害物質(zhì)等優(yōu)勢，主要用于污水處理、氣體凈化、材料改性等領(lǐng)域[2]。研究發(fā)現(xiàn)，正負(fù)離子共同摻雜二氧化鈦時會由于產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)而提高二氧化鈦的催化效率[3-5]，因此，F(xiàn)e-N共摻雜二氧化鈦具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。但目前的研究多采用將二氧化鈦復(fù)合材料噴涂于路面上進(jìn)行路面材料光催化研究，而對于將二氧化鈦復(fù)合材料作為乳化瀝青改性劑的研究較少，故本文主要探討Fe-N-TiO2作為基質(zhì)瀝青和乳化瀝青改性劑對瀝青性能的影響。

1 原材準(zhǔn)備

本試驗(yàn)選用鄭州市金祥化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的70號瀝青，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[4-5]，在25、15、5 ℃恒溫水浴條件下進(jìn)行道路石油瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求，可用于改性乳化瀝青試驗(yàn)中。

2 Fe-N-TiO2改性瀝青性能評價

本試驗(yàn)所用乳化劑為陽離子乳化劑JY-R6M，改性劑選用JYSBR65陽離子丁苯膠乳（SBR膠乳），助劑選用添加無水CaCl2、鹽酸。為探討Fe-N-TiO2作為基質(zhì)瀝青改性劑對瀝青性能的影響，將光催化效果最佳的Fe-N-TiO2作為改性劑摻入基質(zhì)瀝青，經(jīng)過高速剪切后得到改性瀝青。改性后的瀝青針入度有所提高，延度和軟化點(diǎn)則有所降低，但各項(xiàng)指標(biāo)均在瀝青相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]規(guī)定的正常使用范圍之內(nèi)，沒有對瀝青基本性質(zhì)造成影響?？梢耘卸?，在一般條件下，F(xiàn)e-N-TiO2可以作為改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。Fe-N-TiO2改性瀝青試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3 改性乳化瀝青的制備工藝

改性乳化瀝青的生產(chǎn)與制備有兩個非常重要的工藝過程，即瀝青的乳化和瀝青的改性。根據(jù)對瀝青乳化和改性的不同順序，其生產(chǎn)和制備可以分為三種不同的制備工藝：乳化瀝青的改性（先乳化后改性）、改性瀝青的乳化（先改性后乳化）、乳化和改性一起進(jìn)行（一邊進(jìn)行乳化一邊進(jìn)行改性）。其中，先乳化后改性的改性乳化瀝青的制備工藝最為成熟，操作最為簡單，優(yōu)選為本次試驗(yàn)所選用的制備方案。先乳化后改性的制備工藝具有操作簡單、對設(shè)備要求不高的特點(diǎn)，但是只適合膠乳狀的改性劑，本研究選用SBR膠乳和Fe-N-TiO2改性劑復(fù)合使用以滿足其技術(shù)要求。

根據(jù)改性乳化瀝青的組成和改性乳化瀝青的生產(chǎn)工藝，改性乳化瀝青制備思路為：先將乳化劑與瀝青經(jīng)過乳化作用制得乳化瀝青，然后再將SBR膠乳、Fe-N-TiO2改性劑加入乳化瀝青溶液中，最后制備得到環(huán)保型改性乳化瀝青。制備的主要流程如下。

第一，瀝青準(zhǔn)備。瀝青準(zhǔn)備就是將瀝青加熱到適宜的溫度呈流動狀態(tài)。本研究將稱量好的基質(zhì)瀝青置于烘箱中，調(diào)節(jié)溫度至130 ℃，加熱至瀝青熱熔狀態(tài)，瀝青能夠自由流動。對溫度的把握原則是將瀝青加熱到流動狀態(tài)，能方便地加入皂液中即可。

第二，皂液準(zhǔn)備。按照試驗(yàn)方案（見表2）的相關(guān)配比在75 ℃左右的水中加入陽離子乳化劑，并將稱量好的CaCl2等試驗(yàn)助劑緩慢加入，增加水相電荷;充分?jǐn)嚢枋瓜嚓P(guān)材料溶解，加入鹽酸調(diào)節(jié)pH值至乳化劑推薦值（2～2.5），以增強(qiáng)乳液的穩(wěn)定性;在70 ℃恒溫環(huán)境箱中保溫15 min后得到皂液。

第三，乳化瀝青的制備。將皂液和熔融狀態(tài)下的熱瀝青經(jīng)過機(jī)器乳化，得到陽離子乳化瀝青冷卻備用。

第四，改性乳化瀝青的制備。先將SBR膠乳與Fe-N-TiO2攪拌混合為復(fù)合改性溶液，然后與冷卻后的陽離子乳化瀝青在勻速剪切機(jī)中低速攪拌（500 r/min），最終得到以Fe-N-TiO2為改性劑的環(huán)保型改性乳化瀝青。

4 Fe-N-TiO2改性乳化瀝青的材料配比方案研究

為了準(zhǔn)確研究各原材對改性乳化瀝青的影響程度，確定最優(yōu)材料配比，本文采用正交試驗(yàn)對環(huán)保型改性乳化瀝青主要摻加材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過乳化劑摻量、SBR膠乳改性劑摻量、Fe-N-TiO2改性劑摻量來確定最佳組合，進(jìn)而制備環(huán)保型的Fe-N-TiO2改性乳化瀝青。

在Fe-N-TiO2改性乳化瀝青制備過程中，m（瀝青）∶m（水）取60∶40，無水CaCl2穩(wěn)定劑的摻量為0.25%，重點(diǎn)需要考慮的是乳化劑、SBR膠乳、Fe-N-TiO2以及改性階段的剪切時間四個因素。根據(jù)常規(guī)試驗(yàn)方法，每個因素取三個水平進(jìn)行研究則需要做81組試驗(yàn)，而采用正交表L9（34）[L9（34）]安排試驗(yàn)，只需要進(jìn)行9組試驗(yàn)，可以大大減少試驗(yàn)的次數(shù)，在保證試驗(yàn)結(jié)果有效的前提下降低試驗(yàn)難度。本試驗(yàn)采用的陽離子乳化劑的摻量為2.0%、3.0%、4.0%，SBR膠乳改性劑摻量為2.0%、4.0%、6.0%，F(xiàn)e-N-TiO2改性劑摻量5.0%、7.0%、10.0%，剪切時間為1、3、5min。設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案見表2。

5 Fe-N-TiO2改性乳化瀝青的材料配比結(jié)果分析

試驗(yàn)采用瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)三大指標(biāo)以及儲存穩(wěn)定性作為評價改性乳化瀝青性能的參數(shù)值。根據(jù)表2所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)分析，其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

本次試驗(yàn)沒有空列，可采用極差分析法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

其中，k值表示每個因素各水平的試驗(yàn)結(jié)果總值的平均值，大小表示反應(yīng)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度;極差值R表示在相同條件下，不同水平時均值k的最大值與最小值之差。

分析上述數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。

隨著乳化劑摻量增加，乳化效果得到增強(qiáng)，蒸發(fā)殘留物的高低溫性也能得以提升，但過多的乳化劑會促使殘留物的針入度升高、延度降低，從而降低體系的綜合性能。

隨著SBR改性劑摻量的增加，殘留物的針入度先減小后增大，軟化點(diǎn)變化幅度不大，5 ℃延度顯著增大?？梢姡琒BR提升了復(fù)合體系的低溫柔韌性，可以顯著提升體系的低溫性能和防止流動變形，但高溫性能提升不大。

當(dāng)Fe-N-TiO2摻量不大于7%時，各項(xiàng)指標(biāo)變化幅度不大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。可見，少量Fe-N-TiO2對改性乳化瀝青的基本性能影響不大。

當(dāng)剪切時間從1 min增加到3 min，瀝青的高低溫性能、變形協(xié)調(diào)性呈現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)趨勢，這是改性乳化體系中的復(fù)配改性劑與乳化瀝青融合更充分的結(jié)果。但是，隨著剪切時間繼續(xù)增加，趨勢變緩，說明剪切3 min左右即可達(dá)成改性效果。

根據(jù)以上結(jié)果，可以推測改性劑SBR和Fe-N-TiO2在復(fù)合體系中以物理混合改性為主，當(dāng)二者摻量適宜時有助于形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)體系的穩(wěn)定化，摻量過多時，則多余的改性劑會聚集產(chǎn)生絮凝，破壞復(fù)合體系的平衡狀態(tài)。

6 結(jié)論

①隨著乳化劑摻量增加，乳化效果得到增強(qiáng)，蒸發(fā)殘留物的高低溫性也得以提升，但過多的乳化劑會促使殘留物的針入度升高、延度降低，從而降低體系的綜合性能。

②隨著SBR改性劑摻量的增加，殘留物的針入度先減小后增大，軟化點(diǎn)變化幅度不大，5 ℃延度顯著增大。SBR提升了復(fù)合體系的低溫的柔韌性，可以顯著提升體系的低溫性能和防止流動變形的能力。

③Fe-N-TiO2摻量的增加能降低瀝青的針入度、軟化點(diǎn)5 ℃延度等性能指標(biāo)。當(dāng)其摻量小于7%時，各項(xiàng)指標(biāo)保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，不影響瀝青的正常使用。

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