微表處改性乳化瀝青的儲存穩定性試驗研究

南兵章，王玉波，張星宇，王兆力，丁紅麗，賈曉凡

（1.甘肅路橋建設集團養護科技有限責任公司，蘭州 730300；2.甘肅路橋建設集團有限公司，蘭州 730050；3.甘肅省道面工程技術研究中心，蘭州 730300；4.甘肅省公路再生技術工程研究中心，蘭州 730300）

微表處混合料主要由改性乳化瀝青、礦料、礦 粉、填料和水等組成，改性乳化瀝青的技術品質決定了混合料的施工性能、路用性能及耐久性［1-2］.改性乳化瀝青是高溫熔融的瀝青經過機械剪切研磨和乳化劑的化學穩定形成一種水包油的乳濁液，再添加改性膠乳制備而成.乳化劑、基質瀝青、皂液pH、改性膠乳、制備工藝等對改性乳化瀝青的技術性能具有重要影響.

改性乳化瀝青的固含量、延度、軟化點、粘度等指標容易控制，但儲存穩定性指標往往不滿足規范［3］要求，影響儲存運輸和使用推廣.規范［3］要求改性乳化瀝青1 d儲存穩定性指標不超過1.0%，5 d儲存穩定性指標不超過5.0%，在大量的試驗研究和工程檢測中發現，5 d的儲存穩定性指標較1 d的儲存穩定性指標更難達到，1 d的儲存穩定性合格，5 d的儲存穩定性可能會不合格，而5 d的儲存穩定性合格，1 d的儲存穩定性也合格.究其原因，主要是瀝青微粒的密度大于乳化劑水溶液的密度，在重力作用下不斷下沉，儲存管中乳化瀝青上面部分隨著瀝青微粒越來越少，密度變小，浮力減小，粘度降低，導致瀝青微粒下沉速度隨著儲存時間的延長而加快.因此，應采用5 d儲存穩定性，來評價改性乳化瀝青的儲存性能.

現有研究主要針對粘層、透層等用途的乳化瀝青的儲存穩定性進行研究，且主要側重少量組分［4-8］.而微表處改性乳化瀝青的乳化劑屬于慢裂快凝類型，成分復雜，粘度很小，對儲存穩定性產生不利影響，且摻加較多的SBR膠乳形成的改性乳化瀝青體系更為復雜，將瀝青微粒作為分散相、乳化劑水溶液作為分散介質的一種體系和丁苯橡膠作為分散相、其他類型乳化劑水溶液作為分散介質的另一種體系進行物理融和，瀝青微粒和SBR微粒的比重、分子量和粒徑分布差異，兩種乳化劑水溶液組分差異，這些因素加劇儲存穩定性指標進一步變差［9-10］.本研究針對皂液pH、乳化劑、基質瀝青、固含量、SBR膠乳、穩定劑、制備溫度等參數對5 d儲存穩定性的影響進行全面試驗研究，總結各參數的影響規律和顯著程度，提出解決方法和最佳取值，為微表處改性乳化瀝青的制備生產、質量控制及其他類型乳化瀝青的研究提供參考.

1 試驗用原材料

1.1 基質瀝青

改性乳化瀝青中基質瀝青所占比例最大，達到60%以上，不僅與路用性能密切相關，而且影響儲存穩定性.試驗采用廣泛應用的SK90＃、鎮海90＃、殼牌90＃三種A級基質瀝青，技術指標如表1所列.

表1 基質瀝青技術指標Tab．1 Base Asphalt Specifications

1.2 乳化劑

乳化劑是制備改性乳化瀝青的關鍵材料［11］.乳化劑是由極性親水基團和非極性親油基團構成的一種表面活性劑，親油基團融入瀝青，親水基團融入水中，形成定向排列的結構，降低瀝青與水之間的界面張力，最終形成一種水包油的混合乳液［12-13］.采用MQ65、MQ3和JY-R7M三種微表處常用的慢裂快凝型乳化劑，常溫下均為液體.

1.3 添加劑

皂液pH對乳化劑的乳化效果極為重要，對于慢裂快凝型乳化劑，即使乳化劑用量足夠，如果皂液pH配制不當，也會導致乳化效果不好，瀝青微粒粒徑偏大或及分布不均勻，甚至基質瀝青無法乳化.試驗采用鹽酸來調節皂液pH.該鹽酸無色，具有刺鼻氣味，相對密度1.21，相對分子質量36.46，氯化氫含量38%.

1.4 穩定劑

無機類穩定劑選擇分析純氯化鈣和硫酸鈉，有機類穩定劑選擇分析純黃原膠和羧甲基纖維素CMC.無水氯化鈣：有效含量≥96.0%，不溶物及氫氧化銨沉淀物≤0.015%，游離堿≤0.020%，磷酸鹽≤0.003%，硫酸鹽≤0.020%；硫酸鈉：有效含量≥99.0%，pH=5.0～8.0，氯化物≤0.001%，磷酸鹽≤0.001%，不溶物≤0.005%；黃原膠：有效物質含量≥99%，pH=6.0～8.0，干燥失重≤13%，灰分≤13%，總氮≤1.5%；羧甲基纖維素：密度=0.99 g／cm3，有效含量≥99%，代替度（D.S）≥0.9，pH=6.0～8.5，2%粘度=800～1 200 Pa·s.

1.5 改性膠乳

微表處改性乳化瀝青通常采用SBR膠乳，SBR膠乳由丁二烯和苯乙烯在低溫條件經聚合而成［14］，膠乳與瀝青發生交聯，形成三維網狀結構，從而提高路用性能［15］.選取INDULIN1468、PC1468C和JR65三種陽離子膠乳，pH=2-4，均具有良好的高溫性能、低溫性能、拌合效果、與石料的粘結裹附能力，顯著提升微表處混合料的強度和耐久性.

1.6 水

試驗用水采用自來水.

2 制備與測試方法

采用ENH膠體磨制備微表處改性乳化瀝青.ENH膠體磨作為一款中試設備，具備瀝青和皂液循環、加熱系統，可準確控制溫度、流量、固含量.皂液配制過程：首先在3 000 mL燒杯中將一定質量的乳化劑與水混合，水溫60℃，邊攪拌邊添加鹽酸，待pH達到要求值，將膠乳、穩定劑加入攪拌均勻，皂液配制完成；制備準備：將皂液加入膠體磨皂液罐，將140℃的熔融基質瀝青加入膠體磨瀝青罐，啟動循環，根據試驗需求，分別設定皂液和瀝青的溫度、流量；制備過程：待溫度、流量達到設定要求，開啟磨機，皂液和瀝青從循環模式切換到進磨模式，瀝青被研磨成微米級的微粒，通過乳化劑的界面活性及分散作用，形成較穩定體系.

規范［16］對（改性）乳化瀝青的5 d儲存穩定性試驗方法進行了規定：取通過1.18 mm方孔篩的（改性）乳化瀝青樣品約300 mL，緩慢注入準備好的穩定性試驗管內，液面至250 mL標線處為止，去除氣泡，管口塞好橡膠塞，室溫下靜置5 d時間，分別取出上支管口上面和下支管口下面各約50 mL（改性）乳化瀝青，分別測試固含量，上下部分固含量的差值的絕對值，即為該（改性）乳化瀝青的5 d儲存穩定性.

3 試驗過程及結果分析

3．1 皂液pH對儲存穩定性的影響

采用SK90?；|瀝青，乳化劑MQ65、MQ3和JYR7M用量均為1.8%，皂液按照pH=1.5、pH=2.0、pH=2.5、pH=3.0、pH=3.5分別配制，皂液溫度50℃，瀝青溫度140℃，固含量為62.0%，不摻加膠乳和穩定劑.結果如圖1所示，調整皂液pH，5 d儲存穩定性依然不滿足規范［3］要求.但是，pH=1.5～3.0時，儲存穩定性優于pH=3.5時，且1.18 mm篩上剩余量為零；pH=3.5時，MQ65和JY-R7M乳化效果較差，1.18 mm篩上殘留物較多，不滿足規范［3］要求，儲存穩定性也最差.因為三種乳化劑均屬于pH響應類型，調節pH使得乳化劑分子結構和活性隨之變化.不斷添加鹽酸，pH逐步降低，乳化劑溶解度提高，皂液從渾濁逐漸變得透亮，但pH太低，也會損壞乳化劑的分子結構.

圖1 皂液p H對儲存穩定性的影響結果Fig．1 Effects of pH of soap solution on storage stability

3.2 乳化劑用量對儲存穩定性的影響

采用SK90?；|瀝青，乳化劑MQ65、MQ3和JYR7M用量均為1.4%、1.6%、1.8%、2.0%、2.2%，皂液pH=2.5，皂液溫度50℃，瀝青溫度140℃，固含量為62.0%，不摻加膠乳和穩定劑.結果如圖2所示，乳化劑用量從1.4%提高至1.8%時，乳化瀝青的儲存穩定性改善較明顯，從1.8%提高至2.2%時，儲存穩定性改善較小，仍然不滿足要求.主要是因為乳化劑用量提高，界面張力進一步降低，界面膜強度和雙電層結構進一步增強，當乳化劑用量繼續提高，乳化劑分子從定向排列轉變為聚集膠態，對乳化效果和儲存穩定性的改善效果達到上限.

圖2 乳化劑用量對儲存穩定性的影響結果Fig．2 Effects of emulsifier dosage on storage stability

3.3 基質瀝青對儲存穩定的影響

乳化劑MQ65、MQ3和JY-R7M用量均采用1.8%，皂液pH=2.5，基質瀝青采用SK90＃、鎮海90＃、殼牌90＃，皂液溫度50℃，瀝青溫度140℃，固含量為62.0%，不摻加膠乳和穩定劑.結果如圖3所示，三種基質瀝青制備的乳化瀝青的儲存穩定性均不滿足規范［3］要求，但SK90＃制備的乳化瀝青儲存穩定性優于鎮海90＃和殼牌90＃，乳化劑MQ65略好于MQ3和JY-R7M.

圖3 基質瀝青對儲存穩定性的影響結果Fig．3 Effects of base asphalt on storage stability

3.4 固含量對儲存穩定性的影響

采用MQ65乳化劑與SK90＃、鎮海90＃和殼牌90?；|瀝青制備乳化瀝青，MQ65用量為1.8%，皂液pH=2.5，皂液溫度50℃，瀝青溫度140℃，不摻加膠乳和穩定劑，固含量分別為55%、58%、62%和65%.結果如圖4所示，隨著固含量提高，乳化瀝青中瀝青微粒增多，表面積增大，粘度提高，乳化瀝青的儲存穩定性有所改善.但通過提高固含量來改善儲存穩定性的效果有限，固含量增大，1.18 mm篩上剩余量增多，乳化瀝青水包油結構趨向不穩定，且成本較高.

圖4 固含量對儲存穩定性的影響結果Fig．4 Effects of solids content on storage stability results

3．5 SBR改性膠乳對儲存穩定性的影響

采用SK90?；|瀝青，乳化劑MQ65用量為1.8%，皂液pH=2.5，固含量62.0%，皂液溫度50℃，瀝青溫度140℃，膠 乳 采用INDULIN1468、PC1468C和JR65，分別按照0.0%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%不同用量進行試驗，不摻加穩定劑.結果如圖5所示，膠乳摻量越高，儲存穩定性越差，INDULIN1468制備的改性乳化瀝青儲存穩定性略好于其他兩種膠乳.

圖5 膠乳摻量對儲存穩定性的影響結果Fig．5 Effects of latex content on storage stability

3.6 穩定劑對儲存穩定性的影響

基質瀝青采用SK90＃，乳化劑MQ65用量為1.8%，皂液pH=2.5，固含量62.0%，皂液溫度50℃，瀝青溫度140℃，膠乳INDULIN1468摻量4.0%，穩定劑采用氯化鈣、硫酸鈉、黃原膠和羧甲基纖維素，分別按照0.0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%不同用量進行試驗.結果如圖6所示，氯化鈣和硫酸鈉對該改性乳化瀝青的儲存穩定性改善效果不明顯，無法滿足規范［3］要求；黃原膠用量僅為0.4%時滿足規范［3］要求.羧甲基纖維素用量在0.3%～0.4%時，儲存穩定性均滿足規范［3］要求，改善效果最為顯著.主要原因是羧甲基纖維素溶解形成一種光滑粘稠的假塑性流動液體，快速攪拌時粘度降低，靜置時粘度增大，可有效防止瀝青微粒的下沉，提升儲存穩定性.

圖6 穩定劑對儲存穩定性的影響結果Fig．6 Effects of stabilizers on storage stability results

3.7 制備溫度對儲存穩定性的影響

采用SK90＃基質瀝青，乳化劑MQ65用量為1.8%，皂液pH=2.5，固含量62.0%，INDULIN1468摻量為4.0%，羧甲基纖維素用量0.3%，調整皂液溫度和瀝青溫度，制備改性乳化瀝青.結果如表2所列，皂液溫度為40℃和60℃時，儲存穩定性較差；皂液溫度為45℃和50℃時，瀝青溫度從135℃提升至150℃，儲存穩定性越來越好；皂液溫度為55℃時，瀝青溫度從135℃提升至145℃，儲存穩定性表現良好.究其原因，主要是皂液和瀝青溫度較低或者較高，影響乳化劑活性和乳化效果，對儲存穩定性不利.

表2 制備溫度對儲存穩定性的影響結果Tab．2 Effects of preparation temperature on storage stability

3.8 配方優化后的微表處改性乳化瀝青的技術指標

綜上，采用SK90?；|瀝青，乳化劑MQ65用量為1.8%，皂液pH=2.5，固含量62.0%，INDULIN1468摻量為4.0%，羧甲基纖維素CMC用量為0.3%，按照皂液溫度55℃、基質瀝青溫度140℃的工藝，制備改性乳化瀝青.結果如表3所列，摻加0.3%的羧甲基纖維素，改性乳化瀝青的儲存穩定性顯著改善，恩格拉粘度增大，其他指標均滿足規范［3］要求.

表3 配方優化后的微表處改性乳化瀝青的技術指標Tab．3 Technical indicators of micro-surface modified emulsified asphalt after formulation optimization

4 結論

1）調整皂液pH、乳化劑及用量、基質瀝青種類、固含量，雖在一定程度上可改善微表處改性乳化瀝青的儲存穩定性，但效果有限，難以達到規范［3］要求.

2）摻加SBR膠乳不利于乳化瀝青的儲存穩定性，且摻量越高，儲存穩定性越差.

3）氯化鈣、硫酸鈉、黃原膠對改性乳化瀝青的儲存穩定性改善效果不明顯，不易滿足規范［3］要求，羧甲基纖維素可顯著改善改性乳化瀝青的儲存穩定性，摻量為0.3%～0.4%時，改性乳化瀝青的5 d儲存穩定性分別為1.6%和0.5%，均滿足規范［3］要求.

4）制備溫度對改性乳化瀝青的儲存穩定性影響較大，溫度過高或過低均影響乳化劑的活性和乳化效果，瀝青微粒粒徑偏大或分布不均，導致改性乳化瀝青的儲存穩定性較差，將皂液溫度控制在50～55℃，瀝青溫度控制在135～145℃，有利于改善改性乳化瀝青的儲存穩定性.