基于正交試驗(yàn)的乳化瀝青材料配方研究

江文凌　禤煒安　熊劍平　韋萬峰

摘要：文章以固含量、改性劑、穩(wěn)定劑作為材料配方的考察因素，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，測試評價(jià)不同試驗(yàn)方案條件下乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物參數(shù)等指標(biāo)。結(jié)果表明：對乳化瀝青性能指標(biāo)影響最大的是改性劑，固含量和穩(wěn)定劑的影響程度相當(dāng)，優(yōu)選方案為固含量為60%、改性劑為3%、穩(wěn)定劑為0.2%。該材料配方條件下SBR改性乳化瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：道路工程；乳化瀝青；材料配方；正交試驗(yàn)

0引言

乳化瀝青的研究始于20世紀(jì)初［1-2］，經(jīng)過不斷的技術(shù)完善與發(fā)展，目前乳化瀝青在道路工程中已獲得廣泛應(yīng)用，衍生出普通型或改性型、噴灑型或拌和型、不同電荷種類等多類型多場景乳化瀝青，并且大多可根據(jù)用戶需求進(jìn)行配方調(diào)試。乳化瀝青是一種多組分復(fù)合而成的瀝青材料，主要以基質(zhì)瀝青為基材，通過調(diào)節(jié)用水量、改性劑、酸堿調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑等原材料，在相匹配的機(jī)械加工工藝作用下形成常溫液態(tài)瀝青。由于其改變了基質(zhì)瀝青原有的半固態(tài)特性，多元復(fù)合材料組成體系使材料性能的變化更為敏感，不同成分之間存在適配性和最優(yōu)解。國內(nèi)外學(xué)者對乳化瀝青的材料配方也開展了大量的研究，提供了技術(shù)參考。丁湛等［3］以高固含量為目標(biāo)，研究了乳化劑摻量、乳化液pH值等對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證了固含量為60%的乳化瀝青性能并推薦了最佳工藝參數(shù)。楊同偉［4］研究了丁苯橡膠（SBR）膠乳摻量對于乳化瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響，推薦SBR膠乳的適宜摻量為4%。徐永麗等［5］采用正交試驗(yàn)法研究了瀝青加熱溫度、乳化劑摻量及皂液pH值對乳化效果的影響，給出了最佳制備方案。任海生等［6］對SBR/CR復(fù)合改性乳化瀝青的制備及性能進(jìn)行了研究，給出了SBR與CR的最佳摻量為2∶1。隨著“雙碳”發(fā)展目標(biāo)的提出，常溫型近零碳的乳化瀝青基材料備受道路工作者的推崇，如何高效獲得乳化瀝青多組分的摻配比例并且實(shí)現(xiàn)材料的高性能化，尚需進(jìn)一步深入挖掘和技術(shù)研發(fā)。

本文以固含量、改性劑、穩(wěn)定劑為材料配方考察因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，測試評價(jià)不同試驗(yàn)方案條件下乳化瀝青的篩上剩余量、1 d儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物參數(shù)三大指標(biāo)，在不同指標(biāo)評價(jià)的直觀分析法的基礎(chǔ)上，綜合對比分析，獲得乳化瀝青最佳材料配方，并對其進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 原材料

本研究使用的原材料主要有70#道路石油瀝青、陽離子乳化劑、SBR改性劑、穩(wěn)定劑等。

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青為泰普克70#道路石油瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

由表1可以看出，試驗(yàn)所用的70#道路石油瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)要求。

1.2 乳化劑

主要采用KZW-801U陽離子乳化劑，推薦摻量為2%，pH值控制在2左右。

1.3 改性劑

采用的改性劑主要為SBR膠乳，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.4 穩(wěn)定劑

研究中采用的穩(wěn)定劑是NaCl。

2 試驗(yàn)方案

研究對比不同廠家與型號的乳化劑的乳化效果，通過調(diào)研對比，在試驗(yàn)中選用了應(yīng)用效果較好且評價(jià)較高的3個(gè)廠家共6種型號的乳化劑，采用3因素3水平正交試驗(yàn)方法開展不同固含量、改性劑、穩(wěn)定劑在不同摻量條件下改性乳化瀝青的性能研究，正交試驗(yàn)表如表3所示。以相同的工藝參數(shù)按照不同試驗(yàn)編號分別加工制備改性乳化瀝青，測試其篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)等性能參數(shù)，通過正交試驗(yàn)分析法確定主要的影響因子和最佳材料配方。

按照表3開展9組不同材料配方試驗(yàn)，不同方案對應(yīng)的因素和水平信息如表4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

按照正交試驗(yàn)方案制備改性乳化瀝青，分別測試改性乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3.2 不同性能指標(biāo)直觀分析

3.2.1 篩上剩余量直觀分析

以篩上剩余量為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，極差計(jì)算結(jié)果如表6所示。

極差值R越大，說明該因素的影響程度越顯著。由表6可以看出，對乳化瀝青篩上剩余量影響程度的排序?yàn)锽改性劑＞A固含量＞C穩(wěn)定劑，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為固含量，穩(wěn)定劑的影響最弱，其極差值分別為0.10%、0.07%、0.03%。篩上剩余量越小越好，故此配方條件下最佳的方案為A1B1C1或A1B1C3。

3.2.2 儲存穩(wěn)定性直觀分析

以儲存穩(wěn)定性為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，極差計(jì)算結(jié)果如下頁表7所示。

由表7可以看出，對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性影響程度的排序?yàn)锽改性劑＞C穩(wěn)定劑＞A固含量，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為穩(wěn)定劑，固含量的影響最弱，其極差值分別為1.3%、1.0%、0.3%。儲存穩(wěn)定性固含量差值越小越好，故此配方條件下最佳的方案為A1B1C2。

3.2.3 蒸發(fā)殘留物針入度直觀分析

以蒸發(fā)殘留物針入度為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，極差計(jì)算結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出，對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物針入度影響程度的排序?yàn)锽改性劑＞A固含量＞C穩(wěn)定劑，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為固含量，穩(wěn)定劑的影響最弱，其極差值分別為0.76 mm、0.72 mm、0.68 mm，不同因素間的極差差異不大，表明各方案的差異不明顯，未存在明顯優(yōu)勢方案。

3.2.4 蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)直觀分析

以蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，極差計(jì)算結(jié)果如表9所示。

由表9可以看出，對乳化瀝青針入度影響程度的排序?yàn)锽改性劑＞C穩(wěn)定劑＞A固含量，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為穩(wěn)定劑，固含量的影響最弱，其極差值分別為3.1 ℃、1.0 ℃、0.9 ℃。蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)越高越好，故此配方條件下的最佳方案為A3B3C2。

3.2.5 蒸發(fā)殘留物延度直觀分析

以蒸發(fā)殘留物延度為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，極差計(jì)算結(jié)果如表10所示。

由表10可以看出，對乳化瀝青延度影響程度的排序?yàn)锽改性劑＞C穩(wěn)定劑＞A固含量，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為穩(wěn)定劑，固含量的影響最弱，其極差值分別為2.6 cm、1.7 cm、0.8 cm。蒸發(fā)殘留物延度越大越好，故此配方條件下最佳的方案為A1B3C2。

3.2.6 綜合直觀分析

對上述不同評價(jià)指標(biāo)的影響因素排序和最佳方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表11所示。

通過對乳化瀝青上述五項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的綜合分析可知，對乳化瀝青性能指標(biāo)影響最大的是改性劑，固含量和穩(wěn)定劑的影響程度相當(dāng)。

從乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)角度進(jìn)行優(yōu)選方案，對固含量而言，可見A1、B1或B3、C2出現(xiàn)頻次最多，因此固含量為55%、改性劑摻量為0或3%、穩(wěn)定劑為0.2%時(shí)綜合性能最優(yōu)。分析上述改性劑摻量出現(xiàn)0和3%雙選結(jié)果，對于篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性，顯然無改性劑時(shí)該兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)更優(yōu)；對于蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)和延度，顯然在一定量范圍內(nèi)，改性劑越多該兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)越好。為實(shí)現(xiàn)冷拌冷鋪瀝青混合料較好的路用性能，添加改性劑是本研究的重要技術(shù)路徑，從主次技術(shù)指標(biāo)角度分析，改性劑摻量取3%。

3.3 最佳配方性能驗(yàn)證

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由正交試驗(yàn)中確定的最佳方案往往僅是相對的，并且在新的參數(shù)組合條件下乳化瀝青的性能還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和采用單因素試驗(yàn)對比研究，從而確定各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求的最佳方案。本研究主要以固含量60%、改性劑3%、穩(wěn)定劑0.2%為材料配方，采用整體式乳化瀝青膠體磨制備樣品并進(jìn)行性能指標(biāo)檢測，試驗(yàn)結(jié)果如后頁表12所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，以SBR為改性劑的改性乳化瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)要求。

4 結(jié)語

本研究以乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物參數(shù)三大指標(biāo)為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并采用極差法進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明，對乳化瀝青性能指標(biāo)影響最大的是改性劑，固含量和穩(wěn)定劑的影響程度相當(dāng)，優(yōu)選方案為固含量60%、改性劑3%、穩(wěn)定劑0.2%。該配方條件下SBR改性乳化瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)要求。

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基金項(xiàng)目：南寧市優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培育項(xiàng)目“蔗渣纖維改性乳化瀝青混合料研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)”（編號：RC20200203）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目“廣西典型固體廢棄物道路領(lǐng)域綜合資源化利用技術(shù)研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）

作者簡介：江文凌（1988—），工程師，主要從事道路工程設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。