王天新，蔡子同

（1.齊魯高速公路股份有限公司，山東 濟南 250101；2.濱州公路養(yǎng)護工程有限公司，山東 濱州 256600）

引言

乳化瀝青廣泛應用于道路建筑和維修、舊瀝青再生、土壤穩(wěn)定、防塵固沙、屋面防水等領域，特別是在道路建設與維修養(yǎng)護中成為目前乃至相當長一段時期內(nèi)大量應用的材料。相對熱瀝青施工，乳化瀝青具有節(jié)能、降耗、安全、環(huán)保的優(yōu)勢，并且不受天氣情況影響；另外乳化劑品類較多，需要按照工程實際情況選擇合適的乳化劑品種，如陽離子、陰離子和非離子乳化瀝青等，以實現(xiàn)不同的功用特點。乳化瀝青是由基質(zhì)瀝青經(jīng)過乳化工藝制備而來，其性質(zhì)主要依賴于其基質(zhì)瀝青的性能優(yōu)劣，乳化瀝青破乳及蒸發(fā)后的殘留物的黏彈性、耐老化性能以及溫度敏感性都有不足之處，如何增加其實際應用過程中的路用性能將是一個關鍵問題[1]。同時，一些改性乳化瀝青，能夠提高道路質(zhì)量，特別是在橋面鋪裝、稀漿封層等工程中表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，但仍然存在耐磨性、黏附強度、抗老化性能方面的問題[2-3]。

隨著納米材料及技術的不斷發(fā)展和成熟，利用納米材料進行乳化瀝青改性和復合改性有望提升乳化瀝青的路用性能。研究表明，納米粒子材料具有獨特的小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，且在熱學性能、光催化性能方面表現(xiàn)獨特，如二氧化鈦（TiO2）。這些粒子材料在聚合物乳液的協(xié)同作用下，可使乳化瀝青產(chǎn)品具有良好的界面結(jié)合力和抗老化性能，同時提升材料的耐磨性、強度，并具備良好的防水效果[4-6]。

1 試驗部分

1.1 原材料

按照微表處用BCR 類改性乳化瀝青進行乳化瀝青的制備，其中乳化劑為陽離子慢裂型乳化劑，瀝青與SBR 膠乳指標見表1 ～表3，超純水采用HTHWM 型制水機自制生產(chǎn)。

表1 改性乳化瀝青制備原材料

表2 基質(zhì)瀝青性質(zhì)

表3 SBR 膠乳指標

1.2 制備工藝與條件

1.2.1 制備工藝

（1）工藝一。將改性劑加入乳化劑和水混合成的皂液中，形成改性乳化劑水溶液，然后將其與熱瀝青經(jīng)過膠體磨剪切乳化后形成改性乳化瀝青。乳化過程只經(jīng)過一道工序直接完成，步驟簡單，易操控，且一步形成的改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性強，此工藝應用于大部分改性乳化瀝青制備中。（2）工藝二。將基質(zhì)瀝青乳化成常規(guī)乳化瀝青，再將常規(guī)乳化瀝青與改性劑進行攪拌混合成為改性乳化瀝青。此工藝制備改性乳化瀝青較為簡易，但是操作過程中手法較為粗糙，僅是攪拌混合，沒有形成穩(wěn)定體系，在實際生產(chǎn)過程中并不常用。（3）工藝三。制備改性瀝青，將瀝青與改性劑經(jīng)過剪切攪拌工藝后形成改性瀝青，再將改性瀝青乳化形成改性乳化瀝青。此工藝制備過程較為復雜，且改性瀝青乳化工藝目前并不完善，乳化效果差，影響整個制備改性乳化瀝青效率。

在進行納米粉體改性乳化瀝青研究中，考慮到納米粉體的分散性，利用乳化劑的活性成分阻止納米顆粒的團聚。納米化乳化瀝青制備工藝見圖1，其中試驗采用70 #基質(zhì)瀝青、季胺鹽類乳化劑（慢裂快凝型）、SBR 膠乳（顯元化工）納米TiO2粉體，陽離子SBR 膠乳設計含量3%、油水比設計為6 ∶4。

（1）按廠家推薦的乳化劑含量2.8%，將乳化劑溶解到超純水中形成皂液；加入鹽酸調(diào)節(jié)皂液pH=2左右；皂液加熱到60 ℃，瀝青加熱至130 ℃，備用。（2）清潔、預熱乳化瀝青膠體磨，按照固含量比例計算皂液和熱瀝青用量；先將皂液倒人膠體磨中循環(huán)10 s，再將130 ℃的瀝青緩慢倒入膠體磨繼續(xù)循環(huán)60 s，形成乳化瀝青。（3）添加設計用量比例的SBR膠乳。（4）按照設計固含量質(zhì)量比例0%、1%、2%、3%，添加納米TiO2粉體，形成復合改性乳化瀝青。

從表4 可以看出，利用工藝二制備的改性乳化瀝青，其試驗結(jié)果都符合技術要求，為進行納米乳化瀝青的研制提供了材料基礎。

表4 SBR 改性乳化瀝青的試驗結(jié)果

1.2.2 制備條件

試驗發(fā)現(xiàn)，當皂液加入TiO2后，納米顆粒靠強大的遮色能力，使皂液成乳白色，并改變了皂液乳化劑的味道，而且pH 值略有降低。根據(jù)實測皂液pH 值，生產(chǎn)得到的乳化瀝青，經(jīng)過激光粒度分析儀檢測，不同pH 條件下的乳化瀝青粒徑分布存在較大的差別。

圖2 表明，通過控制pH=2 左右時，可以獲得粒度分布均勻的乳化瀝青，其平均粒度最小，可以帶來更好的存儲穩(wěn)定性。

圖2 不同pH 值制備的乳化瀝青粒度分布

2 結(jié)果與討論

2.1 流體性質(zhì)

2.1.1 乳化瀝青粒度

試驗制備了設計固含量質(zhì)量比例0%、1%、2%、3%、添加納米TiO2粉體的乳化瀝青。激光粒度分析儀檢測結(jié)果表明，三種乳化瀝青的粒度均在10 μm之下，并體現(xiàn)出較好的分散均勻性；隨著TiO2含量的增加，乳化瀝青顆存在一個較大的極值點。

圖3 不同TiO2 摻量下的乳化瀝青粒度分布與對比

2.1.2 黏度與法向力

利用動態(tài)剪切流變儀進行乳化瀝青黏度試驗，模式采用Peakhold，溫度設置35 ℃，剪切頻率6.8 1/s（相當于旋轉(zhuǎn)黏度計20 RPM），獲取1 h 內(nèi)的黏度、法向力變化數(shù)據(jù)。分析表明：（1）隨著時間的延長，乳化瀝青中的水分有所損失，乳化瀝青逐漸破乳，使乳化瀝青液體的黏度提高，整體呈現(xiàn)單調(diào)增長趨勢。在1 500 s 后，納米改性乳化瀝青會有較高的黏度表現(xiàn)。（2）雖然納米改性瀝青黏度偏大，但其法向力表現(xiàn)較低。這是由于納米粉體進入瀝青體系中，降低了瀝青的法向應力，使乳化瀝青更易在路用表面覆蓋，另外在碾壓過程中，有效地降低了瀝青隨著輪碾的遷移，使整個體系的黏聚力更強。

圖4 納米乳化瀝青的黏度變化

圖5 納米乳化瀝青的法向力變化

2.2 殘留物性質(zhì)

2.2.1 殘留物軟化點

實驗室得到乳化瀝青殘留物一般是通過蒸發(fā)試驗，蒸發(fā)試驗過程中的加熱狀態(tài)會造成乳化瀝青的膠束體系的破壞，并且不一能夠完全確定其是否真正處于無水狀態(tài)。為了能夠體現(xiàn)乳化瀝青在實際路用狀態(tài)下的破乳情況，避免膠束體系被破壞，稱取一定質(zhì)量的制備好的納米TiO2/SBR 復合改性乳化瀝青（分別添加0%、1%、2%、3%納米TiO2）放在室外，在實際環(huán)境下進行風干破乳直至肉眼發(fā)現(xiàn)沒有水分存在。然后，將風干完全的樣品放入高溫烘箱中，105 ℃加熱10 min，以確保試樣中沒有水分存在，得到其破乳殘留物。

從圖6 可以看出，添加了納米TiO2粉體的乳化瀝青殘留物的軟化點要高于未添加的，表明納米TiO2粉體能夠有效提高乳化瀝青破乳后的高溫性能；當TiO2的添加量為2%時，其殘留物乳化點最高，說明納米TiO2粉體存在一個最佳摻量，在此摻量下，其高溫改性性能最好。

圖6 殘留物軟化點變化

2.2.2 殘留物SPG 等級

（1）自然風干法。將50 g 乳化瀝青試樣放在盤里，在室溫自然條件下靜置24 h，主要是讓水分在自然狀態(tài)下進行蒸發(fā)散失。之后將蒸發(fā)后的試樣放置在60 ℃烘箱中加熱2 h，去除中間可能存在的水分。（2）旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）試驗是較為簡便獲取乳化瀝青殘留物的方法。準備3 個旋轉(zhuǎn)薄膜試驗用盛樣瓶，將35 g 乳化瀝青試樣置于盛樣瓶中，之后將3 個盛樣瓶放進旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中，設置烘箱溫度為85 ℃并且將空氣流速控制為4 L/min，試樣放置75 min。

圖7 納米乳化瀝青的SPG 連續(xù)高溫等級

可以看到，TiO2的添加提高了乳化瀝青殘留物的高溫等級，在0%～3%摻量范圍內(nèi)，乳化瀝青的SPG 高溫等級為70 ℃；在3%摻量后可以達到73 ℃。

3 結(jié)語

（1）納米TiO2改善乳液體系稠度和黏度、降低法向力，提高SPG 高溫溫度等級；TiO2的添加提高了乳化瀝青殘留物的高溫等級，在0%～3%摻量范圍內(nèi)，乳化瀝青的SPG 高溫等級為70 ℃；在3%摻量后可以達到73 ℃。（2）納米乳化瀝青的顆粒分布在10 μm之內(nèi)，提倡在皂液中添加設計用量的納米粉體，從而避免后期外加納米粉體帶來的大面積效益，造成存儲穩(wěn)定性上的不良。