DCLR改性乳化沥青的制备及其性能研究_臧志远.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（）；大连海事大学“双一流建设专项”项目（）作者简介 臧志远（），男，山东日照人，硕士，研究方向：道路工程。通信作者：周纯秀，：。引文格式 臧志远，张中丽，周纯秀，等 改性乳化沥青的制备及其性能研究 公路工程，（）：，（）：改性乳化沥青的制备及其性能研究臧志远，张中丽，周纯秀，张虎林，贾晓培，（.大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连；.辽宁省近海桥隧工程重点实验室，辽宁 大连）摘 要 为了研究 改性乳化沥青的性质，先将 作为改性剂对 基质沥青进行改性，然后使用高速剪切机对 改性沥青进行乳化，对其制备工艺进行研究，制得了不同比例（、和 ）的 改性乳化沥青，并进行常规性能试验、低温弯曲蠕变试验、储存稳定性试验和黏度试验。试验结果表明，随着 掺量的增加，蒸发残留物的针入度逐渐减小，软化点逐渐增大，表明 的加入使其高温性能得到明显改善；随着 掺量的增加，蒸发残留物的蠕变劲度 和蠕变速率 值变化不大，表明 的加入对低温性能影响不大；随着 掺量的增加，新鲜沥青乳液的储存稳定性降低、黏度变大，表明 的加入使其工作性能受到一定影响。关键词；乳化制备工艺；高低温性能；储存稳定性；黏度中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（.，；.，），.，.（，），.，；，；，.；第 期臧志远，等：改性乳化沥青的制备及其性能研究 截至 年，中国公路的总里程已经达到.万，居世界第一。随着我国路网趋于完善，公路养护变得愈发重要。这其中，改性乳化沥青作为公路养护的重要材料得到越来越多人的重视，高性能的改性乳化沥青正成为道路材料的研究热点。煤直接液化残渣（，）是煤在直接液化生成液体燃料过程中产生的含量为 的副产物，重质油和沥青烯类物质占其中的 ，它能够 提 高 沥 青 的 高 温 性 能，故 可 以 用 作 改 性剂。从环保角度来说，煤直接液化留下的残渣，属于工业废料的一种，将其作为改性剂，能够变废为宝，节约资源；从经济角度来说，材料易得且价格便宜，适合大规模使用。当前，很多学者对 改性沥青的性能进行了研究，如季节等 采用了复数模量指数 和蠕变劲度模量指数 对 改性沥青性能进行评价，结果表明其能明显提高沥青高温抗变形能力，并且能改善高温的性能，但是对低温性能有一些负面影响。罗蓉等对 改性沥青和 基质沥青的疲劳寿命进行对比研究，发现其抗疲劳开裂能力更好，且用幂函数拟合疲劳寿命随应力水平的变化规律效果良好。翟旭刚等将 加入 改性沥青并进行了 试验和全断面断裂能量试验，结果表明其能降低 改性沥青温度敏感性和抗紫外线老化性能。目前对 改性沥青进行乳化的研究相对较少，王德卫探讨了将煤沥青进行乳化的可能性，然后对其制备工艺和乳化性能进行研究，确定了最佳配方，并对其黏结强度、断裂伸长率进行研究，结果表明其能很好地用于防水涂料。本文拟采用 作为改性剂，将 改性沥青进行乳化，对影响乳化效果的各因素进行试验对比得到最佳制备工艺，并研究不同 掺量对乳化沥青蒸发残留物常规性能的影响，分析不同 掺量下乳化沥青的储存稳定性和黏度，并得到 的最佳掺量，此研究成果对 改性乳化沥青的工程应用具有积极意义。原材料和试验方法.原材料.基质沥青本文采用 基质沥青，根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）中规定的测试方法对针入度、软化点、延度进行测试，结果如表 所示。表 基质沥青的基本性能 类别 针入度（.）软化点 延度试验结果.技术要求 试验方法.改性剂 是一种组成成分复杂的混合物，主要由 的重油、的沥青烯、的前沥青烯和四氢呋喃不溶物组成，具有很高的黏结性和膨胀性。其中重油和沥青烯的含量 ，具有较高的利用价值。.乳化剂本文分别选用阳离子、阴离子和两性离子 种乳化剂。十八烷基三甲基氯化铵（阳离子乳化剂）为白色固体颗粒，易溶于热水，无刺激性气味；十二烷基磺酸钠（阴离子乳化剂）为浅黄色晶体，易溶于水，无刺激性气味；十六十八烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱（两性离子乳化剂）为红色可流动液体，无刺激性气味，固体含量。.稳定剂本文选用的羧甲基纤维素钠是一种无臭、无味的白色颗粒，具有吸湿性，易于分散在水中并呈现澄明胶状液。.试验方法本研究主要包括乳化沥青制备试验、沥青常规性能试验、试验、储存稳定性试验和工作性试验等试验，试验操作均严格按照规范进行。改性乳化沥青制备工艺研究.制备改性乳化沥青的方式的选择从国内外研究来看，目前改性乳化沥青的制备方式主要有以下 种：先改性后乳化、先乳化后改性、边乳化边改性。通过前期对资料的收集整理，目前先改性后乳化的制备方式得到的试样乳化效果最好，再加上实验室条件限制，本文采用对 改性沥青进行乳化来制得 改性乳化沥青。.改性乳化沥青制备影响因素的研究本文使用 型实验室高速剪切乳化机，采用先改性后乳化的方式制备 改性乳化沥青。首先将基质沥青在 烘箱中加热 使其 公路工程 卷呈流态，在天平上称取一定量的沥青加入剪切杯中，然后加入试验所需质量的，在烘箱中继续发育，将电热板温度调至，放置剪切杯，将高速剪切乳化机的转速缓慢升高到 ，继续剪切 ，制得 改性乳化沥青。接下来再对 改性沥青进行乳化。.乳化沥青的制备准备工作 皂液的配制：将称取好的适量的乳化剂加入到纯净水中，用玻璃棒搅拌均匀，然后在 恒温水浴中静置 。沥青的加热：将 改性沥青在 的烘箱中加热 使其呈流态，如温度过低无法呈流态，过高乳化时容易产生泡沫。将配制好的皂液倒入剪切杯中，将电热板温度调节至 ，将高速剪切乳化机的转头放入剪切杯中，使皂液没过转头。启动剪切机并将其转速调至 ，将 改性沥青沿着杯壁缓缓加入，同时不断增大其转速使其达到所需转速。待沥青全部加入后，继续剪切。剪切完毕后，倒入容器中留存，继续做后续试验。.剪切速率的研究分别设定高速剪切乳化机的转速为 和 ，看乳化后乳液的乳化情况和一段时间后的结皮沉淀情况，转速对乳化效果影响试验结果如表 所示。表 转速对乳化效果影响 转速（）乳化效果 乳液呈棕褐色，少量沥青未乳化完全发生结丝现象，且颗粒较大，泡沫较少，静置 后底部出现大量沉淀，表面结皮较厚 乳液呈棕褐色，沥青基本乳化完全，乳液细腻且泡沫较少，后结皮较少，底部有少许沉淀（未添加稳定剂）由表 得知，当高速剪切乳化机转速为 时，有少量沥青未被乳化完全，并且 后沉淀和结皮现象严重；当转速为 时，沥青基本乳化完全，乳液细腻，后结皮和沉淀较少。所以本文选择高速剪切乳化机转速为 。.油水比的研究乳化沥青的油水比是指沥青和皂液的质量比，一般为 。本试验选取油水比分别为 、.和 ，观察乳化和结皮情况，并测定蒸发残留物含量。油水比对乳化效果影响结果如表 所示。表 油水比对乳化效果影响 油水比乳化效果蒸发残留物含量 乳液呈棕褐色，少量沥青未乳化完全发生结丝现象.乳液呈棕褐色，沥青基本乳化完全.乳液呈棕褐色，沥青基本乳化完全.由表 得知，当油水比为 时，部分沥青未被乳化完全，分析可知 改性沥青较黏稠，如果皂液过少，沥青不能被完全剪切形成油包水的液态沥青；当油水比为 和.时，沥青基本乳化 完 全。此 时，其 蒸 发 残 留 物 含 量 分 别 为.和.，蒸发残留物含量过低将会导致其乳化沥青黏度过低，影响其后续混合料成型与性能，所以本文选择乳化沥青的油水比为.。.乳化剂的筛选乳化剂是一种表面活性剂，在制备乳化沥青的过程中，加入合适的乳化剂，就能形成完全分散且稳定的乳化沥青乳液。本文选用十八烷基三甲基氯化铵（阳离子乳化剂）、十二烷基磺酸钠（阴离子乳化剂）、十六十八烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱（两性离子乳化剂）共 种乳化剂进行试验，然后观察乳化和结皮情况，结果如表 所示。表 乳化剂对乳化效果影响 乳化剂十八烷基三甲基氯化铵十二烷基磺酸钠十六十八烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱刚乳化后的状态乳化均匀，无结皮乳化均匀，无结皮乳化均匀，无结皮 后结皮状态无结皮，无沉淀少许结皮，无沉淀轻微结皮，无沉淀 后结皮状态无结皮，少量沉淀轻微结皮，少量沉淀结皮较厚，少量沉淀 后结皮状态轻微结皮，少量沉淀结皮较厚，大量沉淀结皮后，大量沉淀第 期臧志远，等：改性乳化沥青的制备及其性能研究 由表 得知，不同乳化剂表面活性不同，使得乳化效果存在差异。使用阳离子乳化剂十八烷基三甲基氯化铵乳化效果最好，乳化均匀，结皮少，底部沉淀少，综合性能最优；而阴离子乳化剂和两性离子乳化剂在放置 后都存在结皮和沉淀情况，在 后沉淀较多，所以后续试验选用此乳化剂。.乳化剂的用量乳化剂的种类确定后，还要进行乳化剂用量的确定，若掺量过低乳液分散不完全，掺量过高则会造成原材料浪费。所以本文分别添加乳化剂用量为.、.、.，比较乳化效果和结皮情况，结果如表 所示。表 乳化剂用量对乳化效果影响 乳化剂添加量 乳化结果 后结皮情况.不完全.完全厚.完全较厚.完全轻微.完全轻微 由表 得知，随着乳化剂掺量的提高，乳化效果变好，后结皮变少，当乳化剂掺量达到 和.时，乳化效果相差不大，考虑经济因素的前提下，最终选择乳化剂掺量为 。.稳定剂的用量稳定剂的主要作用是提高乳化沥青储存稳定性，本文分别添加稳定剂羧甲基纤维素钠用量为.、.、.、.，比较乳化效果和结皮情况，结果如表 所示。表 稳定剂用量对乳化效果影响 稳定剂添加量 乳化结果 后结皮情况不完全厚.完全较厚.完全轻微.完全无.完全无 由表 得知，随着稳定剂掺量的增加，乳化效果和结皮情况变好，当掺量达到.时，满足使用要求，所以稳定剂用量确定为.。对乳化沥青性能的影响.掺量对乳化沥青蒸发残留物常规性能影响参照我国 公路沥青路面施工技术规范（）对改性乳化沥青的技术要求，开展相关试验研究。首先根据 中规定的试验方法，将 乳化沥青进行加热蒸发制得蒸发残留物，以便进行后续试验。然后根据 中规定试验方法，对不同掺量的 改性沥青乳化前后针入度、软化点和车辙因子等指标进行测试，结果见图 和图。（）针入度（）软化点图 改性沥青乳化前后针入度和软化点的变化图 试验结果表明：随着 掺量的不断增加，其针入度不断减小、软化点不断增大，抵抗荷载变形能力增强。分析原因是 的加入使得沥青分子间的相对运动阻力增大，导致其难以发生自由移动，从而提高了其软化点，降低了针入度，使得高温性能不断提高。由于乳化剂的加入，改性沥青乳化后相比于乳化前，针入度增加、软化点略有降低。针入度分别增加.，软化点下降.。改性沥青乳化后相比于乳化前，车辙因子 粒状和 片状分别平均下降.和.，其中前者高温等级由 下降到 ，后者不变。公路工程 卷（）针入度（）软化点（）车辙因子图 破乳前后高温性能指标与温度变化的关系曲线 通过分析，由于乳化过程中乳化剂的加入，影响了改性沥青的性质，乳化剂在乳化过程中提高了沥青胶质所占的比重，沥青组分产生了变化；另外乳化沥青颗粒的表面产生了凝胶膜，然后其形成了空间网络结构，整个体系刚性因此变强，弹性变差，沥青自由流动更加困难。虽然性能略有降低，但仍满足规范要求。.掺量对乳化沥青低温性能影响为了测试乳化沥青的低温性能，采用弯曲梁流变仪进行 试验。测定 改性沥青乳化前和乳化后蒸发残留物 时的蠕变劲度 和蠕变速 率值。具体试验参数设置如下：试验温度 ，试件尺寸 .，加载时间 。试验结果见图 和图。（）蠕变劲度（）值图 不同乳化剂乳化前后蠕变劲度和 值对比 （）蠕变劲度（）值图 掺量对改性乳化沥青蒸发残留物的蠕变劲度和 值影响 第 期臧志远，等：改性乳化沥青的制备及其性能研究 研究表明：乳化沥青蒸发残留物相比较未乳化沥青低温性能明显提高，且阳离子乳化剂比阴离子乳化剂提升效果更好。随着温度的降低，两者的 和 值差异更为显著。阳离子和阴离子的 分别下降 和 ，阳离子和阴离子的 值分别下降.和.。宏观上表现为 改性乳化沥青蒸发残留物相比较于未乳化改性沥青变软，其原因是乳化剂的加入改善了乳化沥青的内部结构，降低了未乳化沥青的 值，提高了其低温松弛能力，保证了其在低温条件下相比于未乳化前具有良好的抗开裂能力。随着 掺量的增加，乳化沥青蒸发残留物的低温性能逐渐降低。这是由于随着 掺量的增加，在沥青中形成的网状