用于微表处的改性乳化沥青研究

何宜典,李青芳

(陕西交通职业技术学院公路工程系,陕西西安 710018)

用于微表处的改性乳化沥青研究

何宜典,李青芳

(陕西交通职业技术学院公路工程系,陕西西安 710018)

我国许多高速公路已经进入维修养护期,微表处理是一种经济且方便快捷的预防性养护方法。通过室内试验,分析了改性乳化沥青对微表处混合料性能的影响。特别提出了复配改性剂能充分发挥各自的优势,对微表处混合料高低温性能、耐磨性能、抗车辙等性能改善较为显著,提高了其社会效益。

微表处;乳化剂;复配改性剂;改性乳化沥青

0 引 言

微表处是一种适用于高速公路、城市干线、机场道面的预防性养护技术,微表处混合料由改性乳化沥青与集料、填料、水和外加剂按合理配比拌和成的稀浆混合料,其中改性乳化沥青作为结合料,对混合料的性能具有决定性影响。微表处混合料对改性乳化沥青的性能有较高的要求,在保持乳化沥青特点的基础上,如何提高和改善沥青乳化产品的技术性能引起了道路工作者的高度重视[1],本文通过实验确定了改性剂及复配改性剂对混合料性能的影响,以供同行参考。

1 乳化剂的性能要求

1.1 阳离子乳化剂类型及特点

目前,能满足微表处要求的改性乳化沥青所用的乳化剂主要为阳离子乳化剂。下面重点研究阳离子乳化剂的特点及性能。

(1)季胺盐类

这种乳化剂目前是我国生产和应用最多的一种,常见的有 1631、1831和 18331等型号,其结构式分别为(a)、(b)、(c)。

这类乳化剂原料来源丰富,合成简单,价格较低,已成为我国制作乳化沥青的主要乳化剂之一。

(2)烷基胺类

这类乳化剂表示式为:R-NH2,其中R以C12～C22较好,一般直链较支链的好,用此制作的乳化沥青的破乳速度一般较快。

(3)咪唑啉类

咪唑啉类的结构如下,这类乳化剂制作的改性乳化沥青的破乳速度一般较慢。

1.2 乳化剂对乳化沥青性能的影响

国外部分文献中研究了不同乳化剂对乳化沥青蒸发残留物延度的影响,认为乳化剂对乳化沥青的性质可以起到改善作用,也可能起到降低作用,也有可能基本不产生影响。基于此,采用三种不同的乳化剂(分别用 E1、E2、E3表示),用完全相同的乳化工艺乳化西石化90#沥青,得到乳化沥青蒸发残留物指标如表1所示。

表1 不同乳化剂乳化沥青蒸发残留物指标对比

从表1可以看出,尽管基质沥青相同,但蒸发残留物指标却不同,针入度指标从高到低排序为E3＞E2＞E1,软化点从高到低排序为E1＞E2＞E3,即相同的沥青经乳化后,硬度变化不大。而延度指标差别大,其中E1、E3延度均大于100 cm,而E2仅为67 cm,相差甚远。可见,乳化剂可能影响沥青的性质,仅靠控制基质沥青的标号和质量来控制乳化沥青的指标是不够的,有必要对改性乳化沥青的蒸发残留物指标做出要求。

1.3 微表处用乳化剂

“慢裂快凝”要求在微表处施工过程中有一定的慢裂时间,而施工后又要快速成型。这种施工技术要有合格的乳化沥青及严格的施工工艺。所以,该技术是乳化剂、乳化沥青、集料、添加剂、施工工艺等各种因素综合作用的结果,选择合格的乳化剂是首要条件。

结合我国公路交通的现状,要满足摊铺作业的要求,又要尽快开放繁忙的交通,获得“慢裂”和“快凝”双重效果,通常有两种方法:

(1)使用专门的“慢裂快凝”乳化剂。这种乳化剂可在确保拌和时间后,快速破乳,并通过化学力,使水分快速脱离,从而达到预期的目的。这种方法较先进,但往往价格昂贵。

(2)利用我国常用的中裂型乳化剂,加入一些缓破物质来实现。例如用我国最广泛的季胺盐类乳化剂,加入OP系列等乳化剂,从而达到拌和时间的要求。对季胺类乳化剂来说,由于其电性较强,一般与集料接触即可发生破乳,所以这种乳化剂一般是中裂偏快,满足不了微表处的要求。但是当引入环氧基时可降低分子中的相对正电量而呈现出一些非离子的性质,这就有可能延缓乳液与集料接触的破乳速度。由于这些基团的存在直接影响正电荷与集料表面接触,而呈现空间阻碍作用,从而能延缓破乳时间,达到慢裂快凝的要求。

2 改性剂对改性乳化沥青性能的影响

一般来说,改性剂的加入,能提高沥青软化点、降低针入度,改善沥青高温性能;它还可以使沥青的延度增加,改善沥青的低温性能,使沥青高温不软、低温不脆。除此之外,合适的改性剂能大大改善乳化沥青对集料的裹附能力,提高混合料的粘聚力和耐磨能力。改性剂选择[2]应考虑气候特点、改性剂性能、改性工艺、经济成本及其与基质沥青配伍性等多方面因素。

2.1 胶乳改性剂的应用

目前,常采用橡胶或树脂乳液对乳化沥青进行改性,材料不同改性效果也不同。只有聚合物与沥青共混后,在微观及亚微观范围内形成相分离,在宏观范围内形成均相体系,才能获得良好的改性效果,如果两相完全溶解或者不发生溶胀,聚合物则起不到改性作用。实践表明,丁苯橡胶(SBR)胶乳和氯丁橡胶(CR)胶乳对乳化沥青的改性效果较好,并且制备方法简单。

2.2 改性剂的改性效果评价

橡胶改性沥青,可使沥青兼具橡胶特点,对低温性能、高温性能、粘结力、粘附力、抗老化能力等均有提高,可从沥青的三大指标来分析橡胶对沥青的改性效果。

软化点是反映沥青感温性能最常用的指标。软化点提高意味着沥青热稳流动度减小,耐热性提高。由图1可以看出,随着橡胶掺量的增加,软化点呈增加趋势,当橡胶掺很小时,橡胶—沥青近似于单相体系,橡胶掺量对软化点影响很小;随着橡胶掺量增加,会出现相的分离,表现为橡胶相分布在呈连续相的沥青中,此时橡胶被沥青中的轻组分所溶胀,使沥青的性能得到改善,软化点略有提高;橡胶掺量继续增大(5%),则形成相互贯通的网络,表现为两个连续相,在此区域沥青的软化点随着橡胶掺量的增加而明显增大。

图1 SBR橡胶掺量对软化点的影响

由图2可知:当温度不大于25℃,在低于某个橡胶掺量时,针入度是随着橡胶剂量的增加而加大,但当橡胶改性剂达到一定剂量后针入度不再增加,反而随着橡胶剂量的增加而减小,这是因为随着改性剂的增加,在沥青中的橡胶网络逐渐形成时针入度表现出极值转折点。Brule通过对SBR改性沥青的研究认为:当改性剂在沥青中形成连续的网络结构时,沥青的高、低温性能均会产生大幅度改善,这为确定改性剂剂量提供了依据。

图2 SBR橡胶掺量对针入度的影响

针入度随温度的变化可近似用下式计算:

式中:P为针入度;A为温度敏感系数;B为沥青含量。

由试验数据通过回归处理,得到原沥青和橡胶改性沥青的温度敏感系数,如表2所示。

斜率A值越低,说明针入度变化平缓,其温度稳定性愈好,亦即SBR改性沥青较原沥青温度敏感性好,夏季不易软化,脆点降低。

表2 改性剂掺量与温度敏感系数的关系

表3 SBR对改性沥青延度的影响

由表3知,25℃橡胶改性沥青延度低于基质沥青,其原因可能是SBR在沥青中形成的交联网状混溶尚不够均匀,粘弹性略差,同时又受母体中残留溶剂的影响,常温延度较小。当10℃≤T≤15℃时,SBR改性沥青延度大于基质沥青,表明SBR改性沥青在低温下有较大柔性,有更好的抗开裂能力;基质沥青延度随温度下降显著减小,而SBR改性沥青延度变化平缓些。

2.3 不同SBR胶乳改性效果分析

采用两种常用的90号沥青(分别记为A1和A2),选用国外某改性乳化沥青专用阳离子SBR胶乳(S1)和国内某SBR胶乳(S2)分别制成改性乳化沥青,进行蒸发残留物指标测试和相应的路用性能试验,对不同SBR胶乳的改性效果进行比较分析。

2.3.1 蒸发残留物指标比较

采用不同的SBR胶乳改性的乳化沥青蒸发残留物的软化点、针入度和延度指标如表4所示。

由表4可以看出,改性剂S1对两种沥青的改性效果均较好。以A1为例,当采用3%S1进行改性时软化点从48.7℃上升至52.9℃,针入度由82增至84,延度更是有了大幅度的提高,当改性剂的掺量增至5%时,三大指标提高更加明显。所以S1沥青改性胶乳对乳化沥青的改性效果非常明显。而S2胶乳用于沥青改性时,掺入3%的改性剂量,指标提高很小,当掺入5%时沥青A1的软化点仅从48.7℃提高到52.8℃,针入度基本没有变化,延度从55 cm升至75 cm,改善效果不明显。

表4 不同SBR胶乳改性乳化沥青蒸发残留物的三大指标对比

2.3.2 不同SBR胶乳混合料的性能比较

试验采用两种沥青及SBR胶乳制作改性乳化沥青,按表5所示的两种集料(J1、J2)拌制混合料,采用表6所列的方案进行湿轮磨耗试验和荷载车轮试验。

(1)湿轮磨耗(WTAT)试验

湿轮磨耗试验是评价微表处混合料性能优劣的重要试验,其中浸水1 h的WTAT值可以评价混合料的耐磨耗及沥青与集料的裹附能力,浸水6 d的WTAT值可反映混合料抵抗水损害的能力。WTAT值越小,混合料的耐磨能力和抵抗水损害的能力越强。试验方法按我国相关的规范进行。

表5 试验所用集料基本情况

表6 试验用混合料搭配比案

由图3、图4可以看出,掺加了改性剂的微表处混合料与普通稀浆混合料相比,沥青与集料之间粘结更加牢固,耐磨耗和抗水损害能力增强。但是不同改性剂的改性效果存在较大差异,S1胶乳改性效果较好,而S2胶乳的改性效果相对不够理想,应用时应谨慎选取。

(2)荷载车轮试验

微表处混合料的荷载车轮试验,是用条形试样在车轮碾压后单位宽度上的侧向变形率和单位厚度的车辙深度率来评价混合料的抗车辙能力。其侧向变形率和车辙深度率越小,说明混合料的抗车辙能力越强。

从图5、图6可以看出,车辙深度率的变化规律与侧向变形率相近。添加改性剂后抗车辙性能比未改性时有所提高,S1胶乳改性的混合料车辙深度率与S2改性混合料差异不大。

图3 不同混合料WTAT值

图4 不同混合料WTAT值

综上所述,不同SBR胶乳的改性效果不同。国外阳离子SBR胶乳是专为改性乳化沥青开发的,它在乳化剂的选取、苯乙烯含量等技术上不同于其他用途的SBR;而国内的SBR胶乳一般要么是用作改性沥青的阴离子胶乳,要么是将用于造纸、地毯、印染等行业的SBR胶乳用到乳化沥青的改性中,所以改性效果不太理想。

图5 侧向变形率试验结果

图6 车辙深度率试验结果

3 改性剂的复配

胶乳改性剂属于高分子材料,具有很好的机械和力学性能,但一般说来,某一种单一的改性剂往往只具有某一些方面的优势,仅仅使用一种改性剂可能存在某种性能的局限性。例如SBR低温性能好,粘结力大,而且价格较低;CR具有耐溶剂、耐老化、耐湿性能优良,改性效果明显等优点。本文结合它们的特点,进行复配并研究它们复配后的性能。

为了验证不同比例改性剂的复配效果,采用A1沥青掺加不同比例的CR和SBR胶乳进行改性胶乳,总剂量为5%,分别测定它们的蒸发残留物指标和路用性能指标。

3.1 蒸发残留物指标

不同改性剂比例的改性乳化沥青蒸发残留物指标如表7所示。

可以看出,其中 CR∶SBR为 1∶4的软化点改善最多,针入度也比其他降低的多,由原来的82降到68,同时延度也提高到100 cm以上,这说明改性剂CR∶SBR为1∶4是对高低温性能效果最好。

表7 不同改性剂比例的改性乳化沥青蒸发残留物指标

3.2 路用性能

为了进一步验证总剂量相同、比例不同的胶乳对沥青的改性效果,用以上几种不同比例的CR和SBR胶乳制作改性乳化沥青,然后按表6所示的集料J1拌制混合料(对应的编号如表8所示),进行湿轮磨耗和荷载车轮试验,试验结果分别见图7、图8所示。

表8 不同改性剂改性乳化沥青混合料编号

(1)湿轮磨耗试验

由图7可以看出,不同改性剂混合料的湿轮磨耗值都比未改性时有所降低,但幅度不同。其中CR∶SBR为1∶4的H2混合料和CR∶SBR为 0∶5的 H6混合料的湿轮磨耗值基本相当,但仍是H2混合料的较小。这说明改性剂CR∶SBR为1∶4的乳化沥青混合料的抗磨耗性能较好。

(2)荷载车轮试验

从图8可以得出,改性后的单位侧向变形率、车辙深度率指标都有较明显的改善。其中侧向变形率H2和H4混合料最小,改善率都在65%以上;车辙深度率H2和H3混合料最小,改善率在75%以上。

图7 不同改性剂比例的湿轮磨耗值

图8 荷载车轮试验结果

由此可见,改性剂CR∶SBR 为 1∶4、1.5∶3.5、3.5∶1.5时抗车辙能力显著增强[3]。试验可知,由于不同的橡胶结构不同、含有的基团不同,即使改性橡胶的总剂量相同,但由于配比不同,稀浆混合料在高低温性能、耐磨性能,抗车辙能力等则改性效果也有较大的差异。由试验结果得知,CR∶SBR为1∶4时改性效果最为显著。

4 结 语

综上所述,不同SBR胶乳的改性效果存在较大差异,实际工程中应根据试验来选择。单一改性剂往往只具有某一方面优势,复配改性剂能充分发挥各自的优势,产生很好的改性效果。实验证明,CR∶SBR为1∶4是对微表处混合料高低温性能、耐磨性能、抗车辙能力等性能改善较大,故实际应用中可用以参考。

[1]陈春辉.沥青路面预防性养护技术的探讨[J].筑路机械与施工机械化,2007,24(6):30-32.

[2]黄颂昌,徐 剑,等.改性乳化沥青与微表处技术[M].北京:人民交通出版社,2010:55-60.

[3]徐 剑,黄颂昌.添加剂对微表处混合料抗车辙性能改善效果的研究[J].石油沥青,2010,(3):50-51.

Research on Modified Emulsion Asphalt in Micro-surfacing

HE Yi-dian,LI Qing-fang
(Department of Highway Engineering,Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

Many expressways in China have entered into a period of repair and maintenance,and the micro-surfacing is an economic and convenient method for preventive maintenance.Here by laboratory tests,the analyses are made for the effects of modified emulsion asphalt on the mixture performance.Particularly,it is proposed that the compound modifiers could give full play to their advantages,and the high and low temperature performance,wearing resistance and anti-rutting performance of the mixtures in micro-surfacing would be improved significantly,thereby increasing the social benefits.

micro-surfacing;emulsifier;compound modifiers;modified emulsion asphalt

U416.217

A

1672—1144(2012)05—0085—06

2012-03-26

2012-04-22

河南省科技攻关项目“基于双剪强度理论的沥青混合料强度研究”(102102310271)

何宜典(1974—),男(汉族),陕西镇巴人,讲师,主要从事道桥设计教学与科研工作。