乳化剂浓度对乳化沥青残留物性能影响

2013-03-22张文华闫文俊

建材世界 2013年2期

张文华，闫文俊，李寻，魏欢

（1.通辽市环宇公路监理咨询有限责任公司，通辽028000；2.正镶白旗查汗淖尔养路工区，明安图013800；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点试验室，武汉430070；）

乳化沥青是乳化剂和热融沥青经机械力强制剪切，将沥青微粒均匀分散在乳化剂的水介质中而成的乳状液。乳化沥青包含三种基本成分：即沥青、水和乳化剂。在一些情况下，沥青乳液中也会掺加稳定剂、增强剂、渗透剂等添加剂来控制乳化沥青破乳时间，改善工作性能。乳化剂的作用是降低沥青表面张力，吸附在沥青液滴表面，使沥青微粒更好的以乳胶束形式分布，也起着稳定剂的作用。普通的乳化沥青乳液中包含40%～70%基质沥青，0.1%～2.5%的乳化剂，30%～60%的水及一些其它成分。乳化沥青从分散相的形式上一般可分为水包油（O／W）型、油包水（W／O）型以及复合型（W／O／W）三种乳液类型。在水包油（O／W）型乳液中，连续相是水，分散相为沥青；当基质沥青含量逐渐增加并达到一定程度，则开始形成与之相反的油包水（W／O）型乳液，其中连续相是沥青，而水是分散相；乳化沥青也可以形成较为复杂的结构，比如在复合型（W／O／W）乳化沥青系统中，分散相中可以含有其它的组成成分，并且这一成分可以不与连续相成分相同，如图1所示。

乳化沥青残留物性能决定着乳化沥青的使用性能。而乳化沥青残留物的性能又与乳化剂浓度有着必然联系，该文采用动态剪切流变仪（DSR试验仪）测试残留物复合模量的方法，比对分析3种不同乳化剂浓度的乳化沥青残留物，分析乳化剂浓度对乳化沥青残留物性能的影响关系。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1）基质沥青：试验采用盘锦90＃A级道路石油沥青，其主要性能为：软化点（环球法）45.5℃，针入度（100g，25℃，5s）（0.1mm）98，延度（15℃）＞120cm.。

2）乳化剂：制备乳化沥青的三种乳化剂分别命名为CS1、CS2和CS3。乳化沥青的信息如表1所示。3种乳化沥青的乳化剂浓度随着标号的增大而增加，其中CS2的乳化剂浓度为实际生产的乳化沥青乳化剂浓度。试验中的所有材料均来自于荷兰乳化剂公司，并且未加任何处理。所有的乳化沥青在使用之前均会进行振荡操作并用玻璃棒进行搅拌，达到取样均匀的效果。

表1 乳化剂信息

3）其它外掺剂：无，为防止外掺剂对残留物性能的影响，该试验在制备乳化沥青过程只使用基质沥青、乳化剂和蒸馏水3种材料。

1.2 乳化沥青残留物制备工艺

为更好的模拟乳化沥青在实际路面服役过程中的环境，该研究使用EN 13074乳化沥青的残留物作为研究对象。在整个流程中，根据时间和温度制度的不同分为3个阶段，如图2所示。

1.3 试验方法

该试验采用美国TA公司研制的动态剪切流变仪DSR（AR2000ex）来表征乳化沥青残留物和纯沥青的流变性能，仪器装有控温室，并采用液氮控制温度，控温精度可达±0.1℃。试验采用的频率范围为0.3～400rad／s，采用应变控制模式，在同一温度下不同频率的扫描过程中，施加给测试样品的应变为恒定值并确保在材料的线性粘弹性范围内。试验的温度同样选取为8个温度点：－10℃，0℃，10℃，20℃，25℃，35℃，45℃和55℃。

1）残留物应变扫描：由于生产三种乳化沥青的源沥青相同，试验采取随机选取乳化沥青的残留物进行应变扫描，确定沥青的线性粘弹性范围，

2）残留物频率扫描：从应变扫描所得的线性粘弹性范围中选取应变进行频率扫描，得到复数模量与乳化剂浓度在不同温度点的数据结果。

2 结果与分析

2.1 残留物应变扫描分析

应变扫描分析结果见图3，线性粘弹性范围可以定义为一个较小的应变区间，在这个应变区间内复数模量大小不受施加应变水平的影响。SHRP报告中将线性粘弹性范围定义为在应变扫描试验过程中，复数模量G＊下降到95%之前的应变区域。如图3所示，就乳化沥青残留物来说，随着测试温度的升高，复数模量G＊的值下降，且温度越高，G＊的值越小。在材料的线性粘弹性范围内，G＊不为应变的函数，即G＊不随施加的应变水平变化而变化，呈现一条直线。随着应变水平的增加，G＊开始有下降的趋势，当施加的应变水平进入非线性粘弹性范围，复数模量开始出现明显的下降。同时试验过程中发现，在测试温度较低的情况下，当应变水平很小的时候G＊就开始出现下降，同时可以观察到材料出现破坏，在这些温度点下无法评价此时的应变水平。从所得到沥青线性粘弹性范围内选取应变进行频率扫描试验。

2.2 残留物频率扫描分析

如图4所示，基于不同测试温度下的频率扫描结果，以20℃为参考温度，按照时温等效原则进行平移，则可以得到关于复数模量和相位角的主曲线，从更广泛的温度或频率范围评价乳化沥青残留物及纯沥青的粘弹性能。

主曲线拟合结果表明：CS3乳化沥青的残留物的复合模量比CS1，CS2大，但是在整个频率域范围内CS3相位角却比CS1，CS2的相位角小，表明材料的性能向更加趋于弹性发展。当CS2与CS1比较时，同样地，在低频区域即对应高温从相位角和复合模量大小比较，CS2残留物的性能也向弹性方向发展。由此可知，随着乳化剂的增加，乳化沥青物的弹性部分增加。这说明一定范围内的乳化剂浓度增加有利于乳化沥青残留物在高温下具有更好的抵抗变形能力。