pH值调节剂对微表处混合料性能影响的研究

张　庆，房　立，郝培文，蒋　凯，白正宇，宋世理，石　敏

(1.河南师范大学化学化工学院，新乡　453007；2.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，西安　710064)



pH值调节剂对微表处混合料性能影响的研究

张庆1,2，房立1，郝培文2，蒋凯1，白正宇1，宋世理1，石敏1

(1.河南师范大学化学化工学院，新乡453007；2.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，西安710064)

利用磷酸作为微表处沥青乳液的pH值调节剂，并对微表处混合料进行路用性能测试，分析磷酸对微表处混合料性能的影响。结果表明，相比传统的盐酸pH值调节方式，基于磷酸的pH值调节方式使得沥青乳化剂分子在微表处混合料拌合过程中能够始终保持活性，可以改善微表处混合料的粘聚力，有效提高微表处混合料的成型速度和强度，并且能够提高微表处混合料的抗磨耗能力和抗水损害性能。

pH值调节剂； 乳化沥青； 磷酸； 微表处混合料

1　引　言

沥青路面在交通荷载和气候环境作用下，会发生各种形式的路面病害[1]。当高速公路出现一定程度表面病害的时候，需要及时对路面进行养护，从而遏制道路表面功能的衰减[2]。微表处是以乳化沥青、水泥、矿料、助剂等为原材料，经拌合制备成乳化沥青稀浆混合料，摊铺在发生一定程度路面病害的道路表面，微表处混合料破乳凝结后形成一层稳定牢固的罩面，具有施工快、强度高的技术优势，目前已被广泛应用于高等级公路养护工程[3]。

乳化沥青的特性是决定微表处混合料性能的关键因素，对微表处混合料的工作性能和路用性能都具有显著影响。对乳化沥青进行改性，可以赋予乳化沥青良好的综合性能，是优化微表处混合料性能的传统方法之一[4-6]。一些研究发现，适宜的pH值也是保证乳化沥青性能的关键因素[7]，从而对微表处混合料路用性能具有较大的影响作用[8]。

由于阳离子乳化沥青与石料间的粘附性较强，因此微表处混合料所用乳化沥青为阳离子型乳化沥青。在制备阳离子乳化沥青过程中，一般需要在沥青乳化剂水溶液中加入pH值调节剂，再将沥青乳化剂水溶液和沥青一起经过乳化设备[9]。这样做的原因是，使沥青乳化剂分子结构中的胺根得到足够的H+，从而被“质子化”而显示阳离子亲水特性[10]。传统的乳化沥青pH值调节剂是盐酸，即使用盐酸将沥青乳化剂水溶液的pH值调至一定数值，微表处专用乳化剂一般要求将pH值调至2～3。最近报道使用磷酸作乳液pH值调节剂，可使阳离子乳化沥青具有更广的适用范围，对微表处混合料的性能会有更良好的促进作用[11]。但是，目前未见详细的相关研究和试验报道。为了推动这种技术的科学使用，本文对乳化沥青pH值调节方式对微表处混合料性能的影响作用进行了对比分析和规律探究。

2　实　验

2.1基本原材料

微表处所用乳化沥青通过实验室制备，用慢裂快凝阳离子沥青乳化剂对90#沥青进行乳化制得，在乳化过程中添加折合固含量为沥青3%的SBR胶乳；集料使用玄武岩矿料，矿粉采用石灰岩矿粉；水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5。经检测原材料各项技术指标均符合规范要求。

微表处混合料级配通过逐档筛分，取微表处Ⅲ型级配中值，见表1。

表1　微表处集料级配组成

2.2微表处混合料性能测试

2.2.1可拌和时间试验

微表处混合料的可拌和时间是反映微表处混合料在施工中从拌和开始到顺利摊铺成型的重要施工性能指标。足够的可拌和时间可保证微表处混合料的施工和易性，而可拌和时间过短则不利于微表处混合料的搅拌和摊铺作业。

在固定油石比7%和固定用水量8.5%的情况下，分别测试盐酸作乳液pH值调节剂和磷酸作乳液pH值调节剂在不同水泥用量下的微表处混合料可拌和时间。

2.2.2粘聚力测试

根据微表处技术规范，在微表处稀浆混合料设计过程中需要通过粘聚力试验来确定微表处罩面的初凝时间和开放交通时间。粘聚力指标一方面能够评价混合料的成型速度，在相同的时间内，粘聚力数值越大，说明混合料的成型速度越快，另一方面还能够评价混合料的早期强度，粘聚力数值大则说明其早期强度高，抵抗破坏的能力就越强。本文分别测试盐酸作乳液pH值调节剂和磷酸作乳液pH值调节剂下微表处混合料的粘聚力，两种混合料的水泥用量均为2%。

2.2.3湿轮磨耗试验

湿轮磨耗试验(WTAT)可以评价微表处罩面的路用性能。浸水1h磨耗值可用于评价微表处混合料的耐磨耗性能，浸水6d磨耗值可用于评价微表处混合料的抗水损害性能。本文分别对盐酸作乳液pH值调节剂和磷酸作乳液pH值调节剂下的微表处混合料进行湿轮磨耗试验。

3　结果与讨论

3.1可拌和时间的影响

可拌和时间试验结果如表2和表3所示。

从表2中可以看出，使用盐酸作为pH值调节剂的情况下，在水泥用量从0.5%到3.0%的范围内，微表处混合料的可拌和时间从196s降到72s，下降幅度十分明显。当水泥用量为2.5%时，混合料的可拌和时间已不满足规范大于120s的要求。

表2　盐酸作为pH值调节剂下不同水泥用量的混合料可拌和时间

使用盐酸作为乳液pH值调节剂，盐酸会和微表处混合料中的水泥水化物以及未参加水化的水泥发生酸碱中和反应，如式(1)所示。在这种情况下，体系pH值升高很快，导致沥青乳化剂分子的亲水基团失去H+，丧失其表面活性剂功能，从而导致微表处混合料拌合时间不足。

2HCl+Ca(OH)2= CaCl2+H2O　(1)

从表3可以看出，使用磷酸作为pH值调节剂的情况下，微表处混合料的可拌和时间明显提高，并且水泥用量从0.5%到3.0%的范围内，微表处混合料的可拌和时间一直满足规范要求。这是由于磷酸和水泥水化物反应会生成磷酸氢钙不溶物，如式(2)所示。磷酸氢钙不溶物沉积在水泥水化物和未参加水化的水泥颗粒表面，阻止了磷酸的过多消耗，使微表处混合料在拌和过程中体系pH值波动较小，延缓了体系pH值升高速率，使得沥青乳化剂分子的亲水基团在混合料拌合过程中始终保持活性，延缓了乳化沥青的失稳和絮凝，所以拌和时间显著提高，从而提高了微表处的工作性能。

H3PO4+Ca(OH)2=CaHPO4+2H2O

(2)

我们在试验中发现，使用磷酸作为pH值调节剂的情况下，当水泥掺量超过2.5%的时候，尽管此时混合料拌合时间符合规范要求，但微表处混合料养生之后会出现少许轻微裂纹。我们认为这是因为磷酸氢钙裹附在水泥颗粒表面阻碍了H+对水泥的消耗，但是磷酸氢钙在水泥颗粒表面是不致密的薄层沉积，水泥同样具备水化条件，只是水化速率有所降低。也就是说，磷酸调酸使得能够参加水化反应的水泥更多，所以水泥掺量过大就会出现混合料的干缩裂缝现象。综合考虑下将水泥最佳用量定为2%。通过可拌合时间实验，发现磷酸作为pH值调节剂的，水泥用量从0.5%～3.0%的范围内，微表处混合料的可拌和时间一直满足规范要求。

3.2粘聚力的影响

30min粘聚力和60min粘聚力的试验结果见图1。

从图1中可以看出使用磷酸作为pH值调节剂的情况下，微表处混合料的粘聚力试验数值均比使用盐酸作为pH值调节剂的情况要高。其中，使用磷酸作为pH值调节剂方式的30min粘聚力试验数值比使用盐酸作为pH值调节剂的方式数值增加了20%，使用磷酸作为pH值调节剂的方式对微表处混合料的60min粘聚力试验数值提升效果更为显著，比盐酸作为pH值调节剂的方式增加了40%。

这是由于使用盐酸作为乳化沥青pH值调节剂，乳化沥青中游离的盐酸会一直与混合料中的水泥水化物以及未参加水化的水泥发生反应[12]，直到盐酸被消耗完毕，这样不但会削弱微表处混合料的强度，而且会破坏微表处混合料的设计配合比，导致微表处混合料性能下降；而使用磷酸作为pH值调节剂的情况下，磷酸和水泥水化物反应会生成磷酸氢钙不溶物，覆盖在水泥水化物和水泥颗粒表面，保护了水泥作为活性填料作用的发挥，并且使得微表处混合料和易性更好，乳化沥青在集料表面裹附更加均匀，改善了混合料的粘聚力。所以，使用使用磷酸作为pH值调节剂可以有效提高微表处混合料的成型速度和早期强度。

3.3湿轮磨耗值的影响

湿轮磨耗试验结果如图2所示。从图中可以看出，使用磷酸作为pH值调节剂方式的微表处混合料的1h磨耗值和6d磨耗值均比使用盐酸作为pH值调节剂方式的数值低，说明磷酸调酸方式可以提高微表处混合料的抗磨耗能力和抗水损害性能。在磷酸氢钙的保护作用下，遏制了未参加水化的水泥颗粒不被H+侵蚀而得以保留与微表处混合料中，在用水量一定的情况下，会有一部分水泥未完全水化，就会以活性填料的形式存在于沥青胶浆之中。由于水泥是强碱性物质，能够与沥青形成化学吸附，使结构沥青成分提高，提高了沥青与石料之间的粘附性。这样就使得微表处混合料的抗磨耗性能和水稳定性能都得到了有效提高。

图1　不同pH值调节剂下的微表处混合料粘聚力试验结果Fig.1　Cohesion torque test results with different pH regulators

图2　不同乳液调酸方式的微表处混合料湿轮磨耗试验结果Fig.2　Wet abrasion test results with different emulsion regulators

4　结　论

(1)采用磷酸作为微表处乳化沥青pH值调节剂，可以通过不溶盐产物磷酸氢钙的保护作用，遏制混合料中的水泥水化物以及未参加水化的水泥被酸消耗，也使沥青乳化剂分子在混合料拌合过程中能够始终保持活性；

(2)通过可拌和时间试验发现，相比盐酸作为pH值调节剂，磷酸可以有效提高微表处混合料的可拌和时间，使得微表处和易性得到提高；

(3)粘聚力的试验结果表明，在提高微表处混合物的粘聚力方面，磷酸比盐酸具有更加明显的作用，可以有效提高微表处混合料的成型速度和早期强度；

(4)湿轮磨耗试验结果表明，采用磷酸作为微表处乳化沥青pH值调节剂，使得微表处混合料的抗磨耗性能和水稳定性能都得到了有效提高。

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EffectofpHRegulatoronthePerformanceofMicro-surfacingMixture

ZHANG Qing1,2,FANG Li1,HAO Pei-wen2,JIANG Kai1,BAI Zheng-yu1,SONG Shi-li1,SHI Min1

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanNormalUniversity453007,China;2.KeyLaboratoryofRoadStructureandMaterialofCommunicationsIndustry,Chang′anUniversity,Xi'an710064,China)

Inthispaper,phosphoricacidwasusedasthepHregulatorofasphaltemulsionformicro-surfacingmixture,anditsperformanceswasinvestedtoanalyzetheeffectsofphosphoricacid.TheresultsshowthatasthepHregulatorofasphaltemulsionphosphoricacidmakestheasphaltemulsifiermoleculeactiveinbeingmixedprocess,comparedwithhydrochloricacid.Themethodhasmoresignificanteffectonenhancingtheworkabilityandimprovingcohesionofmicro-surfacing.Itcanalsoimproveanti-wearcapabilityandwater-resistingpropertyofmicro-surfacingmixture.

pHregulator;asphaltemulsion;phosphoricacid;micro-surfacingmixture

河南省高等学校重点科研项目 (15A150059)；河南师范大学博士启动课题项目

张庆(1979-)，男，博士，副教授.主要从事道路结构与材料方面的研究.

TU535

A

1001-1625(2016)01-0083-04