纳米TiO2/SBR复合改性乳化沥青制备与性能研究

闫浩博，陈 星

（1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045；2.华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 450046）

0 引言

随着我国改革开放进程的不断推进，我国公路发展迅速，截至2021年底，全国公路里程数共计528.07万千米，公路密度55.01千米/百平方千米。公路养护里程525.16万千米，占公路总里程比重为99.4%[1]。目前公路修筑的重要工作是延长道路的使用年限。乳化沥青具有较好的流动性，乳化沥青能够提高与沥青结合料之间的黏附性，可以减少沥青的使用量，节省成本[2，3]。改性乳化沥青是在乳化沥青中加入改性剂得到的，乳化沥青不管是在高温还是低温的环境中都有优良的温度稳定性，同时乳化沥青的冷态施工处理，受季节影响较小[4]，因此即便延长施工季节，也能够减少沥青在摊铺、拌合及使用中释放有害气体，减少对环境和人身健康的威胁。现在改性乳化沥青通常广泛地应用于微表处、黏结层等领域，具有较大的开发应用价值。

1 原材料

本试验采用郑州市郑发市政有限公司提供的70号沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE 20—2011）[5]，分别测试70号基质沥青3大指标，如表1所示。乳化剂选择阳离子乳化剂BH-MK，破乳速度为慢裂型，活性物含量90%，最适pH值为2.5-3）。TiO2和SBR胶乳作为一种复合改性剂。本文所用的SBR阳离子丁苯胶乳，有效含量为60%。TiO2作为改性剂掺入到基质沥青后，经过剪切后得到的改性沥青的针入度有一定的改善，相反软化点和延度有一定程度的降低，但各项指标均达到规范要求[6]。掺加纳米TiO2改性沥青指标见表2，无水CaCl2（强酸弱碱盐）来改善阳离子乳化沥青的质量，pH值调节剂选择盐酸。

表1 70号基质沥青的主要技术指标

表2 二氧化钛改性沥青主要技术指标

2 改性乳化沥青的制备流程

本文选择先乳化后改性的制备方式，先将阳离子乳化剂与沥青经过乳化作用制得乳化沥青，然后再将SBR胶乳、TiO2加入乳化沥青溶液中，然后制备得到复合改性乳化沥青。

2.1 正交试验设计

正交试验是用全面试验中具有代表性的部分试验，有效地降低试验工作量，还能够分析不同因素对试验的影响。正交试验相对于全面试验具有优化试验工艺的优势，在考虑各种因素的前提下能够通过较少的试验次数代替繁多的试验，广泛适用于多种因素的试验，能有效地分析出最佳试验组合。

影响改性乳化沥青的因素有很多，为确定各种材料对改性乳化沥青的影响程度，确定材料最优配比，本文采用正交试验对复合改性乳化沥青的掺加材料进行设计。在复合改性乳化沥青的制备过程中，沥青和水的质量之比为62∶38，CaCl2稳定剂的掺量为0.32%，重点要考虑的是SBR胶乳、MH-BK、TiO2及剪切时间4个因素，每个因素取3个水平。正交试验方案为：乳化剂BH-MK的掺量分别为1.2%、1.6%、2.0%，SBR胶乳掺量分别为2.0%、4.0%、6.0%，TiO2掺量分别为6.0%、8.0%、10.0%，剪切时间分别为1 min、2min、3min。

2.2 正交试验结果及分析

2.2.1 正交试验的结果

试验通过对乳化沥青蒸发残留物的针入度、延度和软化点和1 d储存稳定性作为评价改性乳化沥青性能的主要指标，并通过试验指标来反映不同材料不同掺量水平对改性乳化沥青的性能影响。由于基质沥青在15℃时的延度通常大于1 000 mm，改性效果比较难以体现出来，本试验采用5℃的延度。试验结果如表3所示。

表3 正交试验结果表

2.2.2 正交试验数据处理

采用极差分析法处理数据，极差分析法分为计算和判断两个内容，计算4个因素在不同参数水平下的均值k及极差R。K值表示4个不同因素在不同水平下的试验结果的总值；k值表示每个因素各个水平的总值的平均值，极差R的大小表示反应因素对试验指标的影响程度的大小。

根据对极差分析法的流程，正交试验的分析结果如表4所示。

表4 正交试验结果分析表

2.3 不同因素对性能的影响分析

2.3.1 对基本性能的分析

根据不同因素水平下对基本性能指标的影响程度绘制不同的指标、因素水平下的均值图，如图1、图2、图3所示。

图1 25℃针入度水平平均值图

图2 软化点水平均值图

图3 5℃延度水平均值图

考察乳化剂BH-MK掺量因素对改性乳化沥青的性能影响，由图1、图2、图3可见随着乳化剂掺量的增加，针入度指标的图像先减小，然后有一定的增加；相反软化点则先有一定的上升，然后随着乳化剂的量的逐渐增多出现下降的趋势；同样的是在5℃时延度也是随着乳化剂增多，先呈现出上升的趋势后再呈现下降的趋势。由此我们可以从中得出结论，随着乳化剂掺量增加，乳化剂发挥作用会明显增强，同时蒸发残留物的高低温性能得到了一定提升，但乳化剂过量会使针入度增加、延度减小，从而使得改性乳化沥青的综合性能降低。

考察SBR掺量因素对改性乳化沥青性能的影响，可以从图1、图2、图3中看出。随SBR改性剂掺量的增多，蒸发残留物的针入度开始先减小然后逐渐增加，软化点的变化幅度不大，而5℃延度则有明显升高。我们可以从中得出SBR胶乳可以具有提高低温性能的能力，但是对于高温性能提升不大。

从图1、图2、图3可见随着纳米TiO2掺量的增加，蒸发残留物的针入度、软化点和5℃延度均有不同程度的降低。当掺量小于8%时，总体看各指标的变化幅度是较为缓慢的，且各项指标达到了标准规定范围。所以我们可以得出用量小于8%时TiO2对改性乳化沥青的基本性能影响不大，但是用量超过10%，则会使改性乳化沥青的整体性能降低。

当剪切时间从1 min增加到5 min，蒸发残留物针入度会随之降低、但是软化点有一定幅度的升高、延度则呈现出先升高后降低的趋势。当剪切时间从1 min增加到3 min时，在这个时间段改性剂与乳化沥青经过剪切之后融合得比较充分，所以这个阶段的稳定性也大幅度增强。

2.3.2 对稳定性能的分析

当BH-MK乳化剂掺量及剪切时间增加的时候，它们的1d的存储稳定性都表现出先大幅下降然后又有小幅度上升的趋势；当乳化剂掺量的增加时，乳化剂使得基质沥青与水之间的界面张力逐渐降低，从而提升了改性乳化沥青体系的稳定性。当SBR和TiO2掺量的不断增多的时候，这两个因素的变化趋势相似，1d的存储稳定性都渐渐升高。剪切时间的增加使得各组分充分融合，增加其稳定性能。改性剂SBR和TiO2在复合体系不存在化学反应，主要是以简单的混合改性为主，如果掺量过多，多余的改性剂会聚集，破坏改性乳化沥青体系的平衡。

2.4 最佳组合下的性能指标

2.4.1 极差分析最优组合

极差值越大说明该因素对性能影响越显著，从针入度指标来看，A（乳化剂BH-MK）、B（SBR）、C（TiO2）、D（剪切时间）所对应的极差值分别是3.66、6.61、10.31、4.37。所以对针入度影响最大的影响因素为C（改性剂Fe-N-TiO2），在规定的范围内，针入度值越小，则说明沥青越硬，性能越好，可以从中选择针入度比较小的组合，故在针入度指标下得出最优组合为A2B2C3D3，即1.6%乳化剂BH-MK、4.0%改性剂SBR、8.0%改性剂Fe-NTiO2以及3 min的改性剪切时间。按照类似的方法对软化点、延度、存储稳定性等指标进行综合分析，得出其他影响因素的最优组合，最优组合见表5。

表5 各指标下的最优组合

由表5分析得，当考察指标不同时，所得最优组合也是不相同的。从直观上分析，仅考虑前2名的显著因素，因为有的显著因素在不同指标下，有一样的最优水平，那么就可以直接选择该水平下的掺量，如果没有多指标最优水平是一样的，参考技术规范中要求，综合确定最优水平。利用上述的方法，复合改性乳化沥青的最优制备方案为1.2%阳离子乳化剂BH-MK、4.0%SBR改性剂、8.0%Fe-N-TiO2和3min的改性剪切时间。

2.4.2 复合改性乳化沥青的各性能指标

对最优组合方式制备出来的复合改性乳化沥青，依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）[7]对破乳速度、筛上剩余量、蒸发残留物含量、残留物的性质（针入度、软化点及延度）及存储稳定性等指标进行试验，各项指标均满足规范的标准，结果如表6所示。

表6 复合改性乳化沥青性能测试结果

3 结论

（1）正交试验的结果表明，对改性乳化沥青的存储稳定性影响比较显著的是阳离子乳化剂的掺量，SBR改性剂和TiO2改性剂对低温性能、高温性能影响显著，两者相互配合使用能够提高改性乳化沥青的温度稳定性。

（2）随着乳化剂掺量增加，乳化剂会明显增强一定的乳化效果，同时蒸发残留物的高低温性能也得到提升，但乳化剂不能使用过量，过量会使残留物的针入度升高、延度降低，降低沥青体系的综合性能。

（3）随SBR改性剂掺量的增多，残留物的针入度呈现先减小后增大的趋势，软化点变化不大，5℃延度有明显升高，SBR提升低温性能和防止流动变形的能力。随着TiO2掺量的增加，针入度、软化点和5℃延度均有所降低。当掺量小于8.0%时，变化幅度较为缓慢，且各项指标达到标准规定。复合改性乳化沥青的最优制备方案为1.2%阳离子乳化剂BH-MK、4.0%SBR改性剂、8.0%TiO2和（800 r/min）3 min的改性剪切时间。