乳化劑濃度對(duì)乳化瀝青殘留物性能影響

張文華，閆文俊，李 尋，魏 歡

（1.通遼市環(huán)宇公路監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，通遼028000；2.正鑲白旗查汗淖爾養(yǎng)路工區(qū)，明安圖013800；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢430070；）

乳化瀝青是乳化劑和熱融瀝青經(jīng)機(jī)械力強(qiáng)制剪切，將瀝青微粒均勻分散在乳化劑的水介質(zhì)中而成的乳狀液。乳化瀝青包含三種基本成分：即瀝青、水和乳化劑。在一些情況下，瀝青乳液中也會(huì)摻加穩(wěn)定劑、增強(qiáng)劑、滲透劑等添加劑來控制乳化瀝青破乳時(shí)間，改善工作性能。乳化劑的作用是降低瀝青表面張力，吸附在瀝青液滴表面，使瀝青微粒更好的以乳膠束形式分布，也起著穩(wěn)定劑的作用。普通的乳化瀝青乳液中包含40%～70%基質(zhì)瀝青，0.1%～2.5%的乳化劑，30%～60%的水及一些其它成分。乳化瀝青從分散相的形式上一般可分為水包油（O／W）型、油包水（W／O）型以及復(fù)合型（W／O／W）三種乳液類型。在水包油（O／W）型乳液中，連續(xù)相是水，分散相為瀝青；當(dāng)基質(zhì)瀝青含量逐漸增加并達(dá)到一定程度，則開始形成與之相反的油包水（W／O）型乳液，其中連續(xù)相是瀝青，而水是分散相；乳化瀝青也可以形成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如在復(fù)合型（W／O／W）乳化瀝青系統(tǒng)中，分散相中可以含有其它的組成成分，并且這一成分可以不與連續(xù)相成分相同，如圖1所示。

乳化瀝青殘留物性能決定著乳化瀝青的使用性能。而乳化瀝青殘留物的性能又與乳化劑濃度有著必然聯(lián)系，該文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR試驗(yàn)儀）測(cè)試殘留物復(fù)合模量的方法，比對(duì)分析3種不同乳化劑濃度的乳化瀝青殘留物，分析乳化劑濃度對(duì)乳化瀝青殘留物性能的影響關(guān)系。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1）基質(zhì)瀝青：試驗(yàn)采用盤錦90＃A級(jí)道路石油瀝青，其主要性能為：軟化點(diǎn)（環(huán)球法）45.5℃，針入度（100g，25℃，5s）（0.1mm）98，延度（15℃）＞120cm.。

2）乳化劑：制備乳化瀝青的三種乳化劑分別命名為CS1、CS2和CS3。乳化瀝青的信息如表1所示。3種乳化瀝青的乳化劑濃度隨著標(biāo)號(hào)的增大而增加，其中CS2的乳化劑濃度為實(shí)際生產(chǎn)的乳化瀝青乳化劑濃度。試驗(yàn)中的所有材料均來自于荷蘭乳化劑公司，并且未加任何處理。所有的乳化瀝青在使用之前均會(huì)進(jìn)行振蕩操作并用玻璃棒進(jìn)行攪拌，達(dá)到取樣均勻的效果。

表1 乳化劑信息

3）其它外摻劑：無，為防止外摻劑對(duì)殘留物性能的影響，該試驗(yàn)在制備乳化瀝青過程只使用基質(zhì)瀝青、乳化劑和蒸餾水3種材料。

1.2 乳化瀝青殘留物制備工藝

為更好的模擬乳化瀝青在實(shí)際路面服役過程中的環(huán)境，該研究使用EN 13074乳化瀝青的殘留物作為研究對(duì)象。在整個(gè)流程中，根據(jù)時(shí)間和溫度制度的不同分為3個(gè)階段，如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)采用美國(guó)TA公司研制的動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR（AR2000ex）來表征乳化瀝青殘留物和純?yōu)r青的流變性能，儀器裝有控溫室，并采用液氮控制溫度，控溫精度可達(dá)±0.1℃。試驗(yàn)采用的頻率范圍為0.3～400rad／s，采用應(yīng)變控制模式，在同一溫度下不同頻率的掃描過程中，施加給測(cè)試樣品的應(yīng)變?yōu)楹愣ㄖ挡⒋_保在材料的線性粘彈性范圍內(nèi)。試驗(yàn)的溫度同樣選取為8個(gè)溫度點(diǎn)：－10℃，0℃，10℃，20℃，25℃，35℃，45℃和55℃。

1）殘留物應(yīng)變掃描：由于生產(chǎn)三種乳化瀝青的源瀝青相同，試驗(yàn)采取隨機(jī)選取乳化瀝青的殘留物進(jìn)行應(yīng)變掃描，確定瀝青的線性粘彈性范圍，

2）殘留物頻率掃描：從應(yīng)變掃描所得的線性粘彈性范圍中選取應(yīng)變進(jìn)行頻率掃描，得到復(fù)數(shù)模量與乳化劑濃度在不同溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 殘留物應(yīng)變掃描分析

應(yīng)變掃描分析結(jié)果見圖3，線性粘彈性范圍可以定義為一個(gè)較小的應(yīng)變區(qū)間，在這個(gè)應(yīng)變區(qū)間內(nèi)復(fù)數(shù)模量大小不受施加應(yīng)變水平的影響。SHRP報(bào)告中將線性粘彈性范圍定義為在應(yīng)變掃描試驗(yàn)過程中，復(fù)數(shù)模量G＊下降到95%之前的應(yīng)變區(qū)域。如圖3所示，就乳化瀝青殘留物來說，隨著測(cè)試溫度的升高，復(fù)數(shù)模量G＊的值下降，且溫度越高，G＊的值越小。在材料的線性粘彈性范圍內(nèi)，G＊不為應(yīng)變的函數(shù)，即G＊不隨施加的應(yīng)變水平變化而變化，呈現(xiàn)一條直線。隨著應(yīng)變水平的增加，G＊開始有下降的趨勢(shì)，當(dāng)施加的應(yīng)變水平進(jìn)入非線性粘彈性范圍，復(fù)數(shù)模量開始出現(xiàn)明顯的下降。同時(shí)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試溫度較低的情況下，當(dāng)應(yīng)變水平很小的時(shí)候G＊就開始出現(xiàn)下降，同時(shí)可以觀察到材料出現(xiàn)破壞，在這些溫度點(diǎn)下無法評(píng)價(jià)此時(shí)的應(yīng)變水平。從所得到瀝青線性粘彈性范圍內(nèi)選取應(yīng)變進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)。

2.2 殘留物頻率掃描分析

如圖4所示，基于不同測(cè)試溫度下的頻率掃描結(jié)果，以20℃為參考溫度，按照時(shí)溫等效原則進(jìn)行平移，則可以得到關(guān)于復(fù)數(shù)模量和相位角的主曲線，從更廣泛的溫度或頻率范圍評(píng)價(jià)乳化瀝青殘留物及純?yōu)r青的粘彈性能。

主曲線擬合結(jié)果表明：CS3乳化瀝青的殘留物的復(fù)合模量比CS1，CS2大，但是在整個(gè)頻率域范圍內(nèi)CS3相位角卻比CS1，CS2的相位角小，表明材料的性能向更加趨于彈性發(fā)展。當(dāng)CS2與CS1比較時(shí)，同樣地，在低頻區(qū)域即對(duì)應(yīng)高溫從相位角和復(fù)合模量大小比較，CS2殘留物的性能也向彈性方向發(fā)展。由此可知，隨著乳化劑的增加，乳化瀝青物的彈性部分增加。這說明一定范圍內(nèi)的乳化劑濃度增加有利于乳化瀝青殘留物在高溫下具有更好的抵抗變形能力。

3 結(jié) 論

a.乳化瀝青殘留物的線性粘彈性范圍與試驗(yàn)溫度有良好的相關(guān)性，并隨著溫度的升高而增大。

b.在一定范圍內(nèi)，隨著乳化劑濃度增大，乳化瀝青殘留物的復(fù)合模量增大，相位角減小。說明在一定濃度范圍內(nèi)，乳化劑濃度增加，乳化瀝青殘留物彈性部分增加，因此在高溫下具有更好的抵抗變形能力。

［1］ JTG E40—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［M］.人民交通出版社，2011.

［2］ 徐光霽.硬質(zhì)乳化瀝青蒸發(fā)殘留物流變性能研究 ［D］.武漢理工大學(xué)，2012.

［3］ 肖晶晶，鄭南翔，宋哲玉.乳化劑對(duì)改性乳化瀝青性能影響及機(jī)理研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，29（9）：5－9.

［4］ 肖晶晶，蔣 瑋，王振軍.改性乳化瀝青殘留物性能檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)體系研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，7（14）：70－74.