新型乳化彩色瀝青開發(fā)與應(yīng)用探討

劉 俊 ，陳思旻

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300457；2.天津市公路處，天津市 300170）

0 引言

彩色瀝青路面的研究與應(yīng)用可追溯到20世紀50年代歐美等國家；到了20世紀60年代，前蘇聯(lián)道路科學(xué)研究所以及哈爾科夫公路學(xué)院也對彩色瀝青路面鋪設(shè)進行了研究，并先后在莫斯科、哈爾科夫、第比利斯等城市鋪筑數(shù)萬m2的彩色瀝青路面；日本也對彩色瀝青鋪面技術(shù)進行了很多研究，具體應(yīng)用有：日本北九州市199號國道（街道段）靠邊的兩側(cè)車道鋪筑鐵紅色路面、神戶市中心長田楠日尾線中間車道鋪成黃色的密級配彩色路面等。而我國在20世紀80年代初才開始研究彩色路面，近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們對道路與環(huán)境的協(xié)調(diào)性能有了更加深刻的認識，對道路的舒適性和功能性也有了更高的要求。彩色瀝青路面作為一種新型的鋪面技術(shù)，恰恰滿足了這些要求，引起了人們的廣泛興趣。目前，彩色瀝青在我國已經(jīng)進入實驗推廣階段，多個城市已嘗試采用彩色瀝青路面鋪設(shè)城市道路，如北京、上海、天津、重慶、成都、沈陽和廈門等城市（見圖1）。

圖1 國內(nèi)彩色瀝青路面應(yīng)用

在道路中鋪設(shè)彩色瀝青路面，具有以下功能：（1）美化城市、改善道路環(huán)境，展示城市風(fēng)格效果，具體應(yīng)用于城市街道、廣場、風(fēng)景區(qū)、公園和旅游景觀道路等地；（2）誘導(dǎo)車流，便于交通組織管理，具體應(yīng)用于區(qū)分不同功能的路段和車道，以提高駕駛員的識別效果，增加道路的通行能力和交通安全；（3）緩解疲勞，提高行車安全，具體應(yīng)用于陡坡、轉(zhuǎn)彎和限速區(qū)、交叉口、居民密集點和停車點附近、學(xué)校、醫(yī)院等處。因而彩色瀝青路面作為一種新型的鋪面技術(shù)，符合時代的需求，能夠營造現(xiàn)代交通的時代氣息，充分體現(xiàn)了“以人為本”的道路設(shè)計理念。但彩色瀝青路面造價昂貴，現(xiàn)成品彩色瀝青每噸價格約為15 000元，而普通瀝青每噸為4 000～6 000元，彩色瀝青價格高達普通瀝青的3～5倍，而彩色瀝青路面工程造價相比黑色瀝青路面要高出20倍左右，過高的價格嚴重限制了彩色瀝青路面的普及與推廣。因此，尋求一種切實有效的方法降低彩色瀝青的價格，成為了道路工作者急需解決的問題之一。

1 彩色路面技術(shù)的種類

目前彩色路面技術(shù)種類繁多，使用較多的有：熱拌彩色瀝青混凝土路面、乳化彩色瀝青稀漿封層和彩色抗滑磨耗層。根據(jù)著色機理的不同，通?？梢苑譃椋海?）普通瀝青著色，即將無機金屬鹽類顏料代替礦粉填入瀝青或瀝青混合料中，可以得到幾種彩色瀝青路面材料，例如將氧化鐵（俗稱鐵紅）加入普通瀝青混合料中可以得到鐵紅色的瀝青路面材料，加入氧化鉻可以得到墨綠色瀝青路面材料；（2）采用彩色集料著色，即在鋪筑好瀝青砂膠層之后，以彩色石料按照一定用量代替部分普通石料，在瀝青砂膠層仍保持足夠溫度時散布碾壓，使石料部分嵌入瀝青砂膠層內(nèi)，即可形成彩色路面；（3）使用彩色膠結(jié)料，即所謂的彩色瀝青。目前，隨著研究的不斷深入，彩色瀝青路面的種類和鋪面技術(shù)層出不窮，這也更加凸顯出使用彩色瀝青鋪設(shè)出來的彩色路面，其色澤鮮明、堅固持久的優(yōu)越性，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)彩色路面都是采用這種工藝制作的，若能在此基礎(chǔ)上，有效降低其價格，相信會具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

2 新型乳化彩色瀝青的概念

2.1 新型乳化彩色瀝青的定義

一般所謂的彩色瀝青是由高分子聚合物、樹脂、填充油和其它外加劑，經(jīng)高溫高速剪切所聚合而成。而新型乳化彩色瀝青是將粘稠彩色瀝青進一步加熱至流動態(tài)，再經(jīng)機械作用使之分散成為微小液滴，穩(wěn)定地分散在有乳化劑—穩(wěn)定劑的水中，形成水包油（O/W）型的彩色瀝青乳液。

2.2 新型乳化彩色瀝青的性能分析

新型乳化彩色瀝青，首先由于加入了高分子改性劑，在塑性方面將有很大的提高，延性明顯好于普通瀝青；其次在環(huán)保方面，有效降低了黑色瀝青中普遍存在的3-4苯丙衍生物等致癌物質(zhì)，對環(huán)境具有保護作用；最后考慮到乳化瀝青通常具有如下優(yōu)點：（1）可冷態(tài)施工，節(jié)省大量能源，并減少環(huán)境污染，有利工人健康；（2）良好的工作性，可均勻分布在集料表面，有較好的粘附性，可節(jié)省瀝青用量；（3）可延長施工季節(jié)，乳化瀝青特別是陽離子乳化瀝青施工，幾乎可以不受陰濕或低溫季節(jié)影響，能及時進行路面的維修和養(yǎng)護；（4）與熱瀝青、稀釋瀝青相比，乳化瀝青節(jié)約能源40%～50%、改善施工條件、降低工程造價20%～30%以上，并能有效地減少高溫加熱時引起的瀝青過度老化，以及致癌物苯丙吡的大量揮發(fā)。綜上所述，將彩色瀝青進一步乳化不但可有效降低成本，還可達到施工便利、節(jié)能環(huán)保的目的，從而為彩色路面的應(yīng)用以及城市景觀道路色彩化的大面積推廣提供了切實可行的途徑。

2.3 新型乳化彩色瀝青的形成機理分析

新型乳化彩色瀝青的形成機理可概括為：彩色瀝青乳液中彩色瀝青由于乳化劑降低界面張力的作用、界面膜的保護作用以及雙層電荷的穩(wěn)定作用，最終能夠以“微滴”形式穩(wěn)定地分散在乳化劑-穩(wěn)定劑的水溶液中；其機理分析如下：

（1）乳化劑降低界面張力的作用；

根據(jù)吉布斯定律有：

式中：ΔG——彩色瀝青乳液體系的表面自由能；

δaω——彩色瀝青與水的界面張力；

ΔS——彩色瀝青微粒的總表面積。

由式（1）可知，當(dāng)彩色瀝青與水的界面張力為一定值，隨著彩色瀝青液滴總表面積的增加，表面自由能亦增加。由于彩色瀝青及水體系是一個熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，為了保持熱力學(xué)平衡，彩色瀝青液滴自然趨向“聚析”以降低表面自由能。為保持彩色瀝青液滴的高度分散性，即不縮小彩色瀝青液滴總表面積，而又能保持彩色瀝青及水體系的穩(wěn)定，唯一的途徑只有降低彩色瀝青及水的界面張力。乳化劑是一種兩親性物質(zhì)（見圖2），它在彩色瀝青與水的體系中，其分子的憎水基團（親油基）吸附于彩色瀝青的表面，而親水基團則進入水相，這樣定向排列可使彩色瀝青與水的界面張力大大降低，從而使彩色瀝青及水體系形成穩(wěn)定的分散系（見圖3）。

圖2 瀝青乳化劑結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 親水基與親油基沿油水界面定向排列

（2）界面膜的保護作用；

在水中加入具有乳化作用的表面活性劑以后，乳化劑在兩相界面上形成吸附層，乳化劑的極性基團朝向水，非極性基團朝向彩色瀝青，使彩色瀝青和水的界面張力下降，當(dāng)彩色瀝青液滴周圍吸附的表面活性劑分子達到飽和時，在瀝青液滴與水的界面上形成界面膜，此膜具有一定的強度，對彩色瀝青液滴具有保護作用，當(dāng)彩色瀝青液滴相互碰撞時，不易聚結(jié)，能保護乳液的穩(wěn)定。

（3）雙層電荷的穩(wěn)定作用。

彩色瀝青乳液中的彩色瀝青液滴周圍形成了一層帶有電荷的保護膜，為雙電層結(jié)構(gòu)。電荷來源于電離、吸附和彩色瀝青微滴與水之間的摩擦作用。這層帶電荷的保護膜能起穩(wěn)定作用，瀝青液滴相互碰撞時，因相同電荷的相互排斥作用，阻止了乳化液滴的聚析，從而形成穩(wěn)定的體系。

3 新型乳化彩色瀝青的開發(fā)與技術(shù)指標要求

3.1 新型乳化彩色瀝青的開發(fā)

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)彩色瀝青的途徑主要有兩條：

（1）普通瀝青脫色

瀝青脫色是利用適當(dāng)溶劑將石油瀝青中瀝青質(zhì)組分脫去，剩下顏色較淡的組分，并配以適當(dāng)改性材料配置得到。石財彥等人就曾應(yīng)用物理、化學(xué)的方法使瀝青脫色，加入SBS改性劑、顏料等合成彩色瀝青，在此基礎(chǔ)之上，應(yīng)用慢裂快凝乳化劑、改性劑制得彩色改性乳化瀝青。但由于該生產(chǎn)工藝復(fù)雜，主要是瀝青脫色存在一定難度，資金和設(shè)備投入大，且污染較嚴重，目前已經(jīng)很少使用。

（2）人工制備的淺色膠結(jié)料（即聚合物彩色瀝青）

聚合物彩色瀝青是利用現(xiàn)代石油化工產(chǎn)品經(jīng)人工配置而成，一般是由高分子聚合物、樹脂、填充油和其它外加劑，經(jīng)高溫高速剪切所聚合而成，該技術(shù)原理簡單，可操作性強，易于推廣。若能在此技術(shù)上進一步深入，將粘稠的聚合物彩色瀝青進一步加熱至流動態(tài)，再經(jīng)機械作用使之分散成為微小液滴，穩(wěn)定地分散在有乳化劑—穩(wěn)定劑的水中，形成水包油（O/W）型的彩色瀝青乳液，最終開發(fā)出新型乳化瀝青的生產(chǎn)技術(shù)與工藝。

3.2 新型乳化彩色瀝青的技術(shù)指標要求

新型乳化彩色瀝青的技術(shù)指標要求，應(yīng)考慮彩色瀝青路面使用場合和環(huán)境，參考現(xiàn)行瀝青技術(shù)要求，并結(jié)合彩色瀝青的特性和目前我國彩色瀝青生產(chǎn)的技術(shù)水平綜合確定。同時，還應(yīng)考慮到彩色瀝青的色彩耐久性問題，提出在RTFOT試驗后其顏色應(yīng)保持穩(wěn)定的要求。此外，由于經(jīng)乳化工藝，就應(yīng)考慮其破乳速度、初凝時間以及固化時間的控制。表1和表2分別為國外彩色瀝青膠結(jié)料性能要求和國內(nèi)彩色瀝青膠結(jié)料技術(shù)指標要求，可作為新型乳化彩色瀝青的技術(shù)指標要求的參考依據(jù)。

表1 國外彩色瀝青膠結(jié)料性能要求

表2 國內(nèi)彩色瀝青膠結(jié)料技術(shù)指標要求

5 期待解決的問題

新型乳化彩色瀝青的開發(fā)，即如何從生產(chǎn)上實現(xiàn)新型乳化彩色瀝青的制備，包括相應(yīng)乳化劑和穩(wěn)定劑種類的選取與定量，同時其乳化方式與乳化設(shè)備的選取，以及其各項技術(shù)指標的檢測，最終制定出新型乳化彩色瀝青制備的最佳方案，還有待進一步深入研究。此外，目前彩色瀝青路面還暴露出諸如不耐臟、耐久性差、以及沒有系統(tǒng)完善的評價體系等問題，仍需不斷的探討、研究，直至解決和完善。

6 結(jié)語

新型乳化彩色瀝青不僅吸收了乳化瀝青經(jīng)濟、施工便利以及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，同時應(yīng)用于鋪面還具有美化環(huán)境、誘導(dǎo)車流、便于交通組織管理的特殊功能，是將來新型路面材料發(fā)展的一大趨勢。開展新型乳化彩色瀝青的開發(fā)與應(yīng)用研究，對于提高我國道路建設(shè)水平，特別是滿足時代的需求、充分體現(xiàn)“以人為本”的道路設(shè)計理念、減少彩色路面建設(shè)投資和美化城市環(huán)境、提高道路服務(wù)能力等諸多方面，都具有十分重要的理論意義和實用價值。

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