集料特性對集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響

張久鵬 賈彥順 裴建中 羅資軍 馬學軍

(1長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,西安710064)(2同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海200092)(3北京交科公路勘察設計研究院有限公司,北京100191)

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集料特性對集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響

張久鵬1賈彥順1裴建中1羅資軍2馬學軍3

(1長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,西安710064)(2同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海200092)(3北京交科公路勘察設計研究院有限公司,北京100191)

采用不同粒徑的石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖細集料制備了集料-改性乳化瀝青膠漿,測試了集料的化學成分、比表面積和表面電荷特性以及膠漿的黏度,分析了集料特性對膠漿黏度的影響規(guī)律.結果表明:隨著改性乳化瀝青的破乳,瀝青膠漿的黏度逐漸增大,并趨于穩(wěn)定;酸性集料膠漿的黏度達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間最短;同種巖性的集料比表面積越大,集料膠漿的初始黏度越大,而膠漿黏度達到穩(wěn)定所需的時間越短;同等粒徑下,集料表面ζ電位值越高,膠漿初始黏度越小,而膠漿黏度達到穩(wěn)定所需的時間越長;膠漿黏度穩(wěn)定所需的時間越短,表明乳化瀝青破乳越快,即可供施工的時間越短.

道路工程;集料;改性乳化瀝青;膠漿;黏度

改性乳化瀝青必須具有合適的破乳速度,才能保證混合料具有足夠的拌和、攤鋪時間,而乳化過程受乳化劑、改性劑類型及劑量、拌和用水量、施工溫度、水泥摻量以及集料種類等多種因素的影響[1].對此,研究人員已經(jīng)開展了一系列的研究工作.宋哲玉等[2]研究了陰、陽離子瀝青橡膠乳液與酸、堿性集料拌和后的破乳過程,指出乳化劑是影響2類乳液破乳過程的關鍵因素.馮虎等[3]發(fā)現(xiàn)陽離子乳化瀝青的破乳度與乳化劑的種類和用量及破乳劑有關,乳化劑含量越高,則化學穩(wěn)定性越好.施來順等[4]指出增大乳化劑用量、使用助劑、增加潤濕水量、加入?yún)f(xié)同乳化劑等可延長破乳時間;拌和溫度越高,越有利于破乳.蔣瑋等[5]指出水泥自身吸水、水化反應需水以及水化反應物的生成,可以促進改性乳化瀝青的破乳.Taylor[6]分析了水包瀝青型乳液的熱不穩(wěn)定性,確認水包湖瀝青型乳液的溫度接近表面活性劑的濁點時可實現(xiàn)有效分解.Wang等[7]通過激光衍射技術研究了水泥乳化瀝青膠漿中乳化瀝青的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)溫度顯著影響該穩(wěn)定性.Borges等[8]研究了鹽度和水油比對原油包水乳液破乳行為的影響,指出高瀝青含量下同時增加鹽度和破乳劑含量可以獲得一個最優(yōu)的破乳速度.Fortuny等[9]分析了鹽度、溫度、水含量和pH值對原油乳液微波破乳的影響,發(fā)現(xiàn)溫度最高、無鹽、pH為7.0且水含量高(45%)的乳液可以獲得最好的破乳效果.

上述研究較少涉及集料特性對改性乳化瀝青破乳的影響,僅有的少量研究也是簡單分析集料種類(或者酸堿性)對破乳過程的影響,且多采用觀測法評價、判定破乳形態(tài),導致破乳評判的不科學性.Ouyang等[10]通過測定水泥乳化瀝青膠漿的黏度和粒徑分布,研究了水泥乳化瀝青膠漿中乳化瀝青的破乳過程,結果表明水泥乳化瀝青膠漿黏度的變化可以反映膠漿中乳化瀝青的破乳過程.

實際上,不僅集料種類(或者酸堿性)對改性乳化瀝青的破乳有影響,集料的表面電荷、比表面積、粒徑尺寸等特性對其也有顯著影響.本文實測了石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖3種集料的主要化學成分、比表面積及表面電荷等特性,并將不同粒徑的集料與改性乳化瀝青拌和,以制備集料-改性乳化瀝青膠漿,根據(jù)膠漿黏度的變化來分析集料的酸堿性、比表面積及表面電荷對改性乳化瀝青破乳的影響,為改性乳化瀝青破乳評價及其混合料組成設計提供依據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 改性乳化瀝青制備及其技術性能

本文選用雙龍70#基質瀝青和廣泛采用的陽離子乳化劑M,利用邊改性邊乳化的方法制備改性乳化瀝青.相關研究表明,SBR膠乳能夠顯著提高瀝青乳液破乳后集料與瀝青的黏附性,所制備的改性乳化瀝青兼具耐老化、耐熱化和耐腐蝕性以及較高的稀釋穩(wěn)定性等優(yōu)點,且制備工藝較為簡單,而對于陽離子乳化瀝青,添加氯化鈣穩(wěn)定劑則可顯著改善乳液的穩(wěn)定性[2-4].因此,選用SBR膠乳作為改性劑,并加入氯化鈣作為穩(wěn)定劑,以制備改性乳化瀝青,其各項技術指標見表1.

表1 SBR改性乳化瀝青的技術指標

1.2 集料特性分析

集料特性一般包括幾何、物理、力學及化學特性.文獻[11]表明,集料粒徑、酸堿性、比表面積以及表面電位等對破乳過程影響顯著.因此,本文選定石灰?guī)r、玄武巖和花崗巖3種常見集料,分析其酸堿性、比表面積及表面電位特性.文獻[12]表明,粒徑小于0.3 mm的集料比表面積約占集料總比表面積的80%.考慮到膠漿黏度儀對集料粒度的要求,本文最終選擇了0.3,0.15,0.075 mm集料進行破乳評價研究.分別采用X熒光光譜儀、比表面積儀、電滲儀測定了集料的主要化學成分、比表面積和表面ζ電位,結果見表2～表4.由表2可知,石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖中SiO2含量分別為0.76%,55.85%, 86.74%,即石灰?guī)r為堿性集料,玄武巖為中性集料,花崗巖為酸性集料.由表3可知,對于同種集料,集料的比表面積隨粒徑的減小而增大.由表4可知,石灰?guī)r表面ζ電位最高,其次為玄武巖,而花崗巖表面ζ電位則最低.

表2 集料的主要化學成分 %

表3 集料的比表面積 m2/kg

表4 集料表面的ζ電位 mV

2 結果與分析

2.1 集料酸堿性對膠漿黏度的影響

為研究集料酸堿性對細集料膠漿黏度的影響,按集料與改性乳化瀝青質量比100∶40的比例制備了集料-改性乳化瀝青膠漿,并利用布氏旋轉黏度儀分別測定了瀝青膠漿在不同時刻的黏度,結果見圖1.由圖可知,3種集料膠漿黏度達到穩(wěn)定狀態(tài)所花費的時間由短到長分別為:酸性花崗巖集料膠漿、中性玄武巖集料膠漿、堿性石灰?guī)r集料膠漿.即用中性集料制備的混合料,其可拌和時間較堿性集料混合料短,而酸性集料混合料可拌和時間最短.

(a) 0.075 mm集料

(b) 0.15 mm集料

(c) 0.3 mm集料

2.2 集料比表面積對膠漿黏度的影響

為研究集料的比表面積對集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響,以石灰?guī)r為例,按集料與改性乳化瀝青質量比100∶40的比例制備了0.075,0.15,0.3 mm石灰?guī)r集料-改性乳化瀝青膠漿,測定了瀝青膠漿在不同時刻的黏度,結果見圖2.由圖可知,同種巖性集料膠漿的初始黏度隨著集料粒徑的增大而減小,即隨集料比表面積的減小,集料膠漿的初始黏度減小.這是因為對于相同質量的單檔集料,隨著集料粒徑的增大,其表面積總和逐漸減小;在拌和過程中, 0.075 mm集料膠漿中改性乳化瀝青乳液與集料直接接觸的面積最大,故拌和后改性乳化瀝青乳液能夠迅速破乳,使得乳液中瀝青微?；謴偷皆械臑r青性能,增大了集料膠漿的內聚力,在宏觀上表現(xiàn)為集料膠漿黏度的增加.同種巖性的集料膠漿黏度值達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間也隨著粒徑的增大而增加.這是因為集料粒徑越大,改性乳化瀝青乳液與集料直接接觸的面積越小;乳液前期破乳而產生的瀝青聚集在集料表面形成穩(wěn)定的瀝青薄膜,阻礙了乳液與集料直接接觸,進而對尚未破乳的乳液的破乳過程起到了一定的阻礙作用,導致大粒徑集料膠漿的黏度增長持續(xù)較長的時間.

圖2 石灰?guī)r集料比表面積對膠漿黏度的影響

2.3 集料表面電荷對膠漿黏度的影響

為了研究集料表面電荷特性對集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響,分別采用石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖集料制備了0.075,0.15,0.3mm細集料膠漿.為了消除集料比表面積的差異對實驗結果的影響,分別調整了玄武巖及花崗巖集料砂漿的配比(見表5),測定了瀝青膠漿在不同時刻的黏度,結果見圖3.由圖可知,對于具有相同粒徑的集料膠漿的初始黏度值,花崗巖集料膠漿最大,玄武巖集料膠漿次之,而石灰?guī)r集料膠漿最小,表明集料表面ζ電位越高,具有相同粒徑的集料膠漿的初始黏度值越小.

表5 集料與改性乳化瀝青的質量比

(b) 0.15 mm集料

(c) 0.3 mm集料

各集料膠漿黏度變化都呈先增加的趨勢,然后逐漸趨于一個穩(wěn)定值,這是由于隨著改性乳化瀝青乳液破乳進程的逐漸推進,集料表面被瀝青裹覆的面積增大,阻斷了改性乳化瀝青乳液與集料間的直接接觸,乳液的破乳速度放緩,進而導致集料膠漿的黏度增長率變小,直到膠漿黏度達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài).各集料膠漿黏度達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間由短到長依次為:花崗巖集料膠漿、玄武巖集料膠漿、石灰?guī)r集料膠漿,表明集料表面ζ電位越高,各集料膠漿黏度達到穩(wěn)定的時間越長;這是因為集料表面ζ電位越高,改性乳化瀝青乳液的中瀝青微粒周圍的擴散雙電層保護膜越不容易破裂,乳液的破乳速度越慢.帶正電荷的集料需經(jīng)過一系列的化學電離作用,在集料表面附近的溶液中產生一定量的負電荷,使得乳液中瀝青微粒周圍的擴散雙電層保護膜破裂,在集料表面逐漸形成瀝青膜,導致集料膠漿黏度逐漸變大.

3 結論

1) 隨著改性乳化瀝青的破乳,瀝青膠漿的黏度逐漸增大并趨于穩(wěn)定.膠漿黏度穩(wěn)定所需的時間越短,表明改性乳化瀝青破乳越快,而集料酸堿性、比表面積和表面電荷對其均有明顯影響.

2) 集料酸性越強,膠漿黏度達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越短;而同種巖性的集料比表面積越大,膠漿的初始黏度越大,膠漿黏度穩(wěn)定時間越短.

3) 3種集料表面ζ電位由低到高的順序為:花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r.這表明同等粒徑下,集料表面ζ電位值越高,膠漿初始黏度越小,而膠漿黏度穩(wěn)定時間越長.

References)

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Effects of aggregate characteristics on viscosity of aggregate-modified emulsified asphalt mortar

Zhang Jiupeng1Jia Yanshun1Pei Jianzhong1Luo Zijun2Ma Xuejun3

(1Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064,China) (2Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Tongji University, Shanghai 200092,China) (3Beijing Jiaoke Transport Consultants Ltd., Beijing 100191,China)

Limestone, basalt and granite fine aggregates with different sizes were selected to prepare aggregate-modified emulsified asphalt mortar. The chemical composition, specific surface areas, the surface charges of aggregates and the rotational viscosities of modified-emulsified asphalt mortars were measured. The effect laws of aggregate characteristics on the viscosity of aggregate-modified emulsified asphalt mortar were analyzed. The results show that the mortar viscosity increases and tends to stabilize during the demulsification of modified emulsified asphalt. The stabilizing time of acidic aggregates mortar is the shortest. For the mortars mixed with the aggregates with the same lithology, the larger the specific surface area of aggregates, the larger the initial viscosity and the shorter the stabilizing time. For the mortars mixed with the aggregates with the same specific surface area, the bigger the ζ potential value on aggregate surface, the smaller the initial viscosity and the longer the stabilizing time. The shorter stabilizing time of mortar viscosity implies a faster demulsification speed of modified emulsified asphalt and the time available for construction would be shorter.

road engineering; aggregate; modified emulsified asphalt; mortar; viscosity

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.030

2014-11-02. 作者簡介: 張久鵬(1983—),男,博士,副教授,zhjiupeng@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51378073，51408043，51408047)、陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2014JQ7278).

張久鵬，賈彥順，裴建中，等.集料特性對集料-改性乳化瀝青膠漿黏度的影響[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):586-590.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.030

U414

A

1001-0505(2015)03-0586-05