微表處專用兩性瀝青乳化劑表征及應(yīng)用效果評價

微表處專用兩性瀝青乳化劑表征及應(yīng)用效果評價

高莉?qū)?，賈秦龍，晏永，郭濤，夏慧蕓，陳華鑫

(長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710064)

摘要：微表處中瀝青乳化劑的相關(guān)性能對改性乳化瀝青及稀漿混合料性能至關(guān)重要.筆者利用油酸、多胺、有機氯酸以及氯醇等為原料合成了兩性瀝青乳化劑，分析了乳化劑的紅外光譜、表面張力、親水親油平衡值(HLB值)；測試了5% SBS摻量改性乳化瀝青的性質(zhì)和稀漿混合料的技術(shù)指標(biāo).結(jié)果顯示：乳化劑的臨界膠束濃度為2.63×10`(-5) mol/L，此時表面張力46.11 mN/m；乳化劑HLB值為12.7；當(dāng)乳化劑用量為1.5%時，改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的25 ℃針入度為6.2 mm，軟化點為78.5 ℃，5 ℃延度為35 cm；微表處混合料60 min凝聚力值達(dá)到2.4 N·m，為中度成型，浸水1 h和浸水6 h濕輪磨耗值均滿足規(guī)范要求.

關(guān)鍵詞：瀝青乳化劑；微表處；改性乳化瀝青；油酸

收稿日期:2015-05-01；

修訂日期：2015-06-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51202016)；國家留學(xué)基金資助項目(201206565034)；陜西省博士后項目；長安大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201310710151)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(0009-2014G1311086、CHD2013G3312019)；長安大學(xué)科技創(chuàng)新重點項目資助

作者簡介:高莉?qū)?1978—)，女，陜西銅川人，長安大學(xué)教授，碩導(dǎo)，主要從事材料化學(xué)研究,E-mail:lngao@chd.edu.cn．

文章編號:1671-6833(2015)05-0030-05

中圖分類號：U418.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.007

Abstract:The properties of asphalt emulsifier in micro-surfacing are an issue of great importance for modified emulsified asphalt and mixture performance. In this paper, a kind of zwitterionic surfactant which can be used for asphalt emulsifier was synthesized by using oleic acid, polyamine, acid and alcohol containing chloride as starting materials. The synthesized asphalt emulsifier was characterized by means of FT-IR, surface tension and the calculated hydrophilic- lipophilic balance (HLB) value. The properties of 5% SBS modified emulsion asphalt and the technical parameters of slurry mixtures were also tested. The results showed that the critical micelle concentration (CMC) of emulsifier was 2.63×10`(-5) mol/L, the surface tension at CMC was 46.11 mN/m, and the calculated HLB value was 12.7. Furthermore, the modified emulsion asphalt showed the best performance when the concentration of emulsifier was 1.5%, and the modified asphalt emulsion evaporation residue 25 ℃ penetration was 6.2 mm, softening point was 78.5 ℃, 5 ℃ ductility was 35 cm; micro-surfacing mixture 60 min cohesion value reached 2.4 N·m, moderate molding, 1 h and 6 h soaking wet wheel abrasion values were to meet regulatory requirements.

0引言

微表處是采用專用機械設(shè)備將聚合物改性乳化瀝青、粗細(xì)集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計配比拌和成稀漿混合料攤鋪在原路面上，并且很快開放交通的具有高抗滑和耐久性能的薄層罩面[1].微表處要求的改性乳化瀝青中使用的瀝青乳化劑對微表處的性能影響至關(guān)重要.微表處專用瀝青乳化劑主要有烷基多胺類，其乳化性能良好且對集料的黏附性好.該類型乳化劑在國外應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如美國Westvaco公司生產(chǎn)的MQK乳化劑[2]以及瑞典AKZO-NOBEL公司生產(chǎn)的微表處專用乳化劑[3].張倩等[4]合成了聚氧乙烯型慢裂快凝型陽離子瀝青乳化劑，但并未針對微表處要求的改性乳化瀝青進(jìn)行研究.現(xiàn)在國內(nèi)微表處大多采用SBR膠乳改性，而SBS改性乳化瀝青應(yīng)用尚不成熟，SBS改性瀝青的乳化效果亦不甚理想，乳化條件苛刻.針對這一問題SBS改性微表處專用瀝青乳化劑的研制就顯得尤為重要.

兩性表面活性劑同時具有陽離子基團(tuán)和陰離子基團(tuán)，性能溫和且易于降解.作為瀝青乳化劑使用時，乳化性能優(yōu)良，且陰離子親水基的引入使乳化劑在較寬范圍和較大離子強度時能保持乳液的穩(wěn)定性[5]，更適合拌合型乳化瀝青的制備.

筆者以油酸、多胺、有機氯酸以及氯醇等為原料合成了微表處專用瀝青乳化劑，經(jīng)紅外光譜、表面張力以及親水親油平衡值測試，表明乳化劑自身性能優(yōu)異.SBS改性乳化瀝青各項性能指標(biāo)以及微表處混合料試驗數(shù)據(jù)均滿足微表處規(guī)范要求.

1試驗部分

1.1原材料和儀器

試劑：油酸(工業(yè)品)；多胺、有機氯酸、氯醇等均為分析純；SK90#瀝青(指標(biāo)參見表1).

儀器：紅外光譜測定使用德國Bruker公司Tensor27型紅外光譜儀，KBr壓片法；表面張力測定使用德國Dataphysics公司DCAT21型表面張力儀，吊環(huán)法；改性乳化瀝青制備使用弗魯克FA25高剪切分散乳化機；混合料黏聚力使用黏聚力試驗儀測定.

1.2合成方法

在裝有恒溫磁力攪拌器、冷凝循環(huán)水的250 mL三口燒瓶中加入多胺化合物適量，保持溫度 80 ℃，攪拌并緩慢滴加油酸，滴加完畢后，通入氮氣作為保護(hù)氣體，將反應(yīng)物升溫至160 ℃并使其反應(yīng)一定時間.待反應(yīng)完成后降溫至60 ℃，加入乙醇15 g以及50%的有機氯酸水溶液，保溫使其反應(yīng)90 min，再滴加適量氯醇反應(yīng)1 h.所得乳化劑待用.

表1　90#基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)

1.3乳化劑表面活性的測定

乳化劑的純化：合成的產(chǎn)物用無水乙醇進(jìn)行重結(jié)晶3次、干燥后得到純品，測定25 ℃下不同濃度乳化劑水溶液的表面張力σ，作圖求得臨界膠束濃度，以及溶液在臨界膠束濃度下的表面張力σc.

1.4乳化瀝青的制備及性能測試

1.4.1SBS乳化改性瀝青的制備

稱取乳化劑和適量穩(wěn)定劑，加入200 g水中，加熱至65 ℃.取SBS含量為5%的改性瀝青300 g加熱到165 ℃[6].開啟乳化剪切機，剪切皂液均勻后，緩慢加入改性瀝青，乳化5～10 min，將乳化好的乳化瀝青裝到燒杯中備用.其中，乳化劑分別取1.2%、1.5%和1.8%進(jìn)行3組試驗.

1.4.2改性乳化瀝青以及其蒸發(fā)殘留物性質(zhì)測試

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范(JTJ052—2000)》[7]分別測試了乳化瀝青篩上剩余量(1.18 mm篩)、標(biāo)準(zhǔn)黏度、蒸發(fā)殘留物含量、貯存穩(wěn)定性，以及蒸發(fā)殘留物的25 ℃針入度、軟化點和5 ℃延度.

1.4.3微表處混合料拌和及破乳時間試驗

微表處的礦料級配采用《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》[8]中的MS-2級配類型，油石比(瀝青占礦料的質(zhì)量百分比)為6.5%～9%.稱取100 g MS-2型級配的礦料倒入拌合杯中，加入適量固化添加劑、水拌勻，然后倒入15 g改性乳化瀝青，攪拌并開始計時，記錄可拌合時間.

同樣采用上述混合料，拌合均勻，時間不超過30 s，取出稀漿混合料立即倒入10 mm厚的油毛氈試模上，保持合適的環(huán)境溫度，每隔5 min用白紙巾輕輕按壓混合料表面，至無褐色斑點出現(xiàn)，即可認(rèn)為乳化瀝青已經(jīng)破乳.

1.4.4微表處混合料黏聚力試驗

取300 g級配礦料，制備微表處混合料試件.試件在溫度25 ℃的環(huán)境中成型30 min，放置到黏聚力試驗儀的測試臺上.分別測試30、45、60、75和90 min的黏聚力值，觀察試樣測試后的破壞狀態(tài).

1.4.5微表處混合料濕輪磨耗試驗

取800 g級配礦料，制備微表處混合料試件.將試件放入60 ℃烘箱中烘16 h取出，稱取其總質(zhì)量ma.分別測定油石比為7%、7.5%、8%、8.5%時浸水1 h和浸水6 h濕輪磨耗試驗后烘至衡重的總質(zhì)量mb，計算磨耗值.

2結(jié)果與分析

2.1乳化劑結(jié)構(gòu)分析

圖1　合成乳化劑的紅外光譜圖

動峰，722 cm-1為亞甲基的面內(nèi)搖擺振動峰.因此，在該乳化劑中除了長碳鏈之外，還含有酰胺基和羧基，為典型的兩性表面活性劑.

2.2乳化劑的表面活性

通過測定乳化劑在不同濃度水溶液中的表面張力σ，作出濃度對數(shù)值與表面張力的變化關(guān)系圖(圖2).由圖可知，隨著乳化劑濃度的增加，兩相界面吸附增大，表面張力逐漸降低，到達(dá)臨界膠束濃度時，界面吸附達(dá)到飽和，此后表面張力基本不發(fā)生變化[9]，乳化劑的CMC為2.63×10-5mol/L，溶液在CMC下的表面張力σc為46.11 mN/m.

圖2　乳化劑的表面張力 σ與濃度 c對數(shù)值關(guān)系曲線

2.3乳化劑親水親油平衡值HLB的計算

HLB值可以用來判斷乳化劑親水親油性大小.HLB值越小，在水中的溶解性越差，說明乳化劑的親水性越差，親油性越強.瀝青乳化劑的HLB值一般在8～18之間[10].

利用小田法可計算乳化劑HLB值的大小[10]：一個甲基(—CH3)或亞甲基(—CH2—)的有機性值為20.酰胺基(—CONH—)無機性值200，胺基(—NR2)、(—NHR)無機性值70，(—COOH)無機性值150，(—OH)無機性值100，雙鍵無機性值2.因此計算得，∑有機性基的值=520；∑無機性基的值=662.

該乳化劑的HLB值為12.7，其水溶液為淡黃色透明液體，水溶性好，滿足瀝青乳化劑的要求.

2.4SBS改性乳化瀝青性能評價

當(dāng)乳化劑加入量為1.5% 時試驗數(shù)據(jù)最為理想.根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》測試乳化瀝青及蒸發(fā)殘留物部分性能指標(biāo)，如表2所示.可以看出，改性乳化瀝青的各項指標(biāo)均滿足微表處BCR型乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求，且達(dá)到較好水平.

表2　改性乳化瀝青性能指標(biāo)

2.5微表處混合料性能評價

2.5.1拌和性能評價

微表處混合料分別采用3%、4%、5%、6%、7%和8%的加水量，部分稀漿混合料拌合情況如圖3所示；當(dāng)稀漿混合料加水6%時拌合時間為127 s，大于120 s，滿足微表處混合料拌合時間技術(shù)要求，因為施工中可能存在誤差，取稀漿混合料加水量為7%.加水7%時，拌和的混合料平鋪在毛氈試模上15 min后，用紙巾輕輕按壓混合料表面，紙巾上無褐色斑點出現(xiàn)，判斷破乳時間約為15 min.

圖3　稀漿混合料拌合情況(從左到右加

2.5.2黏聚力性能評價

黏聚力值大于1.2 N·m時為混合料的初凝時間.黏聚力(C)隨時間的變化曲線如圖4所示；試驗數(shù)據(jù)顯示混合料30 min的黏聚力值為1.5 N·m，試件表面出現(xiàn)一條細(xì)小裂縫，為初級成型.60 min黏聚力值約為2.4 N·m，試件表面沒有裂縫出現(xiàn)，壓頭下的部分集料被碾落，判斷為中度成型.當(dāng)混合料成型時間大于75 min后，黏聚力達(dá)到2.8 N·m，試樣表面未見任何損壞，壓頭在其表面打滑，表面瀝青膜留下圓形痕跡，試件完全成型.混合料的黏聚力試驗數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求.

圖4　黏聚力隨時間的變化曲線

2.5.3濕輪磨耗試驗評價

試件在不同油石比、不同浸水時間試驗中磨耗前后的質(zhì)量ma和mb，通過濕輪磨耗值計算公式：

(1)式中：A=0.034 m2.根據(jù)式(1)計算磨耗值，試驗數(shù)據(jù)見表3.不同油石比下浸水1 h濕輪磨耗值和浸水6 h濕輪磨耗值的關(guān)系曲線圖如圖5所示；由表3及圖5分析知，浸水1 h和浸水6 h濕輪磨耗值均滿足規(guī)范要求.隨油石比變化，當(dāng)油石比為8.0%時，浸水1 h磨耗值與浸水6 h磨耗值曲線變緩，綜合成本分析，確定油石比為8.0%.

表3濕輪磨耗試驗中試件前后質(zhì)量

Tab.3　The quality of specimens before and

圖5　濕輪磨耗值隨油石比的變化曲線

3結(jié)論

(1)油酸、多胺、有機氯酸、氯醇反應(yīng)生成瀝青乳化劑.通過紅外光譜分析，知乳化劑具有酰胺基和羧基，為兩性瀝青乳化劑，其表面張力σc為46.11 mN/m， HLB值為12.7.

(2)當(dāng)乳化劑用量為1.5%時，乳化5% SBS含量的改性瀝青，所得改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的25 ℃針入度為6.2 mm，軟化點為78.5 ℃，5 ℃延度為35 cm，及其他指標(biāo)均滿足微表處BCR型乳化瀝青技術(shù)要求.

(3)稀漿混合料拌和試驗證明該乳化劑為慢裂快凝型，且混合料初凝時間為30 min左右，60 min凝聚力值達(dá)到2.4 N·m，為中度成型，可滿足微表處快速開放交通的要求；浸水1 h和浸水6 h濕輪磨耗值也均滿足規(guī)范要求，且達(dá)到較好水平.

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Characterization and Evaluation Applications of Special Gender Asphalt

Emulsifier for SBS Modified Micro-surfacing

GAO Li-ning, JIA Qin-long, YAN Yong, GUO Tao, XIA Hui-yun, CHEN Hua-xin

(Engineering Research Center of Ministry of Education for Transportation Materials, Chang’an University, Xi’an 710061， China)

Key words: asphalt emulsifier; micro-surfacing; modified emulsified asphalt; oleic acid