納米TiO2/SBR復(fù)合改性乳化瀝青制備與性能研究

閆浩博，陳 星

（1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著我國(guó)改革開(kāi)放進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)公路發(fā)展迅速，截至2021年底，全國(guó)公路里程數(shù)共計(jì)528.07萬(wàn)千米，公路密度55.01千米/百平方千米。公路養(yǎng)護(hù)里程525.16萬(wàn)千米，占公路總里程比重為99.4%[1]。目前公路修筑的重要工作是延長(zhǎng)道路的使用年限。乳化瀝青具有較好的流動(dòng)性，乳化瀝青能夠提高與瀝青結(jié)合料之間的黏附性，可以減少瀝青的使用量，節(jié)省成本[2，3]。改性乳化瀝青是在乳化瀝青中加入改性劑得到的，乳化瀝青不管是在高溫還是低溫的環(huán)境中都有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)乳化瀝青的冷態(tài)施工處理，受季節(jié)影響較小[4]，因此即便延長(zhǎng)施工季節(jié)，也能夠減少瀝青在攤鋪、拌合及使用中釋放有害氣體，減少對(duì)環(huán)境和人身健康的威脅。現(xiàn)在改性乳化瀝青通常廣泛地應(yīng)用于微表處、黏結(jié)層等領(lǐng)域，具有較大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

1 原材料

本試驗(yàn)采用鄭州市鄭發(fā)市政有限公司提供的70號(hào)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 20—2011）[5]，分別測(cè)試70號(hào)基質(zhì)瀝青3大指標(biāo)，如表1所示。乳化劑選擇陽(yáng)離子乳化劑BH-MK，破乳速度為慢裂型，活性物含量90%，最適pH值為2.5-3）。TiO2和SBR膠乳作為一種復(fù)合改性劑。本文所用的SBR陽(yáng)離子丁苯膠乳，有效含量為60%。TiO2作為改性劑摻入到基質(zhì)瀝青后，經(jīng)過(guò)剪切后得到的改性瀝青的針入度有一定的改善，相反軟化點(diǎn)和延度有一定程度的降低，但各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求[6]。摻加納米TiO2改性瀝青指標(biāo)見(jiàn)表2，無(wú)水CaCl2（強(qiáng)酸弱堿鹽）來(lái)改善陽(yáng)離子乳化瀝青的質(zhì)量，pH值調(diào)節(jié)劑選擇鹽酸。

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 二氧化鈦改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2 改性乳化瀝青的制備流程

本文選擇先乳化后改性的制備方式，先將陽(yáng)離子乳化劑與瀝青經(jīng)過(guò)乳化作用制得乳化瀝青，然后再將SBR膠乳、TiO2加入乳化瀝青溶液中，然后制備得到復(fù)合改性乳化瀝青。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是用全面試驗(yàn)中具有代表性的部分試驗(yàn)，有效地降低試驗(yàn)工作量，還能夠分析不同因素對(duì)試驗(yàn)的影響。正交試驗(yàn)相對(duì)于全面試驗(yàn)具有優(yōu)化試驗(yàn)工藝的優(yōu)勢(shì)，在考慮各種因素的前提下能夠通過(guò)較少的試驗(yàn)次數(shù)代替繁多的試驗(yàn)，廣泛適用于多種因素的試驗(yàn)，能有效地分析出最佳試驗(yàn)組合。

影響改性乳化瀝青的因素有很多，為確定各種材料對(duì)改性乳化瀝青的影響程度，確定材料最優(yōu)配比，本文采用正交試驗(yàn)對(duì)復(fù)合改性乳化瀝青的摻加材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。在復(fù)合改性乳化瀝青的制備過(guò)程中，瀝青和水的質(zhì)量之比為62∶38，CaCl2穩(wěn)定劑的摻量為0.32%，重點(diǎn)要考慮的是SBR膠乳、MH-BK、TiO2及剪切時(shí)間4個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平。正交試驗(yàn)方案為：乳化劑BH-MK的摻量分別為1.2%、1.6%、2.0%，SBR膠乳摻量分別為2.0%、4.0%、6.0%，TiO2摻量分別為6.0%、8.0%、10.0%，剪切時(shí)間分別為1 min、2min、3min。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 正交試驗(yàn)的結(jié)果

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度、延度和軟化點(diǎn)和1 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性作為評(píng)價(jià)改性乳化瀝青性能的主要指標(biāo)，并通過(guò)試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)反映不同材料不同摻量水平對(duì)改性乳化瀝青的性能影響。由于基質(zhì)瀝青在15℃時(shí)的延度通常大于1 000 mm，改性效果比較難以體現(xiàn)出來(lái)，本試驗(yàn)采用5℃的延度。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表

2.2.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用極差分析法處理數(shù)據(jù)，極差分析法分為計(jì)算和判斷兩個(gè)內(nèi)容，計(jì)算4個(gè)因素在不同參數(shù)水平下的均值k及極差R。K值表示4個(gè)不同因素在不同水平下的試驗(yàn)結(jié)果的總值；k值表示每個(gè)因素各個(gè)水平的總值的平均值，極差R的大小表示反應(yīng)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度的大小。

根據(jù)對(duì)極差分析法的流程，正交試驗(yàn)的分析結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

2.3 不同因素對(duì)性能的影響分析

2.3.1 對(duì)基本性能的分析

根據(jù)不同因素水平下對(duì)基本性能指標(biāo)的影響程度繪制不同的指標(biāo)、因素水平下的均值圖，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 25℃針入度水平平均值圖

圖2 軟化點(diǎn)水平均值圖

圖3 5℃延度水平均值圖

考察乳化劑BH-MK摻量因素對(duì)改性乳化瀝青的性能影響，由圖1、圖2、圖3可見(jiàn)隨著乳化劑摻量的增加，針入度指標(biāo)的圖像先減小，然后有一定的增加；相反軟化點(diǎn)則先有一定的上升，然后隨著乳化劑的量的逐漸增多出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；同樣的是在5℃時(shí)延度也是隨著乳化劑增多，先呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)后再呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。由此我們可以從中得出結(jié)論，隨著乳化劑摻量增加，乳化劑發(fā)揮作用會(huì)明顯增強(qiáng)，同時(shí)蒸發(fā)殘留物的高低溫性能得到了一定提升，但乳化劑過(guò)量會(huì)使針入度增加、延度減小，從而使得改性乳化瀝青的綜合性能降低。

考察SBR摻量因素對(duì)改性乳化瀝青性能的影響，可以從圖1、圖2、圖3中看出。隨SBR改性劑摻量的增多，蒸發(fā)殘留物的針入度開(kāi)始先減小然后逐漸增加，軟化點(diǎn)的變化幅度不大，而5℃延度則有明顯升高。我們可以從中得出SBR膠乳可以具有提高低溫性能的能力，但是對(duì)于高溫性能提升不大。

從圖1、圖2、圖3可見(jiàn)隨著納米TiO2摻量的增加，蒸發(fā)殘留物的針入度、軟化點(diǎn)和5℃延度均有不同程度的降低。當(dāng)摻量小于8%時(shí)，總體看各指標(biāo)的變化幅度是較為緩慢的，且各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。所以我們可以得出用量小于8%時(shí)TiO2對(duì)改性乳化瀝青的基本性能影響不大，但是用量超過(guò)10%，則會(huì)使改性乳化瀝青的整體性能降低。

當(dāng)剪切時(shí)間從1 min增加到5 min，蒸發(fā)殘留物針入度會(huì)隨之降低、但是軟化點(diǎn)有一定幅度的升高、延度則呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)剪切時(shí)間從1 min增加到3 min時(shí)，在這個(gè)時(shí)間段改性劑與乳化瀝青經(jīng)過(guò)剪切之后融合得比較充分，所以這個(gè)階段的穩(wěn)定性也大幅度增強(qiáng)。

2.3.2 對(duì)穩(wěn)定性能的分析

當(dāng)BH-MK乳化劑摻量及剪切時(shí)間增加的時(shí)候，它們的1d的存儲(chǔ)穩(wěn)定性都表現(xiàn)出先大幅下降然后又有小幅度上升的趨勢(shì)；當(dāng)乳化劑摻量的增加時(shí)，乳化劑使得基質(zhì)瀝青與水之間的界面張力逐漸降低，從而提升了改性乳化瀝青體系的穩(wěn)定性。當(dāng)SBR和TiO2摻量的不斷增多的時(shí)候，這兩個(gè)因素的變化趨勢(shì)相似，1d的存儲(chǔ)穩(wěn)定性都漸漸升高。剪切時(shí)間的增加使得各組分充分融合，增加其穩(wěn)定性能。改性劑SBR和TiO2在復(fù)合體系不存在化學(xué)反應(yīng)，主要是以簡(jiǎn)單的混合改性為主，如果摻量過(guò)多，多余的改性劑會(huì)聚集，破壞改性乳化瀝青體系的平衡。

2.4 最佳組合下的性能指標(biāo)

2.4.1 極差分析最優(yōu)組合

極差值越大說(shuō)明該因素對(duì)性能影響越顯著，從針入度指標(biāo)來(lái)看，A（乳化劑BH-MK）、B（SBR）、C（TiO2）、D（剪切時(shí)間）所對(duì)應(yīng)的極差值分別是3.66、6.61、10.31、4.37。所以對(duì)針入度影響最大的影響因素為C（改性劑Fe-N-TiO2），在規(guī)定的范圍內(nèi)，針入度值越小，則說(shuō)明瀝青越硬，性能越好，可以從中選擇針入度比較小的組合，故在針入度指標(biāo)下得出最優(yōu)組合為A2B2C3D3，即1.6%乳化劑BH-MK、4.0%改性劑SBR、8.0%改性劑Fe-NTiO2以及3 min的改性剪切時(shí)間。按照類(lèi)似的方法對(duì)軟化點(diǎn)、延度、存儲(chǔ)穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，得出其他影響因素的最優(yōu)組合，最優(yōu)組合見(jiàn)表5。

表5 各指標(biāo)下的最優(yōu)組合

由表5分析得，當(dāng)考察指標(biāo)不同時(shí)，所得最優(yōu)組合也是不相同的。從直觀上分析，僅考慮前2名的顯著因素，因?yàn)橛械娘@著因素在不同指標(biāo)下，有一樣的最優(yōu)水平，那么就可以直接選擇該水平下的摻量，如果沒(méi)有多指標(biāo)最優(yōu)水平是一樣的，參考技術(shù)規(guī)范中要求，綜合確定最優(yōu)水平。利用上述的方法，復(fù)合改性乳化瀝青的最優(yōu)制備方案為1.2%陽(yáng)離子乳化劑BH-MK、4.0%SBR改性劑、8.0%Fe-N-TiO2和3min的改性剪切時(shí)間。

2.4.2 復(fù)合改性乳化瀝青的各性能指標(biāo)

對(duì)最優(yōu)組合方式制備出來(lái)的復(fù)合改性乳化瀝青，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）[7]對(duì)破乳速度、篩上剩余量、蒸發(fā)殘留物含量、殘留物的性質(zhì)（針入度、軟化點(diǎn)及延度）及存儲(chǔ)穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表6所示。

表6 復(fù)合改性乳化瀝青性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)的結(jié)果表明，對(duì)改性乳化瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性影響比較顯著的是陽(yáng)離子乳化劑的摻量，SBR改性劑和TiO2改性劑對(duì)低溫性能、高溫性能影響顯著，兩者相互配合使用能夠提高改性乳化瀝青的溫度穩(wěn)定性。

（2）隨著乳化劑摻量增加，乳化劑會(huì)明顯增強(qiáng)一定的乳化效果，同時(shí)蒸發(fā)殘留物的高低溫性能也得到提升，但乳化劑不能使用過(guò)量，過(guò)量會(huì)使殘留物的針入度升高、延度降低，降低瀝青體系的綜合性能。

（3）隨SBR改性劑摻量的增多，殘留物的針入度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，軟化點(diǎn)變化不大，5℃延度有明顯升高，SBR提升低溫性能和防止流動(dòng)變形的能力。隨著TiO2摻量的增加，針入度、軟化點(diǎn)和5℃延度均有所降低。當(dāng)摻量小于8.0%時(shí)，變化幅度較為緩慢，且各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。復(fù)合改性乳化瀝青的最優(yōu)制備方案為1.2%陽(yáng)離子乳化劑BH-MK、4.0%SBR改性劑、8.0%TiO2和（800 r/min）3 min的改性剪切時(shí)間。