添加無水硫酸鎂的乳化瀝青透層油性能研究

呂俊學(xué)，陳 東

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

在我國公路建設(shè)中，噴灑透層油是解決半剛性基層與瀝青面層層間結(jié)合問題的常用方法，效果良好的透層油不僅可以使基層和面層粘結(jié)牢固，防止路面出現(xiàn)擁包、車轍等病害，還能阻止水分下滲，保護(hù)基層免受水的侵害，甚至關(guān)系到縱向軸載的承載能力[1]。最早的透層油為煤油稀釋瀝青，對(duì)于半剛性基層其滲透深度均能達(dá)到5 mm以上。但是由于煤油的稀釋作用增加了輕質(zhì)組分，使得瀝青的黏度顯著降低，噴灑后一定時(shí)間內(nèi)粘結(jié)力難以保證基層與面層形成一個(gè)整體，且稀釋瀝青時(shí)需要在高溫下進(jìn)行且噴灑后逐漸揮發(fā)，在消耗能源的同時(shí)對(duì)環(huán)境造成了一定的污染。隨著科技的發(fā)展，乳化瀝青透層油的出現(xiàn)解決了上述問題，其蒸發(fā)殘留物黏度較高，可將基層和面層粘結(jié)牢固，同時(shí)生產(chǎn)過程無須高溫加熱，水蒸發(fā)破乳后不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，但是普通乳化瀝青透層油的滲透能力相對(duì)較弱，僅能下滲2～3 mm，不能滿足我國規(guī)范的相關(guān)要求[2]。

2012年沈陽建筑大學(xué)的褚翠蘭簡(jiǎn)單總結(jié)了高滲透乳化瀝青在國內(nèi)外的使用情況，據(jù)此自行研發(fā)了一種高滲透乳化瀝青透層油，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能夠滿足規(guī)定，滲透深度優(yōu)于普通乳化瀝青透層油。同時(shí)，他認(rèn)為應(yīng)提出一套專門的透層材料評(píng)價(jià)體系，除滲透深度外還應(yīng)增加粘結(jié)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。2013年李洪珍等為保證水穩(wěn)基層與瀝青面層的良好粘結(jié)，通過滲透試驗(yàn)和剪切力試驗(yàn)對(duì)比分析了煤油稀釋瀝青、普通乳化瀝青、高滲透力乳化瀝青的性能，為研制出高性能透層油提供了基礎(chǔ)[4]。2016年長(zhǎng)沙理工大學(xué)的楊和平等認(rèn)為透層施工質(zhì)量是基層與面層粘結(jié)優(yōu)劣的直接因素，為提升透層油滲透深度，結(jié)合實(shí)體工程開展透層油種類、基層級(jí)配、灑布時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明高滲透乳化瀝青透層油的滲透能力與煤油稀釋瀝青相當(dāng)，單點(diǎn)滲透深度合格率高，在級(jí)配良好的水泥穩(wěn)定碎石基層上及時(shí)灑布能達(dá)到較好的滲透深度[5]。2017年楊峰等為提高透層油的滲透深度，分析不同灑布時(shí)間及高性能滲透劑的摻入對(duì)水穩(wěn)基層滲透深度的影響，并根據(jù)直剪試驗(yàn)分析滲透深度對(duì)層間抗直剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示滲透劑對(duì)滲透效果有明顯改善作用，摻入滲透劑試件的層間抗直剪強(qiáng)度高于未摻滲透劑的試件，而齡期對(duì)基層與面層層間抗直剪強(qiáng)度的影響不大[6]。2018年長(zhǎng)安大學(xué)公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的武建民等分析了透層油的層間結(jié)合、固結(jié)保護(hù)和封閉養(yǎng)生等作用，以及透層油層間結(jié)合作用的重要性，提出了采用滲透性能、層間結(jié)合性能、固結(jié)性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性作為透層油性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上又針對(duì)透層油層間粘結(jié)效果不佳和固結(jié)防水作用差等問題，逐一篩選乳化劑及其他添加劑的類型和摻量，研發(fā)了一種實(shí)用高效的乳化瀝青透層油，其具有良好的抗沖刷性能和表面固結(jié)作用，成本明顯低于煤油稀釋瀝青和乳化瀝青，通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)確定最佳的噴灑時(shí)機(jī)為基層施工后1 d左右，最佳噴灑量為1.5 L/m2[7-8]。2019年北京工業(yè)大學(xué)的苗英豪等以煤焦油渣工業(yè)廢料為基礎(chǔ)，利用煤油為稀釋劑，制備了液體改性低溫煤瀝青透層油，并通過滲透試驗(yàn)、層間拉拔試驗(yàn)考察其滲透性能和層間結(jié)合性能，結(jié)論認(rèn)為當(dāng)氯丁橡膠摻量為0.5%、煤油與瀝青的比例為2∶10、灑布量為1 L/m2時(shí)，改性低溫煤油瀝青透層油的滲透深度可達(dá)8 mm，且層間結(jié)合性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[9]。

本研究基于硫酸鎂溶液的高滲透壓原理，制備一種滲透性突出的乳化瀝青透層油，并通過滲透性試驗(yàn)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、沖刷試驗(yàn)，對(duì)乳化瀝青透層油和煤油稀釋瀝青透層油性能進(jìn)行對(duì)比研究，為公路養(yǎng)護(hù)綠色發(fā)展提供材料基礎(chǔ)。

1 原材料技術(shù)性能

1.1 原材料

本研究使用的瀝青為A級(jí)70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示，均能滿足規(guī)范要求。采用普通煤油為稀釋劑制備煤油稀釋瀝青，其為淡黃色液體，密度為0.8 g/m3，易燃易揮發(fā)。硫酸鎂溶液由無水硫酸鎂白色晶體經(jīng)稀釋得到，呈弱酸性，5%水溶液pH值約為5。

表1 A級(jí)70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)表

1.2 試樣制備

1.2.1 硫酸鎂乳化瀝青透層油

本研究首先將無水硫酸鎂制成硫酸鎂溶液，采用實(shí)驗(yàn)室自制的小型乳化機(jī)制備乳化瀝青。具體過程如下：(1)制備硫酸鎂溶液，加熱至80 ℃；(2)待溫度稍低后加入普通乳化劑攪拌均勻；(3)根據(jù)現(xiàn)有pH值采用鹽酸進(jìn)行調(diào)酸，調(diào)至pH值在2～2.5之間，形成所需皂液；(4)待皂液降至60 ℃左右時(shí)開動(dòng)膠體磨，將其緩慢加入膠體磨中進(jìn)行循環(huán)；(5)將加熱熔融好的基質(zhì)瀝青倒入膠體磨進(jìn)行乳化，循環(huán)至乳液均勻即可得到硫酸鎂乳化瀝青透層油。

1.2.2 煤油稀釋瀝青透層油

將煤油按煤油：基質(zhì)瀝青=4∶6的比例加入到已加熱至160 ℃左右的瀝青中，人工攪拌15 min后再用高速剪切儀攪拌5 min，形成煤油稀釋瀝青透層油。

1.2.3 普通乳化瀝青透層油

根據(jù)制備硫酸鎂乳化瀝青透層油的步驟制備普通乳化瀝青透層油。

為了達(dá)到較好的性能對(duì)比效果，本節(jié)根據(jù)瀝青含量一致的原則制備3種透層油，均保持瀝青含量為60%，普通乳化瀝青和硫酸鎂乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。由于硫酸鎂溶液呈弱酸性，在制備過程中發(fā)現(xiàn)硫酸鎂乳化瀝青透層調(diào)酸時(shí)鹽酸用量可減少10%左右。

2 試驗(yàn)方法

2.1 滲透性試驗(yàn)

滲透性試驗(yàn)以水泥穩(wěn)定碎石基層為試驗(yàn)對(duì)象，水泥用量為5%，礦料級(jí)配如表2所示。采用靜壓成型的方法制備高100 mm×直徑100 mm的圓柱形試件，在試件成型后的不同時(shí)間分別噴灑透層油，灑布量分別為0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.5 kg/m2，觀察試件表面滲透狀況。然后將試件豎向一分為二，在直徑方向平均分5個(gè)點(diǎn)分別量測(cè)滲透深度，取其平均值即為滲透深度。

表2 水泥穩(wěn)定碎石基層礦料級(jí)配表

2.2 剪切試驗(yàn)

在養(yǎng)生3 d的水泥穩(wěn)定碎石圓柱形試件上分別灑布一定量的硫酸鎂乳化瀝青、煤油稀釋瀝青、普通乳化瀝青等透層油，待水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)生14 d后，在此基礎(chǔ)上采用靜壓的方式直接在水泥穩(wěn)定碎石試件上成型高100 mm×直徑100 mm的熱拌瀝青混合料試件，冷卻24 h后進(jìn)行剪切試驗(yàn)。首先將試件底部固定，在熱拌瀝青混合料層的中部施加水平荷載，記錄試件破壞時(shí)的層間最大剪切強(qiáng)度，如圖1所示，由此對(duì)比分析3種透層油的層間結(jié)合能力。

圖1 剪切試驗(yàn)示意圖

2.3 沖刷試驗(yàn)

透層油對(duì)瀝青路面半剛性基層的固結(jié)作用可用沖刷試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。首先在養(yǎng)生3 d的水泥穩(wěn)定碎石試件上噴灑一定量的透層油，待養(yǎng)生7 d后將試件放入25 ℃恒溫水浴中浸泡30 min，然后用濕毛巾迅速擦除表面水分，稱取質(zhì)量m1，接著用負(fù)重的鋼絲刷在噴灑透層油的部位反復(fù)摩擦5 min，用水沖掉表面的浮料，最后用干凈毛巾擦干試件，稱取其質(zhì)量m2，計(jì)算沖刷質(zhì)量損失率A進(jìn)行固結(jié)保護(hù)作用評(píng)價(jià)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滲透性試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)要求的灑布時(shí)間和灑布量進(jìn)行滲透性試驗(yàn)，記錄試件表面透層油滲透情況和滲透深度，以成型1 d后的試件為例，驗(yàn)證不同灑布量對(duì)滲透性能影響。試驗(yàn)結(jié)果如下頁表3所示，透層油的滲透深度隨灑布量的變化規(guī)律如下頁圖2所示。

由表3和圖2可知，3種透層油的滲透深度隨灑布量均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在灑布量為1.0 kg/m2時(shí)達(dá)到峰值，這表明透層油的灑布量與滲透深度并不是成正比例關(guān)系，在滲透深度方面存在一個(gè)最佳灑布量。這是由于灑布量較大時(shí)易出現(xiàn)流淌，形成較大的界面張力，嚴(yán)重影響滲透能力。另外，在相同灑布量下，滲透深度由大到小排列為：硫酸鎂乳化瀝青>煤油稀釋瀝青>普通乳化瀝青，且普通乳化瀝青的滲透深度不滿足規(guī)范要求。這是由于普通乳化瀝青灑布后在試件表面快速破乳形成一層油膜，阻礙了透層油的進(jìn)一步下滲；而硫酸鎂乳化瀝青中的水包油分子在硫酸鎂溶液高滲透壓的攜帶下更加容易打破界面張力的作用，將試件空隙中的空氣排出，達(dá)到了同煤油稀釋瀝青一樣的較好滲透效果。根據(jù)透層油表面滲透情況可知，灑布量為1.0 kg/m2時(shí)油膜厚度相對(duì)適中，不容易被卷起，滲透深度和粘結(jié)性均較好，綜合確定透層油灑布量為1.0 kg/m2。

表3 試件成型1 d后灑布透層油滲透性試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 滲透深度隨灑布量的變化曲線圖

為探究透層油灑布時(shí)間對(duì)滲透深度的影響，在最佳灑布量1.0 kg/m2下測(cè)定試件不同成型天數(shù)后灑布透層油的滲透深度，其與試件成型后天數(shù)的關(guān)系如圖3所示，以此確定透層油最佳的灑布時(shí)機(jī)。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，三種透層油滲透深度隨試件成型后天數(shù)的增加先增大后減小，究其原因主要有四個(gè)方面：(1)試件成型后數(shù)小時(shí)內(nèi)試件表面水分豐富，阻礙透層油下滲；(2)試件成型1 d后，試件表面水分已基本消失，水泥穩(wěn)定碎石中水泥水化還未完成，透層油下滲的通道相對(duì)暢通，滲透深度增加；(3)隨著成型后時(shí)間的延長(zhǎng)，如試件表面不斷增加的塵土，干燥的表面會(huì)加快透層油的破乳或稀釋劑蒸發(fā)，水泥完全水化后形成的較為致密的水化產(chǎn)物等均會(huì)使透層油不同程度積聚于試件表面難以繼續(xù)下滲，影響透層油使用效果；(4)煤油稀釋瀝青在試件成型5 d后灑布，其滲透深度小于規(guī)范要求，而硫酸鎂乳化瀝青在9 d后仍能下滲8 mm左右，這表明硫酸鎂溶液高的滲透壓使硫酸鎂乳化瀝青透層油具有較為寬泛的施工時(shí)機(jī)。

圖3 滲透深度隨灑布時(shí)間的變化柱狀圖

3.2 剪切試驗(yàn)

除滲透性外透層油還應(yīng)具備較好的層間粘結(jié)性能。本研究以最佳灑布量的層間最大剪切強(qiáng)度為指標(biāo)對(duì)比分析硫酸鎂乳化瀝青透層油的層間結(jié)合能力。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，其隨基層養(yǎng)生時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。

表4 不同基層養(yǎng)生期的層間最大剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 層間最大剪切強(qiáng)度隨基層養(yǎng)生時(shí)間的變化曲線圖

由表4的試驗(yàn)結(jié)果和圖4的變化曲線可知，隨著基層養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng)，透層油的層間最大剪切強(qiáng)度先增大后減小，在養(yǎng)生1 d時(shí)層間最大剪切強(qiáng)度最大，這與滲透深度表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象，其原因也與造成滲透深度先增大后減小的趨勢(shì)基本一致。

不同透層油的層間最大剪切強(qiáng)度從小到大依次為：煤油稀釋瀝青、普通乳化瀝青、硫酸鎂乳化瀝青。在基層1 d養(yǎng)生期時(shí)最大和最小層間最大剪切強(qiáng)度相差可達(dá)0.22 MPa。在層間結(jié)合性能方面，硫酸鎂乳化瀝青明顯優(yōu)于煤油稀釋瀝青，這主要是因?yàn)槊河拖♂尀r青下滲速度很快，較難在試件表面形成油膜，而硫酸鎂乳化瀝青和普通乳化瀝青滲透速度相對(duì)較慢，可形成均勻油膜。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鎂乳化瀝青的層間最大剪切強(qiáng)度還略高于普通乳化瀝青，這主要是由于硫酸鎂溶液的加入，其高滲透壓在使更多的瀝青成分粘結(jié)到試件表面的同時(shí)，增強(qiáng)了界面的粘結(jié)性能，故層間結(jié)合性能優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 沖刷試驗(yàn)

在長(zhǎng)期的道路服役過程中，水分通過面層的空隙進(jìn)入基層頂面，在大量重復(fù)荷載下形成動(dòng)水壓力，不間斷地對(duì)基層進(jìn)行沖刷，極易造成基層與面層離析，直至基層松散的危害。透層油灑布后應(yīng)對(duì)基層表面集料形成較強(qiáng)的固結(jié)力，以提高基層抵抗動(dòng)水沖刷的能力。因此，本研究通過沖刷試驗(yàn)以質(zhì)量損失率來驗(yàn)證硫酸鎂乳化瀝青透層油的抗沖刷能力，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 透層油抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果表

由表5的數(shù)據(jù)可知，質(zhì)量損失率的大小排序?yàn)椋簾o透層油>煤油稀釋瀝青>普通乳化瀝青>硫酸鎂乳化瀝青，3種透層油對(duì)于無透層油的工況質(zhì)量損失率至少<2.10%，可見透層油對(duì)基層表面固結(jié)和抗沖刷能力的重要影響。硫酸鎂乳化瀝青的質(zhì)量損失率僅為1.67%，比煤油稀釋瀝青小1.67%。這表明硫酸鎂乳化瀝青透層油具有較強(qiáng)的表面固結(jié)和抗沖刷能力，在高滲透壓條件下，使得乳化瀝青形成完整致密的油膜，封閉了試件表面的空隙，阻止了水分進(jìn)一步下滲。同時(shí)，較強(qiáng)的粘結(jié)力可以保護(hù)試件表面，有效防止基層松散。

4 結(jié)語

(1)透層油滲透深度隨灑布量均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，結(jié)合表面滲透情況綜合確定最佳灑布量為1.0 kg/m2。在相同灑布量下硫酸鎂乳化瀝青的滲透深度最大，這是由于硫酸鎂溶液高滲透壓更加容易打破界面張力的作用，達(dá)到同煤油稀釋瀝青一樣的較好的滲透效果。透層油滲透深度隨試件成型后天數(shù)的增加先增大后減小，同時(shí)硫酸鎂乳化瀝青在9 d后仍能下滲8 mm左右，其具有較為寬泛的施工時(shí)機(jī)。

(2)透層油的層間最大剪切強(qiáng)度隨基層養(yǎng)生時(shí)間先增大后減小，在1 d時(shí)層間最大剪切強(qiáng)度最大，這與滲透深度表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象，即試件成型后1 d為最佳的灑布時(shí)機(jī)。在層間結(jié)合性能方面，硫酸鎂乳化瀝青的界面黏性性能更強(qiáng)，層間結(jié)合性能優(yōu)勢(shì)明顯。

(3)透層油對(duì)基層表面固結(jié)和抗沖刷能力有重要影響，而硫酸鎂乳化瀝青透層油也表現(xiàn)出較強(qiáng)的表面固結(jié)和抗沖刷能力，在高滲透壓條件下，使得乳化瀝青形成完整致密的油膜，封閉了試件表面的空隙，具有良好的固結(jié)能力。

(4)無水硫酸鎂可通過工業(yè)廢渣提取。由于硫酸鎂溶液呈弱酸性，在制備乳化瀝青透層油調(diào)酸時(shí)可在一定程度上節(jié)約鹽酸的用量，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)提升對(duì)基層的封閉養(yǎng)生和固結(jié)保護(hù)作用，為公路養(yǎng)護(hù)綠色發(fā)展提供了材料基礎(chǔ)。