乳化瀝青粒度表征及與早期強度相關(guān)性

王明，刁萬民，孫斌，霍同德

(1.中國民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300; 2.黑龍江省公路建設(shè)中心，哈爾濱市150001;3.北京盛廣拓再生科技股份有限公司，北京 100025)

0 引言

冷再生用乳化瀝青屬于粗分散體系，瀝青是分散相，水為分散介質(zhì)(連續(xù)相)，瀝青顆粒直徑一般為1～50 μm，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系[1]。多項研究表明[2-3]，高度分散的多相性和熱力學(xué)不穩(wěn)定性是乳化瀝青的主要特點，而粒度是影響乳化瀝青技術(shù)性能的關(guān)鍵內(nèi)因。汪德才等[4]提出粗端粒徑D90≤7 μm，平均粒徑D50≤4 μm可滿足現(xiàn)行規(guī)范中穩(wěn)定性的指標要求。Liu等[5]的研究發(fā)現(xiàn)乳化劑的表面活性越高，乳化劑的用量越大，乳液的平均粒徑越小。孟巖[6]的研究表明，乳化劑的乳化能力、穩(wěn)定劑品種均會影響乳化瀝青的乳化效果，推薦基質(zhì)瀝青溫度在140 ℃左右、pH在2.0左右、剪切時間1 min、皂液溫度在 55 ℃左右具有良好的乳化效果、儲存穩(wěn)定性及與水泥拌和穩(wěn)定性等性能。也有一些研究者[7-9]采用激光衍射技術(shù)研究瀝青乳液的粒度變化，認為粒徑與穩(wěn)定性有良好的相關(guān)性，在相同條件下，粒徑越大，儲存穩(wěn)定性越差。由此可見，粒度與儲存穩(wěn)定性密切相關(guān)。再者，由于乳化劑在瀝青表面的脫附以及在集料表面的吸附都影響著乳化瀝青的破乳速度[10-13]，乳化瀝青的粒度與拌和混合料的早期強度也高度相關(guān)。陳海民等[14]提出了通過混合料早期黏聚力、抗磨耗能力及取芯情況確定最佳乳化瀝青配方，初步建立了乳化瀝青配方設(shè)計和早期強度評價方法。Yan等[15]依據(jù)ASTM 試驗方法分別采用黏聚力試驗和磨耗損失試驗，分別利用內(nèi)聚力值和松散損失率2個試驗指標評價了4種類型的乳化瀝青混合料早期強度。陳文[16]通過不同乳化瀝青與舊料的拌和性能、早期強度、抗松散能力和力學(xué)性能試驗，評價了各類型乳化瀝青配方的適用工藝和應(yīng)用層位。

綜上，研究者針對乳化瀝青粒度影響因素、存儲穩(wěn)定性等方面進行了大量的研究，肯定了粒度是影響乳化瀝青技術(shù)性能的內(nèi)因，然而在表征指標方面很少涉及粒度大小的分布形態(tài)特征，也較少涉及粒度與早期強度相關(guān)性的研究。筆者對乳化瀝青粒度分布形態(tài)、影響因素及與早期強度關(guān)聯(lián)性進行探討，以期對乳化瀝青混合料關(guān)鍵技術(shù)性能的提升提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗材料與方法

選擇殼牌70號基質(zhì)瀝青作為基體材料，優(yōu)選4種冷再生混合料所用的慢裂陽離子型乳化劑，分別命名為W、S、PC、M，采用德國進口小型室內(nèi)膠體磨制備乳化瀝青，如圖1所示，采用Microtrac S3500粒度儀進行乳化瀝青粒度測試，分散介質(zhì)蒸餾水，分散劑為六偏磷酸鈉(用于消除作用在樣品表面的電荷效應(yīng))，測試環(huán)境溫度為25 ℃±1 ℃。測試時取一定量的樣品置于樣品池中，經(jīng)超聲分散并攪拌后，添加一定量的表面活性劑溶液開始測試，測試過程在60 s內(nèi)完成，測試結(jié)果表征參數(shù)為平均粒徑D50、粗端粒徑D90及粒徑數(shù)值分布曲線特征，即單波峰、雙波峰和無波峰等。

圖1 乳化瀝青的制備和粒度測試儀

2 粒度表征與影響因素

乳化瀝青中的不穩(wěn)定形式主要分為沉降/分層、絮凝/聚集以及凝聚/聚結(jié)3種，如圖2所示，而這些形式的演變過程均與乳化瀝青粒度密切相關(guān)，粒度大小及分布形態(tài)是表征瀝青內(nèi)部微觀狀態(tài)的本質(zhì)指標。

圖2 乳化瀝青顆粒的存在形式

2.1 粒度表征

所謂乳化瀝青的粒度分布，是指不同顆粒占顆?？倲?shù)的比例[17]，可采用如下定義來表征粒度的分布[18]：

(1)平均粒徑D50，也稱中值粒徑，是指一個樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑。

(2)粗端粒徑D90，一個樣品的累計粒度分布數(shù)達到90%時所對應(yīng)的粒徑。

(3)模數(shù)粒徑DP，一個樣品粒徑分布圖中最大波峰值(也就是所占比例最大)所對應(yīng)的粒徑。

對于均一、穩(wěn)定的乳狀液，理想狀態(tài)下其體積分布圖是一個狹窄的正態(tài)分布圖，如圖3所示，由圖3可知，A-窄單波波峰曲線，在中值粒徑的兩側(cè)均勻分布著大小不一的粒徑顆粒，其所占百分比按照標準正態(tài)分布圖排列，最高波峰對應(yīng)的粒徑值模數(shù)粒徑即中值粒徑，或者接近于中值粒徑，粗端粒徑與中值粒徑的差值較小，但是，在某些情況下，乳化瀝青的粒徑分布較寬；B-寬單波峰曲線，此時雖然中值粒徑和模數(shù)粒徑數(shù)值上仍然較為接近，但粗端粒徑和中值粒徑的差值較大；或者有2個波峰分布；C-寬雙波峰曲線，這時平均粒徑和模數(shù)粒徑相差較大，與粗端粒徑也有可能差值較大。

圖3 乳化瀝青粒度分布形態(tài)特征圖像

2.2 粒度影響因素

影響乳化瀝青粒度的因素繁多，以下主要從工藝參數(shù)、乳化劑和乳化設(shè)備3方面進行分析。

2.2.1 工藝參數(shù)

采用乳化劑M，在不同工藝下制備乳化瀝青，以評價剪切時間、皂液pH、穩(wěn)定劑摻量對乳化效果的影響。主要工藝參數(shù)匯總見表1。

表1 乳化瀝青制備工藝參數(shù)

(1)皂液pH

通過調(diào)節(jié)皂液的pH(1.0～4.0)制備不同的乳化瀝青，分析皂液pH對乳化效果的影響。經(jīng)測試乳化瀝青粒度分布均呈單波峰，其粒度表征結(jié)果如圖4所示。

圖4 皂液pH對粒徑的影響

由圖4可知，皂液pH低于2.0時，乳化瀝青粒度指標基本相當，變化幅度不大，這可能是因為pH較小時，對于陽離子類型的乳化劑來說，皂液中具有充足的陽離子，乳化劑的活性較高，瀝青的分散效果好，乳化瀝青的平均粒徑D50和粗端粒徑D90總體處于較小的水平；當皂液pH升高至3.0時，乳化瀝青的粒徑有了小幅度升高，但依舊呈現(xiàn)出單波峰特征；但當皂液pH升高至4.0時，混合物達到理想裹附狀態(tài)時所需的預(yù)濕水量升高，這說明皂液pH升高后乳化劑活性降低，乳化效果變差。因此，皂液pH是影響粒度指標的關(guān)鍵因素之一，建議皂液pH不超過2.0。

(2)穩(wěn)定劑

通過控制無機穩(wěn)定劑CaCl2的摻量(0.1%～0.5%)制備乳化瀝青，經(jīng)測試乳化瀝青粒度分布均呈現(xiàn)單波峰，其粒度表征結(jié)果如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定劑摻量對粒徑的影響

由圖5可知，隨著CaCl2摻量的提高，粒度指標均呈現(xiàn)先小幅度降低然后大幅升高的趨勢，特別是當CaCl2摻量達到0.5%時，乳化瀝青的粗端粒徑D90超過了12 μm。究其原因，適量的CaCl2添加至乳化瀝青后，化合物電離所產(chǎn)生的離子對于擴散層的厚度變大，ζ電勢(帶電的固體或膠體在移動時，移動的切動面與液體本體之間的電位差)變大，從而使得瀝青顆粒間的排斥力變大，瀝青顆粒能夠更好地分散于體系中。但隨著CaCl2摻量的加大，更多的負離子反而會被擠壓進入擴散層中，使得雙電層厚度變薄，ζ電勢減?。划敁搅坷^續(xù)增加時，過多陰離子甚至?xí)粩D入吸附層中，最終破壞瀝青膠團的雙電層結(jié)構(gòu)，使得膠團的ζ電勢急劇降低，瀝青顆粒間的排斥力大幅降低，從而發(fā)生團聚現(xiàn)象并形成較大粒徑的瀝青顆粒，乳化瀝青的平均粒徑增大。因此，添加無機穩(wěn)定劑會在不同程度上改變?nèi)榛癁r青膠團離子雙電層的電勢特征，對乳化瀝青的粒度產(chǎn)生影響。

(3)剪切時間

不同剪切時間下乳化瀝青的粒度表征結(jié)果，見表2。

表2 剪切時間對粒度表征參數(shù)的影響

由表2可知，隨剪切時間的增加，乳化瀝青粒度指標無論是平均粒徑還是粗端粒徑均呈先減小后增大的趨勢。剪切時間為1 min時，粒度指標呈現(xiàn)最小值，剪切時間為2 min時，粒度最大，且粒度分布呈現(xiàn)雙波峰的分布形態(tài)。究其原因，當剪切時間小于1 min時，瀝青顆粒沒有完全乳化，瀝青顆粒較大；而剪切時間為2 min時，由于剪切時間過長，水分蒸發(fā)較快，瀝青顆粒在不穩(wěn)定的乳液體系中因劇烈運動而產(chǎn)生聚結(jié)，瀝青粒度增大。因此，良好的乳化效果需要適宜的剪切時間，剪切時間對粒度指標也有顯著的影響。

2.2.2 乳化劑對乳化效果的影響

采用4種乳化劑(W、S、PC、M)分別在最佳劑量下，采用相同工藝制備乳化瀝青，其粒度參數(shù)的表征結(jié)果，如圖6所示。

圖6 乳化劑種類對粒徑的影響

由圖6可知，乳化劑的類型對乳化瀝青的粒徑大小及分布產(chǎn)生顯著的影響，4種乳化劑的乳化能力各不相同。按照粒度大小表征結(jié)果，平均粒徑D50與粗端粒徑D90粒度演化表征結(jié)果基本一致，由小到大的順序為：M、S、PC、W，其中乳化劑M和S平均粒徑D50均小于4 μm，D90均小于8 μm。從粒度分布形態(tài)來看，乳化劑M制備的乳化瀝青，呈現(xiàn)單波峰分布，乳化劑W和S也呈單波峰分布，而乳化劑PC呈現(xiàn)雙波峰分布。綜合來看，乳化劑M的乳化能力較強，乳化劑W的乳化能力最弱。為比對單波峰和雙波峰粒度分布形態(tài)的異同，采用乳化劑PC和乳化劑M，以推薦的乳化劑用量2.8%和1.8%為中心，等間距變化乳化劑用量制備乳化瀝青，并測試粒徑表征參數(shù)，測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，乳化劑PC的乳化能力比乳化劑M整體上要差一些，其在推薦摻量及等間距分布的各個劑量上，其粒徑明顯偏大，且在較低劑量(2.3%～2.8%)時呈現(xiàn)出雙波峰分布的特征，在1.8%劑量時，粒徑分布無單、雙波峰出現(xiàn)。其次，在推薦摻量基礎(chǔ)上減少劑量時，試驗過程發(fā)現(xiàn)當PC用量為1.8%時，乳化瀝青粒徑較粗，放置一天后呈現(xiàn)分層破乳的現(xiàn)象；當用量為2.3%進行拌和試驗時，乳化瀝青很快破乳并喪失工作性；當乳化劑用量超過推薦劑量后，乳化瀝青粒徑指標有了一定程度的改善，粒徑分布呈現(xiàn)出單波峰特征。而對于乳化劑M來說，乳化能力較強，當乳化劑用量降至1.2%和1.5%時，其乳化瀝青的粒徑出現(xiàn)小幅度增大，但依舊呈現(xiàn)單波峰特征，試驗過程也發(fā)現(xiàn)，在較低劑量時其拌和性能尤其是高溫拌和性能也比較差。綜上，乳化劑的乳化能力與摻量均是影響粒度大小、分布形態(tài)的關(guān)鍵因素，乳化劑乳化能力越強，摻量越大，粒度呈現(xiàn)單波峰分布形態(tài)的概率越大，且研究推薦乳化瀝青平均粒徑D50不大于4 μm。

圖7 乳化劑劑量對粒徑的影響

2.2.3 乳化設(shè)備對乳化效果的影響

為分析乳化設(shè)備對乳化瀝青粒徑的影響，在相同的制備工藝下對2種不同乳化能力的乳化劑W(乳化能力較弱)和S(乳化能力較強)，取各自相應(yīng)的最佳乳化劑用量，分別使用連續(xù)式大磨和試驗室小磨制備乳化瀝青。經(jīng)測試乳化瀝青的粒度參數(shù)表征結(jié)果，見表3。

表3 乳化設(shè)備對粒徑的影響

由表3可知，對乳化能力較強的乳化劑S來說，連續(xù)式大磨和試驗室小磨生產(chǎn)出來的乳化瀝青粒徑大小較為接近；而對于乳化能力較弱的乳化劑W來說，連續(xù)式大磨生產(chǎn)出來的乳化瀝青粒徑要低于試驗室小磨生產(chǎn)出來的乳化瀝青。因此，在乳化劑乳化能力較好時，2種制備方法獲取的乳化瀝青粒徑特征差異不大；而當乳化能力較弱時，乳化設(shè)備的選擇對于最終乳化瀝青的粒度指標產(chǎn)生顯著的影響。因此，乳化設(shè)備對乳化瀝青粒徑的影響程度與乳化劑自身的乳化水平密切相關(guān)。

3 乳化瀝青粒度與存儲穩(wěn)定性、早期強度相關(guān)性

3.1 粒度與存儲穩(wěn)定性

存儲穩(wěn)定性指標反映了乳化瀝青組成結(jié)構(gòu)和抵抗外界不利儲存條件影響的抗力。研究通過4種乳化劑的復(fù)配，制備了9種不同粒度大小的乳化瀝青，分別命名A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3，其粒度分布均呈單波峰特征，存儲穩(wěn)定性和粒度參數(shù)表征結(jié)果，見表4。

表4 乳化瀝青的平均粒徑與5 d存儲穩(wěn)定性測試結(jié)果

由表4可知，盡管乳化瀝青的粒徑不同，但9種乳化瀝青的存儲穩(wěn)定性均符合規(guī)范中不大于5%的要求，且總體來看9種乳化瀝青的粒度與儲存穩(wěn)定性相關(guān)性并非完全相關(guān)，這是因為影響儲存穩(wěn)定性因素較多，例如為滿足存儲穩(wěn)定性的技術(shù)要求，完全可以通過添加增稠劑來提高乳化瀝青的黏度，進而改善其存儲穩(wěn)定性，但其粒度分布大小及形態(tài)難以隨之改變。

3.2 粒度與早期強度

3.2.1 相關(guān)性分析

采用黏聚力測試方法對乳化瀝青混合料的早期強度進行表征。試驗儀器為乳化瀝青稀漿混合料黏聚力試驗儀，壓頭直徑為28.6 mm±0.1 mm，壓頭厚度28 mm±0.5 mm，環(huán)型試模，內(nèi)徑為60 mm，混合料的試模厚度6 mm。試驗方法參照《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》附錄A3，其測試原理為用黏聚力儀模擬車輛行駛時產(chǎn)生的水平力，按檢定點逐步施加扭力，讀取標準扭力計的示值，以此測定不同養(yǎng)生時間下的混合料的黏聚力。該實驗方法不僅可以表征混合料的早期強度，也可以評價混合料的成型速度[19]。

試樣制備：采用9種乳化瀝青分別拌制乳化瀝青混合料，每種類型混合料準備6個試樣，然后置于30 ℃烘箱中進行養(yǎng)生，再進行混合料的黏聚力試驗，以養(yǎng)生60 min后的黏聚力表征混合料的早期強度。

《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》規(guī)定稀漿混合料養(yǎng)生30 min強度需達到1.2 N·m，養(yǎng)生60 min強度需達到2.0 N·m。9種混合料的黏聚力與乳化瀝青的關(guān)系，如圖8所示。

由圖8可知，隨著乳化瀝青粒徑的增加，養(yǎng)生60 min后的黏聚力逐漸降低，混合料的早期強度降低，且混合料的黏聚力值與乳化瀝青的粒度存在很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達0.96，說明乳化瀝青的粒度直接影響混合料早期強度的形成。分析其原因，乳化瀝青平均粒徑越小，乳液體系中瀝青顆粒的比表面積越大，破乳后瀝青更容易在乳化劑電荷作用下聚結(jié)而形成強度，而平均粒徑越大，則會在一定程度上影響乳化瀝青破乳和強度的形成速度。因此，也有必要探究粒度大小對混合料早期強度增長規(guī)律的影響。

圖8 混合料的黏聚力與乳化瀝青的粒度大小關(guān)系

3.2.2 粒度對早期強度增長規(guī)律的影響

研究選擇存儲穩(wěn)定性指標相近的3種瀝青A2、B2和C2，拌制混合料，并進行黏聚力試驗，然后每隔半小時測試一次混合料的黏聚力。混合料的黏聚力值隨養(yǎng)生時間延長的變化曲線，如圖9所示。

圖9 不同乳化瀝青混合料黏聚力與養(yǎng)生時間的關(guān)系

由圖9可知，盡管3種乳化瀝青的存儲穩(wěn)定性指標相近，但是3種乳化瀝青混合料黏聚力值隨養(yǎng)生時間延長增長規(guī)律并不一致，因粒度大小的差異，呈現(xiàn)各自的特點。在相同的養(yǎng)生時間下，混合料的黏聚力由大到小關(guān)系為A2、B2、C2。若要求養(yǎng)生60 min強度需達到2.0 N·m，只有乳化瀝青A2(D50=2.5 μm<4 μm)滿足需求。乳化瀝青B2(D50=6 μm)達到2.0 N·m的技術(shù)要求需要2.5 h，乳化瀝青C2(D50=10.4 μm)拌制的混合料經(jīng)過3.0 h養(yǎng)生后其黏聚力值僅為1.5 N·m。從黏聚力增長曲線來看，B2和C2混合料在2.0～2.5 h養(yǎng)生時間內(nèi)，黏聚力出現(xiàn)較大幅度的增長，但是依舊低于A2混合料。因此，粒度才是決定早期強度的關(guān)鍵因素。實踐中為滿足應(yīng)急的施工需求或者達成乳化瀝青冷再生層即鋪即蓋(乳化瀝青再生層攤鋪結(jié)束，盡早鋪筑上覆熱拌層)的目標，應(yīng)該盡量選擇粒度較小的乳化瀝青配方。

綜上，與存儲穩(wěn)定性指標相比，乳化瀝青的粒度指標與混合料的早期強度相關(guān)性更強。研究推薦乳化瀝青技術(shù)指標體系中，應(yīng)增加粒度指標作為乳化瀝青性能的判別標準。

4 結(jié)論

(1)從粒度大小量化指標來看，平均粒徑D50和粗端粒徑D90對乳化瀝青粒度演化規(guī)律表征結(jié)果基本一致；從粒徑分布形態(tài)來看，單波峰類分布優(yōu)于雙波峰類和無波峰出現(xiàn)的布局形態(tài)。

(2)生產(chǎn)工藝參數(shù)對乳化效果有直接的影響，剪切時間為1 min時乳化效果最好，粒徑最??；皂液pH小于2.0時對粒度影響不大，升高至3.0～4.0時粒度呈上升的趨勢；CaCl2摻量小于0.3%時對粒度影響較小，摻量繼續(xù)增大會改變?nèi)榛癁r青膠團離子雙電層的電勢特征，導(dǎo)致粒度增大。

(3)按照粒度大小表征結(jié)果，4種乳化劑的由小到大順序為M、S、PC、W，乳化劑M的乳化效果最好，乳化劑W的乳化效果較差；乳化劑的乳化能力對粒度的影響程度大于乳化劑用量，而乳化設(shè)備對粒度的影響程度依賴于乳化劑的乳化能力。

(4)平均粒徑D50與混合料的早期強度存在較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達0.96。這是由于平均粒徑越小，乳液體系中瀝青顆粒的比表面積越大，破乳后瀝青更容易在乳化劑電荷作用下聚結(jié)而形成強度。與存儲穩(wěn)定性指標相比，乳化瀝青的粒度指標與混合料的早期強度相關(guān)性更強。

(5)從乳化瀝青早期強度隨養(yǎng)生時間的增長規(guī)律可發(fā)現(xiàn)，粒度越小，乳化瀝青早期強度形成越快。為滿足應(yīng)急的施工需求或者達成乳化瀝青冷再生層即鋪即蓋的目標，應(yīng)在滿足存儲穩(wěn)定性指標的前提下，盡量選擇粒度較小的乳化瀝青配方。