不粘輪乳化瀝青的制備及其性能評價

王 佳，蒲昌瑜，吳 迪

(1.交通運輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，河北 石家莊 050091; 2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050091；3.中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)層狀彈性體系理論，該理論主要的假設(shè)前提條件為各攤鋪層為連續(xù)、均質(zhì)的材料，各層間緊密連接，不存在摩擦力。但是，在實際施工過程中，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層間是非連續(xù)的，必須選用合適的材料將各結(jié)構(gòu)層粘結(jié)起來，層間粘結(jié)材料的優(yōu)劣對瀝青路面的性能有著很大影響，是影響路面使用壽命和保養(yǎng)周期的重要因素，其作用不可忽視。若層間粘結(jié)材料選用不當，會影響路面結(jié)構(gòu)的整體性，容易發(fā)生路面病害，降低路面使用壽命[1-4]。

在工程實際施工中，乳化瀝青是最為常用的瀝青路面各層之間的粘結(jié)劑，將乳化瀝青噴灑于相鄰各個結(jié)構(gòu)層間，可加強路面各層結(jié)構(gòu)間的粘結(jié)性能，使其具有更好的耐久性和良好的結(jié)構(gòu)承載能力。但實際應(yīng)用時，在乳化瀝青灑布后的后續(xù)施工過程中，工程車輛在覆蓋乳化瀝青的路面上行駛，導(dǎo)致乳化瀝青粘結(jié)層被施工車輛碾壓，而后產(chǎn)生粘附車輪的現(xiàn)象。這使得路面乳化瀝青層出現(xiàn)部分缺失，后續(xù)攤鋪層間粘結(jié)性能降低，增加了層間脫落和滑移的可能性。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究[5-13]，取得了一定的成果，但是所用的改性劑價格昂貴，導(dǎo)致不粘輪乳化瀝青成本居高不下，推廣空間受限。

乳化瀝青粘附輪胎的主要原因是：生產(chǎn)乳化瀝青的基質(zhì)瀝青軟化點偏低，而夏天施工環(huán)境溫度高，地表溫度可達60 ℃。在高溫條件下，乳化瀝青灑布后，破乳后在地表溫度的作用下油膜軟化，工程車輛施工作業(yè)時，軟化后的瀝青油膜粘在車輛輪胎上，將瀝青粘附帶走，導(dǎo)致乳化瀝青的層間粘結(jié)作用失效。因此，本研究從提高基質(zhì)瀝青軟化點入手，采用高軟化點的硬質(zhì)瀝青和能夠提高軟化點的添加劑，制備了一種不粘輪乳化瀝青，并對不粘輪乳化瀝青的性能進行分析研究。

1 試驗部分

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

根據(jù)前述中進行的分析，要達到乳化瀝青不粘附輪胎的效果，需要提高破乳后乳化瀝青殘留物的軟化點。普通乳化瀝青采用的是70#道路石油瀝青，軟化點為46 ℃，30#石油瀝青軟化點為58.5 ℃，可以替代70#瀝青作為不粘輪乳化瀝青的基質(zhì)瀝青。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[14]中的要求，其各項指標如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的性質(zhì)

1.1.2 乳化劑

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]中對于粘層乳化瀝青的要求：粘層乳化瀝青應(yīng)采用快裂或中裂乳化瀝青，故選用山東某公司生產(chǎn)的中裂型陽離子乳化劑。其性狀為白色或淺黃色膏狀固體，有效成分含量約為40%，pH值在5～6之間，易溶于熱水和有機溶劑。

1.1.3 改性劑

改性劑選擇磺化瀝青粉，其分子結(jié)構(gòu)是碳碳鍵和碳硫鍵，鍵能比較強，故高溫性能好，可以有效提高乳化瀝青破乳后殘留物的軟化點。另一種改性劑選擇霍尼韋爾7610乳化瀝青高溫改性劑，這種改性劑可以很大程度地提高乳化瀝青殘留物的軟化點。

1.1.4 穩(wěn)定劑和消泡劑

加入穩(wěn)定劑可以增加乳化瀝青儲存穩(wěn)定性,防止離析，延長乳化瀝青的儲存時間。采用廣東某公司生產(chǎn)的纖維素類物質(zhì)作為不粘輪乳化瀝青的穩(wěn)定劑。

制備乳化瀝青時，攪拌和研磨過程會使乳化瀝青產(chǎn)生泡沫，針對乳化瀝青泡沫問題，需要加入消泡劑對氣泡進行消除。所采用的是廣東某公司生產(chǎn)的消泡劑。

1.2 不粘輪乳化瀝青的制備

30#硬質(zhì)瀝青的軟化點可以達到58.5 ℃，磺化瀝青粉具有提高瀝青高溫性能的作用，將磺化瀝青粉加入30#硬質(zhì)瀝青中可以進一步提高瀝青軟化點，與霍尼韋爾7610乳化瀝青高溫改性劑配合使用，可以使乳化瀝青在較高溫度下施工時達到不粘輪的效果。分別摻加與基質(zhì)瀝青不同質(zhì)量比的磺化瀝青粉作為乳化瀝青的改性劑，以確定磺化瀝青粉的最佳摻量。因霍尼韋爾7610乳化瀝青高溫改性劑價格過高，為控制成本，添加量控制為不超過1%。

表2為添加不同摻量的磺化瀝青粉后乳化瀝青的性能指標，從表中可以看出，磺化瀝青粉添加量為3%和10%時，均無法滿足技術(shù)指標要求。因此磺化瀝青粉摻量在5%和8%之間選擇，從表中可以看出，瀝青粉摻量越高，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點越高，對不粘輪性能改善越明顯。摻量為5%～8%時，軟化點提升只有1.5 ℃，說明摻量超過5%后，瀝青粉對于軟化點的提升效果逐漸降低。當磺化瀝青粉摻量大于5%后，乳化瀝青底部出現(xiàn)少量的顆粒狀沉淀，這對乳化瀝青的均勻性和貯存穩(wěn)定性有一定的負面影響。因此，結(jié)合生產(chǎn)成本和技術(shù)指標要求，確定采用磺化瀝青粉摻量為5%作為不粘輪乳化瀝青的最佳摻量。

表2 不同磺化瀝青粉摻量下的乳化瀝青性能

1.3 不粘輪乳化瀝青工藝優(yōu)化

乳化瀝青生產(chǎn)工藝的主要控制參數(shù)有乳液溫度和瀝青預(yù)熱溫度，70#基質(zhì)瀝青乳化時，乳液溫度一般控制在70～80 ℃，瀝青預(yù)熱溫度一般在130～140 ℃；30#硬質(zhì)瀝青軟化點高于70#基質(zhì)瀝青，在130～140 ℃條件下，其黏度較大，無法滿足流動性要求，因此需要對瀝青預(yù)熱溫度進行調(diào)整。圖1為30#硬質(zhì)瀝青和70#基質(zhì)瀝青的黏度-溫度曲線。從圖中可以看出，70#瀝青的黏溫曲線在130～140 ℃的黏度范圍內(nèi)，換算到30#瀝青的黏溫曲線上溫度對應(yīng)區(qū)間大約在160～180 ℃。為保證30#瀝青具有良好的流動性，設(shè)定30#瀝青的預(yù)熱溫度為170～180 ℃。

圖1 基質(zhì)瀝青黏度-溫度曲線

不粘輪乳化瀝青的工藝流程如圖2所示。乳化劑、穩(wěn)定劑、消泡劑和水按配方比例混合，制成乳液并加熱到70～80 ℃，改性劑加入預(yù)熱到170～180 ℃的30#瀝青中，攪拌均勻。膠體磨預(yù)熱到80 ℃，將乳液和改性瀝青在膠體磨中混合均勻，溶液細膩、無顆粒感。將制備好的不粘輪乳化瀝青密封保存。

圖2 不粘輪乳化瀝青制備工藝流程

2 不粘輪乳化瀝青性能分析

2.1 理化性能

按照上述工藝和配方制備的不粘輪乳化瀝青的理化性能見表3，對比試驗采用70#基質(zhì)瀝青制備的普通乳化瀝青和市場在售的某SBR改性乳化瀝青。從表3中可以看出，不粘輪乳化瀝青的軟化點達到72 ℃，遠高于普通乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，而針入度則明顯小于這兩種乳化瀝青。這說明不粘輪乳化瀝青的高溫性能顯著好于其他兩種乳化瀝青，在車輪碾壓過程中，能夠防止乳化瀝青的粘附，達到不粘輪的效果。不粘輪乳化瀝青的黏度、儲存穩(wěn)定性、篩余量等指標與另外兩種乳化瀝青差別不大，說明在提高高溫性能的同時，保持了其他理化指標的穩(wěn)定，能夠滿足施工使用要求。

表3 不同乳化瀝青性能對比

2.2 粘輪性能

模擬汽車輪胎碾壓路面的過程，檢驗不粘輪乳化瀝青的粘輪性能，具體方法如下：選擇表面干凈平整的車轍板試件，將不粘輪乳化瀝青按照400 g/m2的灑布量均勻涂抹在車轍板表面[16]。在室溫條件下待其完全破乳后，置于車轍試驗儀中，試驗溫度設(shè)為60 ℃，待車轍板內(nèi)外溫度均勻后進行試驗。實際施工過程中，工程車輛在作業(yè)時，會對路面進行反復(fù)碾壓，因此將車轍試驗儀的滾輪在車轍板表面碾壓次數(shù)定為10～20次。碾壓結(jié)束后，在車轍板上鋪上一張白紙，進行二次碾壓，觀察滾輪上粘附的瀝青粘在白紙上的程度，從而間接判斷不粘輪乳化瀝青的粘輪效果。對比試驗采用70#基質(zhì)瀝青制備的普通乳化瀝青和市場在售的某SBR改性乳化瀝青，并采用相同的灑布量和相同的試驗方法進行涂抹和碾壓，對比結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，涂抹了普通乳化瀝青的試件經(jīng)過車輪碾壓后，瀝青對白紙的粘附性較大，車輪與白紙的接觸面積內(nèi)基本都粘附了瀝青；SBR改性乳化瀝青的不粘輪效果要好于普通乳化瀝青，但也有大量瀝青粘附在白紙上；而涂抹了不粘輪乳化瀝青的試件則基本沒有瀝青粘附在白紙上，只有輕微的碾壓印記。不粘輪乳化瀝青在60 ℃的條件下依然可以保持輪胎表面不粘附瀝青，故不粘輪乳化瀝青的不粘輪效果最好，可以滿足夏天炎熱條件下的施工要求。

通過稱量輪胎碾壓前后白紙的質(zhì)量變化，計算乳化瀝青在輪胎上的附著率，從而定量評價不粘輪乳化瀝青的粘附效果，計算公式如式(1)所示[17]：

(1)

式中，η為附著率；m2為試驗后白紙質(zhì)量；m1為試驗前白紙質(zhì)量；s為輪跡行走面積；a為灑布量。

其中：輪跡行走面積按照實際測量得出，采用5 cm×25 cm; 灑布量采用400 g/m2。

計算結(jié)果如表4所示，從表中可以看出，普通乳化瀝青的粘附率達到30%以上，SBR改性乳化瀝青的粘附率達到17%，而不粘輪乳化瀝青的粘附率只有1.32%，幾乎沒有瀝青粘附在車輪表面。車輪的碾壓對乳化瀝青層產(chǎn)生的影響很小，乳化瀝青可以充分發(fā)揮其粘層油的粘結(jié)作用。

表4 不同乳化瀝青粘附率

通過設(shè)計的粘輪試驗，較為實際地模擬了施工中車輪對于乳化瀝青層的碾壓和粘附情況，從定性和定量兩個方面對不粘輪乳化瀝青的粘附效果進行了評價。試驗結(jié)果表明，不粘輪乳化瀝青在60 ℃環(huán)境條件下，相比普通乳化瀝青和市場在售的SBR改性乳化瀝青，其附著率大大降低，不粘輪效果顯著，具有良好的工程實際應(yīng)用價值。

2.3 力學(xué)性能

乳化瀝青在瀝青面層中主要起粘結(jié)作用，使瀝青各層之間有足夠的黏聚力，粘結(jié)成牢固的整體，防止相鄰兩層出現(xiàn)滑動和推移。因此，乳化瀝青需要具有一定的力學(xué)強度。采用層間拉拔試驗和層間剪切試驗用來評價不粘輪乳化瀝青在瀝青各結(jié)構(gòu)層之間的黏聚力大小，拉拔和剪切試驗在萬能試驗機上完成[18-19]。

拉拔和剪切試驗的試件制備和試驗過程如下：車轍板表面涂刷規(guī)定灑布量的不粘輪乳化瀝青，在室溫條件下放置至乳化瀝青破乳。將涂刷乳化瀝青的試件放入300 mm×300 mm×100 mm的試模內(nèi)，涂有乳化瀝青的表面向上，在上面攤鋪常用級配的瀝青混合料，新攤鋪的瀝青混合料厚度為40～50 mm。冷卻至室溫，并在室溫下養(yǎng)護24 h。采用鉆芯取樣的方法，在成型好的試件上鉆芯取直徑100 mm的圓柱體試件，高度貫穿瀝青鋪裝層和涂有乳化瀝青的車轍板。圖4為拉拔和剪切試件的示意圖，陰影部分為涂抹的不粘輪乳化瀝青。將試件在規(guī)定溫度條件下保溫至少4 h，然后取出，將粘結(jié)有夾具的試件裝入萬能試驗機，調(diào)整拉伸或剪切速度為10 mm/min，開動試驗機拉伸或剪切直至試件界面粘結(jié)層破壞。

圖4 拉拔和剪切試件模型

拉拔強度按式(2)計算：

δ=F/A,

(2)

剪切強度按式(3)計算：

P=(F/A)·sinθ,

(3)

式中,δ為拉拔強度；P為剪切強度；F為拉拔力(剪切力)；A為試件橫截面積；θ為剪切試驗受力方向與試件橫截面夾角，本試驗取45°。

考慮不同環(huán)境下乳化瀝青粘層油粘結(jié)強度的差異，分別在25 ℃和40 ℃條件下，對不粘輪乳化瀝青粘結(jié)試件進行拉拔和剪切試驗。圖5和圖6為25 ℃條件下拉拔和剪切前后試件的狀態(tài)，從圖中可以看出，無論是拉拔還是剪切，斷裂位置基本位于試件中間，即不粘輪乳化瀝青涂抹處。這說明乳化瀝青的層間粘結(jié)位置是結(jié)構(gòu)的薄弱部分。在40 ℃條件下，試件中部斷裂的情況更為明顯。同樣對比試驗采用70#基質(zhì)瀝青制備的普通乳化瀝青和市場在售的SBR改性乳化瀝青，為統(tǒng)一標準，結(jié)合工程現(xiàn)場施工常規(guī)灑布量的大小，乳化瀝青的灑布量統(tǒng)一采用400 g/m2，3種乳化瀝青在不同溫度下的拉拔和剪切載荷-位移曲線如圖7和圖8所示。

圖5 拉拔和剪切試驗前樣品狀態(tài)

圖6 拉拔和剪切試驗后樣品狀態(tài)

從圖7中可以看出，不論是常溫狀態(tài)還是高溫狀態(tài)，3種乳化瀝青的最大拉應(yīng)力大小為：不粘輪乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>普通乳化瀝青。這說明破壞不粘輪乳化瀝青粘結(jié)層需要更大的力，不粘輪乳化瀝青在抵抗層間拉拔破壞方面要好于其他兩種乳化瀝青。而隨著溫度升高，3種乳化瀝青的最大拉應(yīng)力均有所降低，說明溫度是影響層間粘結(jié)性能的重要因素，高溫對層間粘結(jié)強度的負面影響較大。從圖8中可以看出，3種乳化瀝青的最大剪應(yīng)力大小為：不粘輪乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>普通乳化瀝青。這說明相比于另外兩種乳化瀝青，不粘輪乳化瀝青具有更好的抵抗層間剪切破壞的能力。這也與圖7得出的不粘輪乳化瀝青在抵抗拉拔作用方面具有明顯優(yōu)勢的結(jié)論一致。

圖7 不同溫度下幾種乳化瀝青拉伸-位移曲線

圖8 不同溫度下幾種乳化瀝青剪切-位移曲線

表5為通過計算得到的拉拔和剪切粘結(jié)強度，從表中可以看出，不粘輪乳化瀝青的層間粘結(jié)效果是最好的，其在常溫 25 ℃和高溫 40 ℃條件下都展現(xiàn)出了比其他乳化瀝青更好的抗剪切、抗拉拔的性能。在常溫25 ℃條件下，不粘輪乳化瀝青的抗拉拔和抗剪切強度最高，相比SBR改性乳化瀝青抗拉強度提高24%，抗剪切強度提高12%，相比普通乳化瀝青抗拉強度提高85%，抗剪切強度提高30%。分析原因為：30#硬質(zhì)瀝青由于瀝青質(zhì)含量高，本身就具有相對較高的黏度，在乳化過程中又添加了適量的磺化瀝青粉，在增加了該瀝青延度的同時也適量增加了乳化瀝青的殘留軟化點，故表現(xiàn)出了不錯的層間強度效果。在高溫40 ℃條件下，不粘輪乳化瀝青的抗拉拔和抗剪切強度與25 ℃條件下表現(xiàn)出相同的規(guī)律，相比SBR改性乳化瀝青抗拉強度提高37%，抗剪切強度提高23%，相比普通乳化瀝青抗拉強度提高127%，抗剪切強度提高39%。另外從表中還可以看出，雖然在40 ℃條件下，3種乳化瀝青的抗拉拔和抗剪切的強度有不同程度的下降，但是下降的幅度有所不同：不粘輪乳化瀝青抗拉強度下降了24%，抗剪切強度下降了19%，SBR改性乳化瀝青抗拉強度下降了31%，抗剪切強度下降了26%，普通乳化瀝青抗拉強度下降了38%，抗剪切強度下降了24%。從這些數(shù)據(jù)可以看出，不粘輪乳化瀝青的下降幅度最小，說明不粘輪乳化瀝青溫度敏感性較弱，其層間粘結(jié)性能不會隨溫度變化有較大的波動，穩(wěn)定性較好，能夠較好地適應(yīng)不同溫度的施工條件。

表5 不同溫度幾種乳化瀝青的層間力學(xué)強度

3 工程應(yīng)用及成本分析

不粘輪乳化瀝青在石家莊到天津的新建高速公路上進行了工程應(yīng)用。在下面層與中面層之間采用不粘輪乳化瀝青作為層間粘結(jié)材料，施工面積約為15 000 m2。現(xiàn)場施工結(jié)果表明，不粘輪乳化瀝青破乳速度快，30 min即可固化成型。圖9為不粘輪乳化瀝青灑布破乳后的路面狀態(tài)，從圖中可以看出，不粘輪乳化瀝青成膜效果好，油膜不沾手。工程車輛施工時車輪上沒有乳化瀝青粘附，有效避免了施工過程對乳化瀝青層的破壞作用，應(yīng)用效果良好。

圖9 不粘輪乳化瀝青工程應(yīng)用現(xiàn)場

不粘輪乳化瀝青成本分析為：30#硬質(zhì)瀝青與70#基質(zhì)瀝青成本相當，磺化瀝青粉價格也與基質(zhì)瀝青比較接近，5%的加入量對乳化瀝青成本影響不大；霍尼韋爾7610是一種高值添加劑，1%的加入量對成本的增加有一定的影響。因此，不粘輪乳化瀝青的總成本要略高于普通乳化瀝青。但是不粘輪乳化瀝青的層間粘結(jié)強度要遠高于普通乳化瀝青，可解決層間粘結(jié)遭到施工破壞或自身粘結(jié)效果不佳的問題，可以延長道路使用壽命，降低維修養(yǎng)護頻率，以達到節(jié)約石料和瀝青，綜合降低工程造價的目的。李昌輝等[20]研究發(fā)現(xiàn)，假設(shè)表面層使用壽命為10 a，以1 km的單車道作為分析單元，不粘輪乳化瀝青相比普通乳化瀝青節(jié)約養(yǎng)護成本高達28.95萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。故不粘輪乳化瀝青具有更好的性價比。

4 結(jié)論

(1)利用30#硬質(zhì)瀝青代替普通石油瀝青，并用磺化瀝青粉和霍尼韋爾7610改性劑進一步提升乳化瀝青殘留物的軟化點，使乳化瀝青具有不粘附車輪的效果，在較高溫度下表現(xiàn)出較好的耐高溫性和非粘輪性。綜合理化性能和成本因素，磺化瀝青粉含量為5%，霍尼韋爾7610改性劑含量為1%時，為最佳摻量。

(2)根據(jù)黏度-溫度曲線，30#硬質(zhì)瀝青預(yù)熱溫度調(diào)整到170～180 ℃，乳液預(yù)熱溫度為70～80 ℃。

(3)研制的不粘輪乳化瀝青，其各項性能指標滿足規(guī)范要求，軟化點遠遠高于普通乳化瀝青和市售SBR改性乳化瀝青。在不同溫度下其附著率大大降低，不粘輪效果顯著，具有良好的工程實際應(yīng)用價值。

(4)在不同溫度條件下，不粘輪乳化瀝青的抗拉強度和抗剪切強度均大于普通乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，層間粘結(jié)效果優(yōu)異，層間粘結(jié)強度提升顯著。并且，不粘輪乳化瀝青溫度敏感性較弱，穩(wěn)定性較好，其層間粘結(jié)性能不會隨溫度變化有較大的波動，能夠更好地適應(yīng)不同溫度的施工條件。

(5)工程應(yīng)用表明：不粘輪乳化瀝青破乳速度快，成膜效果好，粘結(jié)強度高，不粘附施工車輛輪胎，能充分發(fā)揮粘層油的作用特點。相比普通乳化瀝青，不粘輪乳化瀝青的性價比更高，具有廣闊的應(yīng)用前景。