乳化瀝青加工設備與工藝參數(shù)研究

基金項目：中央引導地方科技發(fā)展資金項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）；廣西交通運輸行業(yè)重點科技項目“成品改性瀝青冷補料研發(fā)及路面坑槽低碳快速修補技術”（編號：桂交便函〔2021〕148號-48）

作者簡介：盧志遠（1988—），工程師，主要從事路橋施工管理工作。

摘要：文章對比分析了高速剪切機、簡易型膠體磨、整體式膠體磨三種不同加工設備的乳化瀝青性能，研究了加工溫度、酸堿度、剪切時間、轉速大小等工藝參數(shù)對乳化瀝青性能的影響。結果表明：整體式改性乳化瀝青膠體磨所制備的乳化瀝青性能優(yōu)于高速剪切機和簡易型膠體磨，其篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性均有明顯改善；提高加工溫度、延長剪切時間、增加轉速均對乳化瀝青的性能有一定的改善作用，綜合考慮乳化瀝青性能和效率，建議普通乳化瀝青的加工溫度控制在120 ℃～140 ℃，改性乳化瀝青加工溫度控制在180 ℃～195 ℃，剪切時間控制在25～30 min，剪切轉速設為4 000～5 000 r/min為宜；皂液pH值存在最佳值，過小或過大均不利于乳化瀝青性能提升，建議pH值控制在2～3。

關鍵詞：道路工程；乳化瀝青；加工設備；工藝參數(shù)

中圖分類號：U414

0 引言

乳化瀝青材料能夠實現(xiàn)常溫施工且低污染低排放，符合當前碳達峰碳中和發(fā)展目標，成為道路研究發(fā)展的方向之一。根據(jù)乳化瀝青的種類不同，乳化瀝青在道路交通領域多種場合均有廣泛應用，如透層、黏層、封層、防水粘結層等，并且隨著乳化瀝青材料與工藝技術發(fā)展，目前乳化瀝青在養(yǎng)護工程中也得到了進一步推廣，一些研究者基于改性乳化瀝青研發(fā)了新型的冷鋪式超薄罩面層。為獲得高品質的改性乳化瀝青，加工設備與工藝技術顯得非常重要。加工制備乳化瀝青的設備有兩大類：膠體磨或高速剪切機。膠體磨以研磨為主、剪切為輔，具有功率大、效率高、精磨效果好等優(yōu)點，是改性乳化瀝青的主流設備，廣泛適用于SBR、SBS等復合改性瀝青的加工制備；高速剪切機以剪切為主、研磨為輔，在普通乳化瀝青及其他改性瀝青加工制備中也得到了較好的應用。在加工設備選型基礎上，相匹配的加工工藝也尤為重要。邵斐^［1］以SBS改性乳化瀝青為對象，研究提出了基于降粘劑的優(yōu)化加工工藝。于小鵬^［2］、劉九竹等^［3］開展了SBS改性乳化瀝青加工設備和工藝參數(shù)的研究并給出建議。宋文佳^［4］對彩色乳化瀝青的設備、溫度、工藝流程等參數(shù)進行了研究，推薦了合理的工藝方法。肖晶晶等^［5］針對微表處應用場合的SBR改性乳化瀝青進行研究，提出了剪切轉速、剪切時間等制備工藝優(yōu)化技術。李瑞等^［6］在應用現(xiàn)狀分析基礎上，對乳化瀝青的改性工藝進行了探索。道路研究者針對不同的應用場合需求探索了乳化瀝青的設備與工藝，促進了乳化瀝青技術的進步。

本文對比分析了高速剪切機、簡易型膠體磨、整體式膠體磨3種不同加工設備的乳化瀝青性能，評價3種設備的加工性能；以篩上剩余量和1 d儲存穩(wěn)定性為評價指標，研究了加工溫度、酸堿度、剪切時間、轉速大小等工藝參數(shù)對乳化瀝青性能的影響，從而推薦最佳的工藝參數(shù)，為乳化瀝青加工控制提供參考。

1 原材料

（1）基質瀝青：泰普克70#道路石油瀝青，各項技術指標滿足《瀝青路面施工技術規(guī)范》（（JTG F40-2004）的相關要求。

（2）乳化劑：采用KZW廠家市售的兩種型號乳化劑，如表1所示。

（3）外加劑：SBS線型改性劑，NaCl、CaCl₂等。

2 試驗方案

2.1 加工設備研究方案

本研究采用的三種加工設備分別為BME-100L高速剪切機、HT-MT0.1簡易型膠體磨、JM-30A（GL）整體式膠體磨。以70#基質瀝青和自加工的SBS改性瀝青（SBS摻量為2%）為母體瀝青，設計了4種材料配方（見表2），采用不同設備加工乳化瀝青并測試其篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性等指標，評價不同設備的加工性能。

2.2 工藝參數(shù)研究方案

2.2.1 瀝青溫度的影響

采用高速剪切機制備普通乳化瀝青（70#基質瀝青）、采用整體式乳化瀝青膠體磨制備改性乳化瀝青（SBS改性瀝青），乳化劑采用801U，乳化劑用量為2%，固含量取60%?？疾煸?00 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃等不同溫度條件下制備乳化瀝青，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩(wěn)定性，試驗方案如表3所示。

2.2.2 酸堿度的影響

采用高速剪切機制備普通乳化瀝青（70#基質瀝青）、采用整體式乳化瀝青膠體磨制備改性乳化瀝青（SBS改性瀝青），乳化劑采用801U，固含量取60%?？疾觳煌釅A度pH值對乳化瀝青指標的影響，pH值分別設為1、2、3、4、5，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩(wěn)定性，試驗方案如表4所示。

2.2.3 剪切時間的影響

采用高速剪切機制備乳化瀝青，瀝青為70#基質瀝青，乳化劑采用801U，乳化劑用量為2%，固含量取60%。考察不同剪切時間對乳化瀝青指標的影響，剪切時間分別取15 min、30 min、45 min、60 min，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩(wěn)定性，試驗方案如表5所示。

2.2.4 轉速大小的影響

采用高速剪切機制備乳化瀝青，瀝青為70#基質瀝青，乳化劑采用801U，乳化劑用量為2%，固含量取60%?？疾觳煌D速對乳化瀝青指標的影響，轉速大小分別取2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩(wěn)定性，試驗方案如表6所示。

3 試驗結果與分析

3.1 加工設備對乳化瀝青的影響

分別采用上述3種不同加工設備制備乳化瀝青并對其性能指標進行測試，試驗結果統(tǒng)計如表7所示。

根據(jù)表7試驗結果可以看出，3種設備均可加工普通乳化瀝青，但高速剪切機和簡易型膠體磨制備的普通乳化瀝青存在細度不足、篩上剩余量過高，1 d儲存穩(wěn)定性較差，冷卻后或儲存5 d均肉眼可見結團現(xiàn)象。而整體式膠體磨加工制備的普通乳化瀝青篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性明顯改善，其中材料配方1的篩上剩余量僅有0.1%，且未見明顯結層和沉淀。對于SBS改性乳化瀝青，高速剪切機和簡易型膠體磨均無法制備，這是由于SBS交聯(lián)網(wǎng)狀結構分子作用力大，加工設備機械作用力不足，使得瀝青無法分散乳化。而整體式膠體磨可加工制備出SBS改性乳化瀝青，盡管性能指標尚未達到現(xiàn)行技術規(guī)范要求，但可通過調整材料配方與加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

對比上述3種不同加工設備，整體式膠體磨的制備效果最優(yōu)，其次為高速剪切機，最后為簡易型膠體磨，但高速剪切機和簡易型膠體磨的加工效果差異不明顯。相對于高速剪切機和簡易型膠體磨，整體式改性乳化瀝青膠體磨其功率更大、機械作用力更強，瀝青分子及改性劑通過膠體磨時能夠得到有效研磨，均勻性更好，形成的“水包油”或“油包水”相態(tài)結構更穩(wěn)定。

3.2 工藝參數(shù)對乳化瀝青的影響

不同類型的加工設備與材料配方之間有相匹配的最佳工藝參數(shù)，本文對高速剪切機和整體式乳化瀝青膠體磨的工藝參數(shù)進行了試驗研究。

3.2.1 加工溫度的影響

對不同加工溫度的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性進行測試，試驗結果如圖1所示。

如圖1所示，無論是普通乳化瀝青還是改性乳化瀝青，溫度升高對乳化瀝青的性能均能起到一定的改善作用。隨著溫度的升高，篩上剩余量減小，儲存穩(wěn)定性提高，變化曲線經(jīng)歷了先急后緩的下降過程，表明在低溫度閾范圍內(nèi)的影響較為顯著，高溫度閾范圍內(nèi)的影響不大。對普通乳化瀝青而言，溫度在120 ℃～160 ℃，對乳化瀝青的指標影響不大，建議普通乳化瀝青的加熱溫度控制在120 ℃～140 ℃；對改性乳化瀝青而言，在180 ℃～210 ℃，乳化瀝青的技術指標已變化不大，建議改性乳化瀝青加熱溫度控制在180 ℃～195 ℃。

3.2.2 酸堿度的影響

對不同酸堿度的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性進行測試，試驗結果如圖2所示。

根據(jù)圖2試驗結果可以看出，乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性與pH的關系曲線均為凹型曲線，表明只有在適當?shù)膒H值范圍內(nèi)，普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的細度和儲存穩(wěn)定性才能達到最佳。結果顯示，pH值為2～3時，兩種乳化瀝青的篩上剩余量最小，儲存穩(wěn)定性最好。超出該范圍無論是偏大抑或偏小，性能都有所下降。根據(jù)曲線變化趨勢可以看出，pH值偏小時，細度和儲存穩(wěn)定性衰減幅度較??；pH值偏大時，其衰減幅度較大，表明堿性環(huán)境更不利于乳化瀝青的制備。主要是因為合適的皂液pH值能增加乳化劑的活性，提高乳化能力，從而提高乳化效果和儲存穩(wěn)定性。

3.2.3 剪切時間的影響

對不同剪切時間的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性進行測試，試驗結果如圖3所示。

根據(jù)圖3試驗結果可以看出，延長剪切時間對乳化瀝青的性能起到一定的改善作用，隨著剪切時間延長，篩上剩余量減小，儲存穩(wěn)定性提高。與瀝青溫度的變化曲線類似，變化曲線經(jīng)歷了先急后緩的下降過程。剪切時間過短，瀝青顆粒未完全剪切磨細，但當瀝青顆粒達到一定的細度后，延長剪切時間并不能進一步減小顆粒細度。為保證足夠的瀝青細度而又不浪費加工時間，建議剪切時間取25～30 min為宜。

3.2.4 轉速大小的影響

對不同轉速大小的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性進行測試，試驗結果如圖4所示。

根據(jù)圖4試驗結果可以看出，隨著轉速的增加，乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性差值呈減小趨勢，表明乳化瀝青的細度和儲存穩(wěn)定性呈提高趨勢，但總的來說，變化幅度不明顯，尤其是當轉速達到4 000 r/min之后，基本呈持平狀態(tài)。另一方面，當轉速過高時，可以看到乳化瀝青液飛濺現(xiàn)象越明顯，綜合考慮乳化瀝青性能和加工過程的安全性，推薦高速剪切機轉速設為4 000～5 000 r/min為宜。

4 結語

通過上述研究，可以得出以下結論：

（1）對比上述3種不同加工設備，整體式膠體磨的制備效果最優(yōu)，其次為高速剪切機，最后為簡易型膠體磨，但高速剪切機和簡易型膠體磨的加工效果差異不明顯。3種設備均可加工普通乳化瀝青，但高速剪切機和簡易型膠體磨無法加工SBS改性乳化瀝青，整體式膠體磨加工制備的普通乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青性能指標明顯改善，其功率更大、機械作用力強，瀝青分子及改性劑得到有效研磨，均勻性更好，乳液相態(tài)結構更穩(wěn)定。

（2）提高加工溫度對乳化瀝青的性能有一定的改善作用，隨著加工溫度的升高，篩上剩余量減小，儲存穩(wěn)定性提高，變化曲線經(jīng)歷了先急后緩的下降過程，表明在低溫度閾范圍內(nèi)影響較為顯著，高溫度閾范圍內(nèi)影響不大。建議將普通乳化瀝青的加熱溫度控制在120 ℃～140 ℃，改性乳化瀝青的加熱溫度控制在180 ℃～195 ℃。

（3）乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性與pH的關系曲線均為凹型曲線，pH值為2～3時普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的篩上剩余量最小，儲存穩(wěn)定性最好。

（4）延長剪切時間對乳化瀝青的性能起到一定的改善作用，隨著剪切時間延長，篩上剩余量減小，儲存穩(wěn)定性提高。與瀝青溫度的變化曲線類似，變化曲線經(jīng)歷了先急后緩的下降過程。為保證足夠的瀝青細度而又節(jié)省加工時間，建議剪切時間取25～30 min。

（5）隨著轉速的增加，乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性差值呈減小趨勢，當轉速達到4 000 r/min之后，基本呈持平狀態(tài)，綜合考慮乳化瀝青性能和加工過程的安全性，推薦高速剪切轉速設為4 000～5 000 r/min為宜。

參考文獻

［1］邵 斐.SBS改性乳化瀝青的制備工藝研究［D］.上海：華東理工大學，2021.

［2］于小鵬.SBS改性乳化瀝青生產(chǎn)工藝及設備研制［J］.山西交通科技，2010（6）：85-87.

［3］劉九竹，沈國鵬，吳鳴建.SBS改性乳化瀝青制備工藝的正交優(yōu)化及應用［J］.河南建材，2012（5）：46-48.

［4］宋文佳.彩色乳化瀝青制備工藝研究［J］.當代化工，2018，47（5）：979-981，1 033.

［5］肖晶晶，鄭南翔，蔣 瑋.微表處用SBR改性乳化瀝青制備工藝優(yōu)化［J］.路基工程，2009（3）：8-10.

［6］李 瑞，杜素軍.乳化瀝青改性劑的研究及應用現(xiàn)狀［J］.西部交通科技，2022（10）：68-70.

收稿日期：2023-03-10