pH值調(diào)節(jié)劑對(duì)微表處混合料性能影響的研究

張　慶，房　立，郝培文，蔣　凱，白正宇，宋世理，石　敏

(1.河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新鄉(xiāng)　453007；2.長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710064)

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pH值調(diào)節(jié)劑對(duì)微表處混合料性能影響的研究

張慶1,2，房立1，郝培文2，蔣凱1，白正宇1，宋世理1，石敏1

(1.河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新鄉(xiāng)453007；2.長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064)

利用磷酸作為微表處瀝青乳液的pH值調(diào)節(jié)劑，并對(duì)微表處混合料進(jìn)行路用性能測(cè)試，分析磷酸對(duì)微表處混合料性能的影響。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的鹽酸pH值調(diào)節(jié)方式，基于磷酸的pH值調(diào)節(jié)方式使得瀝青乳化劑分子在微表處混合料拌合過程中能夠始終保持活性，可以改善微表處混合料的粘聚力，有效提高微表處混合料的成型速度和強(qiáng)度，并且能夠提高微表處混合料的抗磨耗能力和抗水損害性能。

pH值調(diào)節(jié)劑； 乳化瀝青； 磷酸； 微表處混合料

1　引　言

瀝青路面在交通荷載和氣候環(huán)境作用下，會(huì)發(fā)生各種形式的路面病害[1]。當(dāng)高速公路出現(xiàn)一定程度表面病害的時(shí)候，需要及時(shí)對(duì)路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，從而遏制道路表面功能的衰減[2]。微表處是以乳化瀝青、水泥、礦料、助劑等為原材料，經(jīng)拌合制備成乳化瀝青稀漿混合料，攤鋪在發(fā)生一定程度路面病害的道路表面，微表處混合料破乳凝結(jié)后形成一層穩(wěn)定牢固的罩面，具有施工快、強(qiáng)度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前已被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程[3]。

乳化瀝青的特性是決定微表處混合料性能的關(guān)鍵因素，對(duì)微表處混合料的工作性能和路用性能都具有顯著影響。對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性，可以賦予乳化瀝青良好的綜合性能，是優(yōu)化微表處混合料性能的傳統(tǒng)方法之一[4-6]。一些研究發(fā)現(xiàn)，適宜的pH值也是保證乳化瀝青性能的關(guān)鍵因素[7]，從而對(duì)微表處混合料路用性能具有較大的影響作用[8]。

由于陽離子乳化瀝青與石料間的粘附性較強(qiáng)，因此微表處混合料所用乳化瀝青為陽離子型乳化瀝青。在制備陽離子乳化瀝青過程中，一般需要在瀝青乳化劑水溶液中加入pH值調(diào)節(jié)劑，再將瀝青乳化劑水溶液和瀝青一起經(jīng)過乳化設(shè)備[9]。這樣做的原因是，使瀝青乳化劑分子結(jié)構(gòu)中的胺根得到足夠的H+，從而被“質(zhì)子化”而顯示陽離子親水特性[10]。傳統(tǒng)的乳化瀝青pH值調(diào)節(jié)劑是鹽酸，即使用鹽酸將瀝青乳化劑水溶液的pH值調(diào)至一定數(shù)值，微表處專用乳化劑一般要求將pH值調(diào)至2～3。最近報(bào)道使用磷酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑，可使陽離子乳化瀝青具有更廣的適用范圍，對(duì)微表處混合料的性能會(huì)有更良好的促進(jìn)作用[11]。但是，目前未見詳細(xì)的相關(guān)研究和試驗(yàn)報(bào)道。為了推動(dòng)這種技術(shù)的科學(xué)使用，本文對(duì)乳化瀝青pH值調(diào)節(jié)方式對(duì)微表處混合料性能的影響作用進(jìn)行了對(duì)比分析和規(guī)律探究。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1基本原材料

微表處所用乳化瀝青通過實(shí)驗(yàn)室制備，用慢裂快凝陽離子瀝青乳化劑對(duì)90#瀝青進(jìn)行乳化制得，在乳化過程中添加折合固含量為瀝青3%的SBR膠乳；集料使用玄武巖礦料，礦粉采用石灰?guī)r礦粉；水泥為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為42.5。經(jīng)檢測(cè)原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

微表處混合料級(jí)配通過逐檔篩分，取微表處Ⅲ型級(jí)配中值，見表1。

表1　微表處集料級(jí)配組成

2.2微表處混合料性能測(cè)試

2.2.1可拌和時(shí)間試驗(yàn)

微表處混合料的可拌和時(shí)間是反映微表處混合料在施工中從拌和開始到順利攤鋪成型的重要施工性能指標(biāo)。足夠的可拌和時(shí)間可保證微表處混合料的施工和易性，而可拌和時(shí)間過短則不利于微表處混合料的攪拌和攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

在固定油石比7%和固定用水量8.5%的情況下，分別測(cè)試鹽酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑和磷酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑在不同水泥用量下的微表處混合料可拌和時(shí)間。

2.2.2粘聚力測(cè)試

根據(jù)微表處技術(shù)規(guī)范，在微表處稀漿混合料設(shè)計(jì)過程中需要通過粘聚力試驗(yàn)來確定微表處罩面的初凝時(shí)間和開放交通時(shí)間。粘聚力指標(biāo)一方面能夠評(píng)價(jià)混合料的成型速度，在相同的時(shí)間內(nèi)，粘聚力數(shù)值越大，說明混合料的成型速度越快，另一方面還能夠評(píng)價(jià)混合料的早期強(qiáng)度，粘聚力數(shù)值大則說明其早期強(qiáng)度高，抵抗破壞的能力就越強(qiáng)。本文分別測(cè)試鹽酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑和磷酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑下微表處混合料的粘聚力，兩種混合料的水泥用量均為2%。

2.2.3濕輪磨耗試驗(yàn)

濕輪磨耗試驗(yàn)(WTAT)可以評(píng)價(jià)微表處罩面的路用性能。浸水1h磨耗值可用于評(píng)價(jià)微表處混合料的耐磨耗性能，浸水6d磨耗值可用于評(píng)價(jià)微表處混合料的抗水損害性能。本文分別對(duì)鹽酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑和磷酸作乳液pH值調(diào)節(jié)劑下的微表處混合料進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)。

3　結(jié)果與討論

3.1可拌和時(shí)間的影響

可拌和時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

從表2中可以看出，使用鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的情況下，在水泥用量從0.5%到3.0%的范圍內(nèi)，微表處混合料的可拌和時(shí)間從196s降到72s，下降幅度十分明顯。當(dāng)水泥用量為2.5%時(shí)，混合料的可拌和時(shí)間已不滿足規(guī)范大于120s的要求。

表2　鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑下不同水泥用量的混合料可拌和時(shí)間

使用鹽酸作為乳液pH值調(diào)節(jié)劑，鹽酸會(huì)和微表處混合料中的水泥水化物以及未參加水化的水泥發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，如式(1)所示。在這種情況下，體系pH值升高很快，導(dǎo)致瀝青乳化劑分子的親水基團(tuán)失去H+，喪失其表面活性劑功能，從而導(dǎo)致微表處混合料拌合時(shí)間不足。

2HCl+Ca(OH)2= CaCl2+H2O　(1)

從表3可以看出，使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的情況下，微表處混合料的可拌和時(shí)間明顯提高，并且水泥用量從0.5%到3.0%的范圍內(nèi)，微表處混合料的可拌和時(shí)間一直滿足規(guī)范要求。這是由于磷酸和水泥水化物反應(yīng)會(huì)生成磷酸氫鈣不溶物，如式(2)所示。磷酸氫鈣不溶物沉積在水泥水化物和未參加水化的水泥顆粒表面，阻止了磷酸的過多消耗，使微表處混合料在拌和過程中體系pH值波動(dòng)較小，延緩了體系pH值升高速率，使得瀝青乳化劑分子的親水基團(tuán)在混合料拌合過程中始終保持活性，延緩了乳化瀝青的失穩(wěn)和絮凝，所以拌和時(shí)間顯著提高，從而提高了微表處的工作性能。

H3PO4+Ca(OH)2=CaHPO4+2H2O

(2)

我們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的情況下，當(dāng)水泥摻量超過2.5%的時(shí)候，盡管此時(shí)混合料拌合時(shí)間符合規(guī)范要求，但微表處混合料養(yǎng)生之后會(huì)出現(xiàn)少許輕微裂紋。我們認(rèn)為這是因?yàn)榱姿釟溻}裹附在水泥顆粒表面阻礙了H+對(duì)水泥的消耗，但是磷酸氫鈣在水泥顆粒表面是不致密的薄層沉積，水泥同樣具備水化條件，只是水化速率有所降低。也就是說，磷酸調(diào)酸使得能夠參加水化反應(yīng)的水泥更多，所以水泥摻量過大就會(huì)出現(xiàn)混合料的干縮裂縫現(xiàn)象。綜合考慮下將水泥最佳用量定為2%。通過可拌合時(shí)間實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的，水泥用量從0.5%～3.0%的范圍內(nèi)，微表處混合料的可拌和時(shí)間一直滿足規(guī)范要求。

3.2粘聚力的影響

30min粘聚力和60min粘聚力的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的情況下，微表處混合料的粘聚力試驗(yàn)數(shù)值均比使用鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的情況要高。其中，使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑方式的30min粘聚力試驗(yàn)數(shù)值比使用鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的方式數(shù)值增加了20%，使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的方式對(duì)微表處混合料的60min粘聚力試驗(yàn)數(shù)值提升效果更為顯著，比鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的方式增加了40%。

這是由于使用鹽酸作為乳化瀝青pH值調(diào)節(jié)劑，乳化瀝青中游離的鹽酸會(huì)一直與混合料中的水泥水化物以及未參加水化的水泥發(fā)生反應(yīng)[12]，直到鹽酸被消耗完畢，這樣不但會(huì)削弱微表處混合料的強(qiáng)度，而且會(huì)破壞微表處混合料的設(shè)計(jì)配合比，導(dǎo)致微表處混合料性能下降；而使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑的情況下，磷酸和水泥水化物反應(yīng)會(huì)生成磷酸氫鈣不溶物，覆蓋在水泥水化物和水泥顆粒表面，保護(hù)了水泥作為活性填料作用的發(fā)揮，并且使得微表處混合料和易性更好，乳化瀝青在集料表面裹附更加均勻，改善了混合料的粘聚力。所以，使用使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑可以有效提高微表處混合料的成型速度和早期強(qiáng)度。

3.3濕輪磨耗值的影響

濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，使用磷酸作為pH值調(diào)節(jié)劑方式的微表處混合料的1h磨耗值和6d磨耗值均比使用鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑方式的數(shù)值低，說明磷酸調(diào)酸方式可以提高微表處混合料的抗磨耗能力和抗水損害性能。在磷酸氫鈣的保護(hù)作用下，遏制了未參加水化的水泥顆粒不被H+侵蝕而得以保留與微表處混合料中，在用水量一定的情況下，會(huì)有一部分水泥未完全水化，就會(huì)以活性填料的形式存在于瀝青膠漿之中。由于水泥是強(qiáng)堿性物質(zhì)，能夠與瀝青形成化學(xué)吸附，使結(jié)構(gòu)瀝青成分提高，提高了瀝青與石料之間的粘附性。這樣就使得微表處混合料的抗磨耗性能和水穩(wěn)定性能都得到了有效提高。

圖1　不同pH值調(diào)節(jié)劑下的微表處混合料粘聚力試驗(yàn)結(jié)果Fig.1　Cohesion torque test results with different pH regulators

圖2　不同乳液調(diào)酸方式的微表處混合料濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果Fig.2　Wet abrasion test results with different emulsion regulators

4　結(jié)　論

(1)采用磷酸作為微表處乳化瀝青pH值調(diào)節(jié)劑，可以通過不溶鹽產(chǎn)物磷酸氫鈣的保護(hù)作用，遏制混合料中的水泥水化物以及未參加水化的水泥被酸消耗，也使瀝青乳化劑分子在混合料拌合過程中能夠始終保持活性；

(2)通過可拌和時(shí)間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑，磷酸可以有效提高微表處混合料的可拌和時(shí)間，使得微表處和易性得到提高；

(3)粘聚力的試驗(yàn)結(jié)果表明，在提高微表處混合物的粘聚力方面，磷酸比鹽酸具有更加明顯的作用，可以有效提高微表處混合料的成型速度和早期強(qiáng)度；

(4)濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果表明，采用磷酸作為微表處乳化瀝青pH值調(diào)節(jié)劑，使得微表處混合料的抗磨耗性能和水穩(wěn)定性能都得到了有效提高。

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EffectofpHRegulatoronthePerformanceofMicro-surfacingMixture

ZHANG Qing1,2,FANG Li1,HAO Pei-wen2,JIANG Kai1,BAI Zheng-yu1,SONG Shi-li1,SHI Min1

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanNormalUniversity453007,China;2.KeyLaboratoryofRoadStructureandMaterialofCommunicationsIndustry,Chang′anUniversity,Xi'an710064,China)

Inthispaper,phosphoricacidwasusedasthepHregulatorofasphaltemulsionformicro-surfacingmixture,anditsperformanceswasinvestedtoanalyzetheeffectsofphosphoricacid.TheresultsshowthatasthepHregulatorofasphaltemulsionphosphoricacidmakestheasphaltemulsifiermoleculeactiveinbeingmixedprocess,comparedwithhydrochloricacid.Themethodhasmoresignificanteffectonenhancingtheworkabilityandimprovingcohesionofmicro-surfacing.Itcanalsoimproveanti-wearcapabilityandwater-resistingpropertyofmicro-surfacingmixture.

pHregulator;asphaltemulsion;phosphoricacid;micro-surfacingmixture

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目 (15A150059)；河南師范大學(xué)博士啟動(dòng)課題項(xiàng)目

張慶(1979-)，男，博士，副教授.主要從事道路結(jié)構(gòu)與材料方面的研究.

TU535

A

1001-1625(2016)01-0083-04