納米TiO2 乳化瀝青的制備與性質(zhì)研究

王天新，蔡子同

（1.齊魯高速公路股份有限公司，山東 濟南 250101；2.濱州公路養(yǎng)護工程有限公司，山東 濱州 256600）

引言

乳化瀝青廣泛應(yīng)用于道路建筑和維修、舊瀝青再生、土壤穩(wěn)定、防塵固沙、屋面防水等領(lǐng)域，特別是在道路建設(shè)與維修養(yǎng)護中成為目前乃至相當長一段時期內(nèi)大量應(yīng)用的材料。相對熱瀝青施工，乳化瀝青具有節(jié)能、降耗、安全、環(huán)保的優(yōu)勢，并且不受天氣情況影響；另外乳化劑品類較多，需要按照工程實際情況選擇合適的乳化劑品種，如陽離子、陰離子和非離子乳化瀝青等，以實現(xiàn)不同的功用特點。乳化瀝青是由基質(zhì)瀝青經(jīng)過乳化工藝制備而來，其性質(zhì)主要依賴于其基質(zhì)瀝青的性能優(yōu)劣，乳化瀝青破乳及蒸發(fā)后的殘留物的黏彈性、耐老化性能以及溫度敏感性都有不足之處，如何增加其實際應(yīng)用過程中的路用性能將是一個關(guān)鍵問題[1]。同時，一些改性乳化瀝青，能夠提高道路質(zhì)量，特別是在橋面鋪裝、稀漿封層等工程中表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，但仍然存在耐磨性、黏附強度、抗老化性能方面的問題[2-3]。

隨著納米材料及技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，利用納米材料進行乳化瀝青改性和復(fù)合改性有望提升乳化瀝青的路用性能。研究表明，納米粒子材料具有獨特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，且在熱學性能、光催化性能方面表現(xiàn)獨特，如二氧化鈦（TiO2）。這些粒子材料在聚合物乳液的協(xié)同作用下，可使乳化瀝青產(chǎn)品具有良好的界面結(jié)合力和抗老化性能，同時提升材料的耐磨性、強度，并具備良好的防水效果[4-6]。

1 試驗部分

1.1 原材料

按照微表處用BCR 類改性乳化瀝青進行乳化瀝青的制備，其中乳化劑為陽離子慢裂型乳化劑，瀝青與SBR 膠乳指標見表1 ～表3，超純水采用HTHWM 型制水機自制生產(chǎn)。

表1 改性乳化瀝青制備原材料

表2 基質(zhì)瀝青性質(zhì)

表3 SBR 膠乳指標

1.2 制備工藝與條件

1.2.1 制備工藝

（1）工藝一。將改性劑加入乳化劑和水混合成的皂液中，形成改性乳化劑水溶液，然后將其與熱瀝青經(jīng)過膠體磨剪切乳化后形成改性乳化瀝青。乳化過程只經(jīng)過一道工序直接完成，步驟簡單，易操控，且一步形成的改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性強，此工藝應(yīng)用于大部分改性乳化瀝青制備中。（2）工藝二。將基質(zhì)瀝青乳化成常規(guī)乳化瀝青，再將常規(guī)乳化瀝青與改性劑進行攪拌混合成為改性乳化瀝青。此工藝制備改性乳化瀝青較為簡易，但是操作過程中手法較為粗糙，僅是攪拌混合，沒有形成穩(wěn)定體系，在實際生產(chǎn)過程中并不常用。（3）工藝三。制備改性瀝青，將瀝青與改性劑經(jīng)過剪切攪拌工藝后形成改性瀝青，再將改性瀝青乳化形成改性乳化瀝青。此工藝制備過程較為復(fù)雜，且改性瀝青乳化工藝目前并不完善，乳化效果差，影響整個制備改性乳化瀝青效率。

在進行納米粉體改性乳化瀝青研究中，考慮到納米粉體的分散性，利用乳化劑的活性成分阻止納米顆粒的團聚。納米化乳化瀝青制備工藝見圖1，其中試驗采用70 #基質(zhì)瀝青、季胺鹽類乳化劑（慢裂快凝型）、SBR 膠乳（顯元化工）納米TiO2粉體，陽離子SBR 膠乳設(shè)計含量3%、油水比設(shè)計為6 ∶4。

（1）按廠家推薦的乳化劑含量2.8%，將乳化劑溶解到超純水中形成皂液；加入鹽酸調(diào)節(jié)皂液pH=2左右；皂液加熱到60 ℃，瀝青加熱至130 ℃，備用。（2）清潔、預(yù)熱乳化瀝青膠體磨，按照固含量比例計算皂液和熱瀝青用量；先將皂液倒人膠體磨中循環(huán)10 s，再將130 ℃的瀝青緩慢倒入膠體磨繼續(xù)循環(huán)60 s，形成乳化瀝青。（3）添加設(shè)計用量比例的SBR膠乳。（4）按照設(shè)計固含量質(zhì)量比例0%、1%、2%、3%，添加納米TiO2粉體，形成復(fù)合改性乳化瀝青。

從表4 可以看出，利用工藝二制備的改性乳化瀝青，其試驗結(jié)果都符合技術(shù)要求，為進行納米乳化瀝青的研制提供了材料基礎(chǔ)。

表4 SBR 改性乳化瀝青的試驗結(jié)果

1.2.2 制備條件

試驗發(fā)現(xiàn)，當皂液加入TiO2后，納米顆粒靠強大的遮色能力，使皂液成乳白色，并改變了皂液乳化劑的味道，而且pH 值略有降低。根據(jù)實測皂液pH 值，生產(chǎn)得到的乳化瀝青，經(jīng)過激光粒度分析儀檢測，不同pH 條件下的乳化瀝青粒徑分布存在較大的差別。

圖2 表明，通過控制pH=2 左右時，可以獲得粒度分布均勻的乳化瀝青，其平均粒度最小，可以帶來更好的存儲穩(wěn)定性。

圖2 不同pH 值制備的乳化瀝青粒度分布

2 結(jié)果與討論

2.1 流體性質(zhì)

2.1.1 乳化瀝青粒度

試驗制備了設(shè)計固含量質(zhì)量比例0%、1%、2%、3%、添加納米TiO2粉體的乳化瀝青。激光粒度分析儀檢測結(jié)果表明，三種乳化瀝青的粒度均在10 μm之下，并體現(xiàn)出較好的分散均勻性；隨著TiO2含量的增加，乳化瀝青顆存在一個較大的極值點。

圖3 不同TiO2 摻量下的乳化瀝青粒度分布與對比

2.1.2 黏度與法向力

利用動態(tài)剪切流變儀進行乳化瀝青黏度試驗，模式采用Peakhold，溫度設(shè)置35 ℃，剪切頻率6.8 1/s（相當于旋轉(zhuǎn)黏度計20 RPM），獲取1 h 內(nèi)的黏度、法向力變化數(shù)據(jù)。分析表明：（1）隨著時間的延長，乳化瀝青中的水分有所損失，乳化瀝青逐漸破乳，使乳化瀝青液體的黏度提高，整體呈現(xiàn)單調(diào)增長趨勢。在1 500 s 后，納米改性乳化瀝青會有較高的黏度表現(xiàn)。（2）雖然納米改性瀝青黏度偏大，但其法向力表現(xiàn)較低。這是由于納米粉體進入瀝青體系中，降低了瀝青的法向應(yīng)力，使乳化瀝青更易在路用表面覆蓋，另外在碾壓過程中，有效地降低了瀝青隨著輪碾的遷移，使整個體系的黏聚力更強。

圖4 納米乳化瀝青的黏度變化

圖5 納米乳化瀝青的法向力變化

2.2 殘留物性質(zhì)

2.2.1 殘留物軟化點

實驗室得到乳化瀝青殘留物一般是通過蒸發(fā)試驗，蒸發(fā)試驗過程中的加熱狀態(tài)會造成乳化瀝青的膠束體系的破壞，并且不一能夠完全確定其是否真正處于無水狀態(tài)。為了能夠體現(xiàn)乳化瀝青在實際路用狀態(tài)下的破乳情況，避免膠束體系被破壞，稱取一定質(zhì)量的制備好的納米TiO2/SBR 復(fù)合改性乳化瀝青（分別添加0%、1%、2%、3%納米TiO2）放在室外，在實際環(huán)境下進行風干破乳直至肉眼發(fā)現(xiàn)沒有水分存在。然后，將風干完全的樣品放入高溫烘箱中，105 ℃加熱10 min，以確保試樣中沒有水分存在，得到其破乳殘留物。

從圖6 可以看出，添加了納米TiO2粉體的乳化瀝青殘留物的軟化點要高于未添加的，表明納米TiO2粉體能夠有效提高乳化瀝青破乳后的高溫性能；當TiO2的添加量為2%時，其殘留物乳化點最高，說明納米TiO2粉體存在一個最佳摻量，在此摻量下，其高溫改性性能最好。

圖6 殘留物軟化點變化

2.2.2 殘留物SPG 等級

（1）自然風干法。將50 g 乳化瀝青試樣放在盤里，在室溫自然條件下靜置24 h，主要是讓水分在自然狀態(tài)下進行蒸發(fā)散失。之后將蒸發(fā)后的試樣放置在60 ℃烘箱中加熱2 h，去除中間可能存在的水分。（2）旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）試驗是較為簡便獲取乳化瀝青殘留物的方法。準備3 個旋轉(zhuǎn)薄膜試驗用盛樣瓶，將35 g 乳化瀝青試樣置于盛樣瓶中，之后將3 個盛樣瓶放進旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中，設(shè)置烘箱溫度為85 ℃并且將空氣流速控制為4 L/min，試樣放置75 min。

圖7 納米乳化瀝青的SPG 連續(xù)高溫等級

可以看到，TiO2的添加提高了乳化瀝青殘留物的高溫等級，在0%～3%摻量范圍內(nèi)，乳化瀝青的SPG 高溫等級為70 ℃；在3%摻量后可以達到73 ℃。

3 結(jié)語

（1）納米TiO2改善乳液體系稠度和黏度、降低法向力，提高SPG 高溫溫度等級；TiO2的添加提高了乳化瀝青殘留物的高溫等級，在0%～3%摻量范圍內(nèi)，乳化瀝青的SPG 高溫等級為70 ℃；在3%摻量后可以達到73 ℃。（2）納米乳化瀝青的顆粒分布在10 μm之內(nèi)，提倡在皂液中添加設(shè)計用量的納米粉體，從而避免后期外加納米粉體帶來的大面積效益，造成存儲穩(wěn)定性上的不良。