納米TiO2/SBR復合改性乳化瀝青制備與性能研究

閆浩博，陳 星

（1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學 地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著我國改革開放進程的不斷推進，我國公路發展迅速，截至2021年底，全國公路里程數共計528.07萬千米，公路密度55.01千米/百平方千米。公路養護里程525.16萬千米，占公路總里程比重為99.4%[1]。目前公路修筑的重要工作是延長道路的使用年限。乳化瀝青具有較好的流動性，乳化瀝青能夠提高與瀝青結合料之間的黏附性，可以減少瀝青的使用量，節省成本[2，3]。改性乳化瀝青是在乳化瀝青中加入改性劑得到的，乳化瀝青不管是在高溫還是低溫的環境中都有優良的溫度穩定性，同時乳化瀝青的冷態施工處理，受季節影響較小[4]，因此即便延長施工季節，也能夠減少瀝青在攤鋪、拌合及使用中釋放有害氣體，減少對環境和人身健康的威脅。現在改性乳化瀝青通常廣泛地應用于微表處、黏結層等領域，具有較大的開發應用價值。

1 原材料

本試驗采用鄭州市鄭發市政有限公司提供的70號瀝青，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE 20—2011）[5]，分別測試70號基質瀝青3大指標，如表1所示。乳化劑選擇陽離子乳化劑BH-MK，破乳速度為慢裂型，活性物含量90%，最適pH值為2.5-3）。TiO2和SBR膠乳作為一種復合改性劑。本文所用的SBR陽離子丁苯膠乳，有效含量為60%。TiO2作為改性劑摻入到基質瀝青后，經過剪切后得到的改性瀝青的針入度有一定的改善，相反軟化點和延度有一定程度的降低，但各項指標均達到規范要求[6]。摻加納米TiO2改性瀝青指標見表2，無水CaCl2（強酸弱堿鹽）來改善陽離子乳化瀝青的質量，pH值調節劑選擇鹽酸。

表1 70號基質瀝青的主要技術指標

表2 二氧化鈦改性瀝青主要技術指標

2 改性乳化瀝青的制備流程

本文選擇先乳化后改性的制備方式，先將陽離子乳化劑與瀝青經過乳化作用制得乳化瀝青，然后再將SBR膠乳、TiO2加入乳化瀝青溶液中，然后制備得到復合改性乳化瀝青。

2.1 正交試驗設計

正交試驗是用全面試驗中具有代表性的部分試驗，有效地降低試驗工作量，還能夠分析不同因素對試驗的影響。正交試驗相對于全面試驗具有優化試驗工藝的優勢，在考慮各種因素的前提下能夠通過較少的試驗次數代替繁多的試驗，廣泛適用于多種因素的試驗，能有效地分析出最佳試驗組合。

影響改性乳化瀝青的因素有很多，為確定各種材料對改性乳化瀝青的影響程度，確定材料最優配比，本文采用正交試驗對復合改性乳化瀝青的摻加材料進行設計。在復合改性乳化瀝青的制備過程中，瀝青和水的質量之比為62∶38，CaCl2穩定劑的摻量為0.32%，重點要考慮的是SBR膠乳、MH-BK、TiO2及剪切時間4個因素，每個因素取3個水平。正交試驗方案為：乳化劑BH-MK的摻量分別為1.2%、1.6%、2.0%，SBR膠乳摻量分別為2.0%、4.0%、6.0%，TiO2摻量分別為6.0%、8.0%、10.0%，剪切時間分別為1 min、2min、3min。

2.2 正交試驗結果及分析

2.2.1 正交試驗的結果

試驗通過對乳化瀝青蒸發殘留物的針入度、延度和軟化點和1 d儲存穩定性作為評價改性乳化瀝青性能的主要指標，并通過試驗指標來反映不同材料不同摻量水平對改性乳化瀝青的性能影響。由于基質瀝青在15℃時的延度通常大于1 000 mm，改性效果比較難以體現出來，本試驗采用5℃的延度。試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗結果表

2.2.2 正交試驗數據處理

采用極差分析法處理數據，極差分析法分為計算和判斷兩個內容，計算4個因素在不同參數水平下的均值k及極差R。K值表示4個不同因素在不同水平下的試驗結果的總值；k值表示每個因素各個水平的總值的平均值，極差R的大小表示反應因素對試驗指標的影響程度的大小。

根據對極差分析法的流程，正交試驗的分析結果如表4所示。

表4 正交試驗結果分析表

2.3 不同因素對性能的影響分析

2.3.1 對基本性能的分析

根據不同因素水平下對基本性能指標的影響程度繪制不同的指標、因素水平下的均值圖，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 25℃針入度水平平均值圖

圖2 軟化點水平均值圖

圖3 5℃延度水平均值圖

考察乳化劑BH-MK摻量因素對改性乳化瀝青的性能影響，由圖1、圖2、圖3可見隨著乳化劑摻量的增加，針入度指標的圖像先減小，然后有一定的增加；相反軟化點則先有一定的上升，然后隨著乳化劑的量的逐漸增多出現下降的趨勢；同樣的是在5℃時延度也是隨著乳化劑增多，先呈現出上升的趨勢后再呈現下降的趨勢。由此我們可以從中得出結論，隨著乳化劑摻量增加，乳化劑發揮作用會明顯增強，同時蒸發殘留物的高低溫性能得到了一定提升，但乳化劑過量會使針入度增加、延度減小，從而使得改性乳化瀝青的綜合性能降低。

考察SBR摻量因素對改性乳化瀝青性能的影響，可以從圖1、圖2、圖3中看出。隨SBR改性劑摻量的增多，蒸發殘留物的針入度開始先減小然后逐漸增加，軟化點的變化幅度不大，而5℃延度則有明顯升高。我們可以從中得出SBR膠乳可以具有提高低溫性能的能力，但是對于高溫性能提升不大。

從圖1、圖2、圖3可見隨著納米TiO2摻量的增加，蒸發殘留物的針入度、軟化點和5℃延度均有不同程度的降低。當摻量小于8%時，總體看各指標的變化幅度是較為緩慢的，且各項指標達到了標準規定范圍。所以我們可以得出用量小于8%時TiO2對改性乳化瀝青的基本性能影響不大，但是用量超過10%，則會使改性乳化瀝青的整體性能降低。

當剪切時間從1 min增加到5 min，蒸發殘留物針入度會隨之降低、但是軟化點有一定幅度的升高、延度則呈現出先升高后降低的趨勢。當剪切時間從1 min增加到3 min時，在這個時間段改性劑與乳化瀝青經過剪切之后融合得比較充分，所以這個階段的穩定性也大幅度增強。

2.3.2 對穩定性能的分析

當BH-MK乳化劑摻量及剪切時間增加的時候，它們的1d的存儲穩定性都表現出先大幅下降然后又有小幅度上升的趨勢；當乳化劑摻量的增加時，乳化劑使得基質瀝青與水之間的界面張力逐漸降低，從而提升了改性乳化瀝青體系的穩定性。當SBR和TiO2摻量的不斷增多的時候，這兩個因素的變化趨勢相似，1d的存儲穩定性都漸漸升高。剪切時間的增加使得各組分充分融合，增加其穩定性能。改性劑SBR和TiO2在復合體系不存在化學反應，主要是以簡單的混合改性為主，如果摻量過多，多余的改性劑會聚集，破壞改性乳化瀝青體系的平衡。

2.4 最佳組合下的性能指標

2.4.1 極差分析最優組合

極差值越大說明該因素對性能影響越顯著，從針入度指標來看，A（乳化劑BH-MK）、B（SBR）、C（TiO2）、D（剪切時間）所對應的極差值分別是3.66、6.61、10.31、4.37。所以對針入度影響最大的影響因素為C（改性劑Fe-N-TiO2），在規定的范圍內，針入度值越小，則說明瀝青越硬，性能越好，可以從中選擇針入度比較小的組合，故在針入度指標下得出最優組合為A2B2C3D3，即1.6%乳化劑BH-MK、4.0%改性劑SBR、8.0%改性劑Fe-NTiO2以及3 min的改性剪切時間。按照類似的方法對軟化點、延度、存儲穩定性等指標進行綜合分析，得出其他影響因素的最優組合，最優組合見表5。

表5 各指標下的最優組合

由表5分析得，當考察指標不同時，所得最優組合也是不相同的。從直觀上分析，僅考慮前2名的顯著因素，因為有的顯著因素在不同指標下，有一樣的最優水平，那么就可以直接選擇該水平下的摻量，如果沒有多指標最優水平是一樣的，參考技術規范中要求，綜合確定最優水平。利用上述的方法，復合改性乳化瀝青的最優制備方案為1.2%陽離子乳化劑BH-MK、4.0%SBR改性劑、8.0%Fe-N-TiO2和3min的改性剪切時間。

2.4.2 復合改性乳化瀝青的各性能指標

對最優組合方式制備出來的復合改性乳化瀝青，依據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004）[7]對破乳速度、篩上剩余量、蒸發殘留物含量、殘留物的性質（針入度、軟化點及延度）及存儲穩定性等指標進行試驗，各項指標均滿足規范的標準，結果如表6所示。

表6 復合改性乳化瀝青性能測試結果

3 結論

（1）正交試驗的結果表明，對改性乳化瀝青的存儲穩定性影響比較顯著的是陽離子乳化劑的摻量，SBR改性劑和TiO2改性劑對低溫性能、高溫性能影響顯著，兩者相互配合使用能夠提高改性乳化瀝青的溫度穩定性。

（2）隨著乳化劑摻量增加，乳化劑會明顯增強一定的乳化效果，同時蒸發殘留物的高低溫性能也得到提升，但乳化劑不能使用過量，過量會使殘留物的針入度升高、延度降低，降低瀝青體系的綜合性能。

（3）隨SBR改性劑摻量的增多，殘留物的針入度呈現先減小后增大的趨勢，軟化點變化不大，5℃延度有明顯升高，SBR提升低溫性能和防止流動變形的能力。隨著TiO2摻量的增加，針入度、軟化點和5℃延度均有所降低。當摻量小于8.0%時，變化幅度較為緩慢，且各項指標達到標準規定。復合改性乳化瀝青的最優制備方案為1.2%陽離子乳化劑BH-MK、4.0%SBR改性劑、8.0%TiO2和（800 r/min）3 min的改性剪切時間。