不粘輪乳化瀝青的制備及其性能評價

王 佳，蒲昌瑜，吳 迪

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

0 引言

我國瀝青路面結構設計主要依據層狀彈性體系理論，該理論主要的假設前提條件為各攤鋪層為連續、均質的材料，各層間緊密連接，不存在摩擦力。但是，在實際施工過程中，瀝青路面各結構層間是非連續的，必須選用合適的材料將各結構層粘結起來，層間粘結材料的優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周期的重要因素，其作用不可忽視。若層間粘結材料選用不當，會影響路面結構的整體性，容易發生路面病害，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劑，將乳化瀝青噴灑于相鄰各個結構層間，可加強路面各層結構間的粘結性能，使其具有更好的耐久性和良好的結構承載能力。但實際應用時，在乳化瀝青灑布后的后續施工過程中，工程車輛在覆蓋乳化瀝青的路面上行駛，導致乳化瀝青粘結層被施工車輛碾壓，而后產生粘附車輪的現象。這使得路面乳化瀝青層出現部分缺失，后續攤鋪層間粘結性能降低，增加了層間脫落和滑移的可能性。針對這一問題，國內外學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：生產乳化瀝青的基質瀝青軟化點偏低，而夏天施工環境溫度高，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，工程車輛施工作業時，軟化后的瀝青油膜粘在車輛輪胎上，將瀝青粘附帶走，導致乳化瀝青的層間粘結作用失效。因此，本研究從提高基質瀝青軟化點入手，采用高軟化點的硬質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瀝青。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[14]中的要求，其各項指標如表1所示。

表1 基質瀝青的性質

1.1.2 乳化劑

根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[15]中對于粘層乳化瀝青的要求：粘層乳化瀝青應采用快裂或中裂乳化瀝青，故選用山東某公司生產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，其分子結構是碳碳鍵和碳硫鍵，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 穩定劑和消泡劑

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

制備乳化瀝青時，攪拌和研磨過程會使乳化瀝青產生泡沫，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的消泡劑。

1.2 不粘輪乳化瀝青的制備

30#硬質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。分別摻加與基質瀝青不同質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，乳化瀝青底部出現少量的顆粒狀沉淀，這對乳化瀝青的均勻性和貯存穩定性有一定的負面影響。因此，結合生產成本和技術指標要求，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化

乳化瀝青生產工藝的主要控制參數有乳液溫度和瀝青預熱溫度，70#基質瀝青乳化時，乳液溫度一般控制在70～80 ℃，瀝青預熱溫度一般在130～140 ℃；30#硬質瀝青軟化點高于70#基質瀝青，在130～140 ℃條件下，其黏度較大，無法滿足流動性要求，因此需要對瀝青預熱溫度進行調整。圖1為30#硬質瀝青和70#基質瀝青的黏度-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，換算到30#瀝青的黏溫曲線上溫度對應區間大約在160～180 ℃。為保證30#瀝青具有良好的流動性，設定30#瀝青的預熱溫度為170～180 ℃。

圖1 基質瀝青黏度-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 ℃，改性劑加入預熱到170～180 ℃的30#瀝青中，攪拌均勻。膠體磨預熱到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，試驗溫度設為60 ℃，待車轍板內外溫度均勻后進行試驗。實際施工過程中，工程車輛在作業時，會對路面進行反復碾壓，因此將車轍試驗儀的滾輪在車轍板表面碾壓次數定為10～20次。碾壓結束后，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為試驗后白紙質量；m1為試驗前白紙質量；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生的影響很小，乳化瀝青可以充分發揮其粘層油的粘結作用。

表4 不同乳化瀝青粘附率

通過設計的粘輪試驗，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。試驗結果表明，不粘輪乳化瀝青在60 ℃環境條件下，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用價值。

2.3 力學性能

乳化瀝青在瀝青面層中主要起粘結作用，使瀝青各層之間有足夠的黏聚力，粘結成牢固的整體，防止相鄰兩層出現滑動和推移。因此，乳化瀝青需要具有一定的力學強度。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構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，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。將試件在規定溫度條件下保溫至少4 h，然后取出，將粘結有夾具的試件裝入萬能試驗機，調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°。

考慮不同環境下乳化瀝青粘層油粘結強度的差異，分別在25 ℃和40 ℃條件下，對不粘輪乳化瀝青粘結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，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位置是結構的薄弱部分。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，為統一標準，結合工程現場施工常規灑布量的大小，乳化瀝青的灑布量統一采用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

圖6 拉拔和剪切試驗后樣品狀態

從圖7中可以看出，不論是常溫狀態還是高溫狀態，3種乳化瀝青的最大拉應力大小為：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力均有所降低，說明溫度是影響層間粘結性能的重要因素，高溫對層間粘結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勢的結論一致。

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強度，從表中可以看出，不粘輪乳化瀝青的層間粘結效果是最好的，其在常溫 25 ℃和高溫 40 ℃條件下都展現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#硬質瀝青由于瀝青質含量高，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 ℃條件下表現出相同的規律，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%。從這些數據可以看出，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，其層間粘結性能不會隨溫度變化有較大的波動，穩定性較好，能夠較好地適應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強度

3 工程應用及成本分析

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材料，施工面積約為15 000 m2。現場施工結果表明，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，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，應用效果良好。

圖9 不粘輪乳化瀝青工程應用現場

不粘輪乳化瀝青成本分析為：30#硬質瀝青與70#基質瀝青成本相當，磺化瀝青粉價格也與基質瀝青比較接近，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強度要遠高于普通乳化瀝青，可解決層間粘結遭到施工破壞或自身粘結效果不佳的問題，可以延長道路使用壽命，降低維修養護頻率，以達到節約石料和瀝青，綜合降低工程造價的目的。李昌輝等[20]研究發現，假設表面層使用壽命為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約養護成本高達28.95萬元，經濟效益十分明顯。故不粘輪乳化瀝青具有更好的性價比。

4 結論

(1)利用30#硬質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)根據黏度-溫度曲線，30#硬質瀝青預熱溫度調整到170～180 ℃，乳液預熱溫度為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，層間粘結效果優異，層間粘結強度提升顯著。并且，不粘輪乳化瀝青溫度敏感性較弱，穩定性較好，其層間粘結性能不會隨溫度變化有較大的波動，能夠更好地適應不同溫度的施工條件。

(5)工程應用表明：不粘輪乳化瀝青破乳速度快，成膜效果好，粘結強度高，不粘附施工車輛輪胎，能充分發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，具有廣闊的應用前景。