基于正交試驗的乳化瀝青材料配方研究

江文凌　禤煒安　熊劍平　韋萬峰

摘要：文章以固含量、改性劑、穩(wěn)定劑作為材料配方的考察因素，進行3因素3水平正交試驗設計，測試評價不同試驗方案條件下乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物參數(shù)等指標。結(jié)果表明：對乳化瀝青性能指標影響最大的是改性劑，固含量和穩(wěn)定劑的影響程度相當，優(yōu)選方案為固含量為60%、改性劑為3%、穩(wěn)定劑為0.2%。該材料配方條件下SBR改性乳化瀝青各項技術(shù)指標均滿足現(xiàn)行相關規(guī)范要求。

關鍵詞：道路工程；乳化瀝青；材料配方；正交試驗

0引言

乳化瀝青的研究始于20世紀初［1-2］，經(jīng)過不斷的技術(shù)完善與發(fā)展，目前乳化瀝青在道路工程中已獲得廣泛應用，衍生出普通型或改性型、噴灑型或拌和型、不同電荷種類等多類型多場景乳化瀝青，并且大多可根據(jù)用戶需求進行配方調(diào)試。乳化瀝青是一種多組分復合而成的瀝青材料，主要以基質(zhì)瀝青為基材，通過調(diào)節(jié)用水量、改性劑、酸堿調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑等原材料，在相匹配的機械加工工藝作用下形成常溫液態(tài)瀝青。由于其改變了基質(zhì)瀝青原有的半固態(tài)特性，多元復合材料組成體系使材料性能的變化更為敏感，不同成分之間存在適配性和最優(yōu)解。國內(nèi)外學者對乳化瀝青的材料配方也開展了大量的研究，提供了技術(shù)參考。丁湛等［3］以高固含量為目標，研究了乳化劑摻量、乳化液pH值等對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，驗證了固含量為60%的乳化瀝青性能并推薦了最佳工藝參數(shù)。楊同偉［4］研究了丁苯橡膠（SBR）膠乳摻量對于乳化瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響，推薦SBR膠乳的適宜摻量為4%。徐永麗等［5］采用正交試驗法研究了瀝青加熱溫度、乳化劑摻量及皂液pH值對乳化效果的影響，給出了最佳制備方案。任海生等［6］對SBR/CR復合改性乳化瀝青的制備及性能進行了研究，給出了SBR與CR的最佳摻量為2∶1。隨著“雙碳”發(fā)展目標的提出，常溫型近零碳的乳化瀝青基材料備受道路工作者的推崇，如何高效獲得乳化瀝青多組分的摻配比例并且實現(xiàn)材料的高性能化，尚需進一步深入挖掘和技術(shù)研發(fā)。

本文以固含量、改性劑、穩(wěn)定劑為材料配方考察因素，進行正交試驗設計，測試評價不同試驗方案條件下乳化瀝青的篩上剩余量、1 d儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物參數(shù)三大指標，在不同指標評價的直觀分析法的基礎上，綜合對比分析，獲得乳化瀝青最佳材料配方，并對其進行性能驗證。

1 原材料

本研究使用的原材料主要有70#道路石油瀝青、陽離子乳化劑、SBR改性劑、穩(wěn)定劑等。

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青為泰普克70#道路石油瀝青，技術(shù)指標如表1所示。

由表1可以看出，試驗所用的70#道路石油瀝青的各項性能指標滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關要求。

1.2 乳化劑

主要采用KZW-801U陽離子乳化劑，推薦摻量為2%，pH值控制在2左右。

1.3 改性劑

采用的改性劑主要為SBR膠乳，其技術(shù)指標如表2所示。

1.4 穩(wěn)定劑

研究中采用的穩(wěn)定劑是NaCl。

2 試驗方案

研究對比不同廠家與型號的乳化劑的乳化效果，通過調(diào)研對比，在試驗中選用了應用效果較好且評價較高的3個廠家共6種型號的乳化劑，采用3因素3水平正交試驗方法開展不同固含量、改性劑、穩(wěn)定劑在不同摻量條件下改性乳化瀝青的性能研究，正交試驗表如表3所示。以相同的工藝參數(shù)按照不同試驗編號分別加工制備改性乳化瀝青，測試其篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物三大指標等性能參數(shù)，通過正交試驗分析法確定主要的影響因子和最佳材料配方。

按照表3開展9組不同材料配方試驗，不同方案對應的因素和水平信息如表4所示。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 正交試驗結(jié)果

按照正交試驗方案制備改性乳化瀝青，分別測試改性乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物三大指標，試驗結(jié)果如表5所示。

3.2 不同性能指標直觀分析

3.2.1 篩上剩余量直觀分析

以篩上剩余量為評價指標進行正交試驗分析，極差計算結(jié)果如表6所示。

極差值R越大，說明該因素的影響程度越顯著。由表6可以看出，對乳化瀝青篩上剩余量影響程度的排序為B改性劑＞A固含量＞C穩(wěn)定劑，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為固含量，穩(wěn)定劑的影響最弱，其極差值分別為0.10%、0.07%、0.03%。篩上剩余量越小越好，故此配方條件下最佳的方案為A1B1C1或A1B1C3。

3.2.2 儲存穩(wěn)定性直觀分析

以儲存穩(wěn)定性為評價指標進行正交試驗分析，極差計算結(jié)果如下頁表7所示。

由表7可以看出，對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性影響程度的排序為B改性劑＞C穩(wěn)定劑＞A固含量，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為穩(wěn)定劑，固含量的影響最弱，其極差值分別為1.3%、1.0%、0.3%。儲存穩(wěn)定性固含量差值越小越好，故此配方條件下最佳的方案為A1B1C2。

3.2.3 蒸發(fā)殘留物針入度直觀分析

以蒸發(fā)殘留物針入度為評價指標，進行正交試驗分析，極差計算結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出，對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物針入度影響程度的排序為B改性劑＞A固含量＞C穩(wěn)定劑，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為固含量，穩(wěn)定劑的影響最弱，其極差值分別為0.76 mm、0.72 mm、0.68 mm，不同因素間的極差差異不大，表明各方案的差異不明顯，未存在明顯優(yōu)勢方案。

3.2.4 蒸發(fā)殘留物軟化點直觀分析

以蒸發(fā)殘留物軟化點為評價指標，進行正交試驗分析，極差計算結(jié)果如表9所示。

由表9可以看出，對乳化瀝青針入度影響程度的排序為B改性劑＞C穩(wěn)定劑＞A固含量，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為穩(wěn)定劑，固含量的影響最弱，其極差值分別為3.1 ℃、1.0 ℃、0.9 ℃。蒸發(fā)殘留物軟化點越高越好，故此配方條件下的最佳方案為A3B3C2。

3.2.5 蒸發(fā)殘留物延度直觀分析

以蒸發(fā)殘留物延度為評價指標，進行正交試驗分析，極差計算結(jié)果如表10所示。

由表10可以看出，對乳化瀝青延度影響程度的排序為B改性劑＞C穩(wěn)定劑＞A固含量，即SBR改性劑的影響最顯著，其次為穩(wěn)定劑，固含量的影響最弱，其極差值分別為2.6 cm、1.7 cm、0.8 cm。蒸發(fā)殘留物延度越大越好，故此配方條件下最佳的方案為A1B3C2。

3.2.6 綜合直觀分析

對上述不同評價指標的影響因素排序和最佳方案進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表11所示。

通過對乳化瀝青上述五項技術(shù)指標的綜合分析可知，對乳化瀝青性能指標影響最大的是改性劑，固含量和穩(wěn)定劑的影響程度相當。

從乳化瀝青技術(shù)指標角度進行優(yōu)選方案，對固含量而言，可見A1、B1或B3、C2出現(xiàn)頻次最多，因此固含量為55%、改性劑摻量為0或3%、穩(wěn)定劑為0.2%時綜合性能最優(yōu)。分析上述改性劑摻量出現(xiàn)0和3%雙選結(jié)果，對于篩上剩余量和儲存穩(wěn)定性，顯然無改性劑時該兩項技術(shù)指標更優(yōu)；對于蒸發(fā)殘留物軟化點和延度，顯然在一定量范圍內(nèi)，改性劑越多該兩項技術(shù)指標越好。為實現(xiàn)冷拌冷鋪瀝青混合料較好的路用性能，添加改性劑是本研究的重要技術(shù)路徑，從主次技術(shù)指標角度分析，改性劑摻量取3%。

3.3 最佳配方性能驗證

根據(jù)經(jīng)驗，由正交試驗中確定的最佳方案往往僅是相對的，并且在新的參數(shù)組合條件下乳化瀝青的性能還需要進一步驗證和采用單因素試驗對比研究，從而確定各項性能指標均符合要求的最佳方案。本研究主要以固含量60%、改性劑3%、穩(wěn)定劑0.2%為材料配方，采用整體式乳化瀝青膠體磨制備樣品并進行性能指標檢測，試驗結(jié)果如后頁表12所示。

根據(jù)試驗結(jié)果可以看出，以SBR為改性劑的改性乳化瀝青的主要技術(shù)指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關要求。

4 結(jié)語

本研究以乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩(wěn)定性、蒸發(fā)殘留物參數(shù)三大指標為評價指標進行正交試驗設計，并采用極差法進行綜合分析。結(jié)果表明，對乳化瀝青性能指標影響最大的是改性劑，固含量和穩(wěn)定劑的影響程度相當，優(yōu)選方案為固含量60%、改性劑3%、穩(wěn)定劑0.2%。該配方條件下SBR改性乳化瀝青各項技術(shù)指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關要求。

參考文獻：

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基金項目：南寧市優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培育項目“蔗渣纖維改性乳化瀝青混合料研發(fā)與應用技術(shù)”（編號：RC20200203）；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(shù)研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）

作者簡介：江文凌（1988—），工程師，主要從事道路工程設計與研發(fā)工作。