乳化瀝青加工設備與工藝參數研究

基金項目：中央引導地方科技發展資金項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發中心”（編號：桂科ZY21195043）；廣西交通運輸行業重點科技項目“成品改性瀝青冷補料研發及路面坑槽低碳快速修補技術”（編號：桂交便函〔2021〕148號-48）

作者簡介：盧志遠（1988—），工程師，主要從事路橋施工管理工作。

摘要：文章對比分析了高速剪切機、簡易型膠體磨、整體式膠體磨三種不同加工設備的乳化瀝青性能，研究了加工溫度、酸堿度、剪切時間、轉速大小等工藝參數對乳化瀝青性能的影響。結果表明：整體式改性乳化瀝青膠體磨所制備的乳化瀝青性能優于高速剪切機和簡易型膠體磨，其篩上剩余量、儲存穩定性均有明顯改善；提高加工溫度、延長剪切時間、增加轉速均對乳化瀝青的性能有一定的改善作用，綜合考慮乳化瀝青性能和效率，建議普通乳化瀝青的加工溫度控制在120 ℃～140 ℃，改性乳化瀝青加工溫度控制在180 ℃～195 ℃，剪切時間控制在25～30 min，剪切轉速設為4 000～5 000 r/min為宜；皂液pH值存在最佳值，過小或過大均不利于乳化瀝青性能提升，建議pH值控制在2～3。

關鍵詞：道路工程；乳化瀝青；加工設備；工藝參數

中圖分類號：U414

0 引言

乳化瀝青材料能夠實現常溫施工且低污染低排放，符合當前碳達峰碳中和發展目標，成為道路研究發展的方向之一。根據乳化瀝青的種類不同，乳化瀝青在道路交通領域多種場合均有廣泛應用，如透層、黏層、封層、防水粘結層等，并且隨著乳化瀝青材料與工藝技術發展，目前乳化瀝青在養護工程中也得到了進一步推廣，一些研究者基于改性乳化瀝青研發了新型的冷鋪式超薄罩面層。為獲得高品質的改性乳化瀝青，加工設備與工藝技術顯得非常重要。加工制備乳化瀝青的設備有兩大類：膠體磨或高速剪切機。膠體磨以研磨為主、剪切為輔，具有功率大、效率高、精磨效果好等優點，是改性乳化瀝青的主流設備，廣泛適用于SBR、SBS等復合改性瀝青的加工制備；高速剪切機以剪切為主、研磨為輔，在普通乳化瀝青及其他改性瀝青加工制備中也得到了較好的應用。在加工設備選型基礎上，相匹配的加工工藝也尤為重要。邵斐^［1］以SBS改性乳化瀝青為對象，研究提出了基于降粘劑的優化加工工藝。于小鵬^［2］、劉九竹等^［3］開展了SBS改性乳化瀝青加工設備和工藝參數的研究并給出建議。宋文佳^［4］對彩色乳化瀝青的設備、溫度、工藝流程等參數進行了研究，推薦了合理的工藝方法。肖晶晶等^［5］針對微表處應用場合的SBR改性乳化瀝青進行研究，提出了剪切轉速、剪切時間等制備工藝優化技術。李瑞等^［6］在應用現狀分析基礎上，對乳化瀝青的改性工藝進行了探索。道路研究者針對不同的應用場合需求探索了乳化瀝青的設備與工藝，促進了乳化瀝青技術的進步。

本文對比分析了高速剪切機、簡易型膠體磨、整體式膠體磨3種不同加工設備的乳化瀝青性能，評價3種設備的加工性能；以篩上剩余量和1 d儲存穩定性為評價指標，研究了加工溫度、酸堿度、剪切時間、轉速大小等工藝參數對乳化瀝青性能的影響，從而推薦最佳的工藝參數，為乳化瀝青加工控制提供參考。

1 原材料

（1）基質瀝青：泰普克70#道路石油瀝青，各項技術指標滿足《瀝青路面施工技術規范》（（JTG F40-2004）的相關要求。

（2）乳化劑：采用KZW廠家市售的兩種型號乳化劑，如表1所示。

（3）外加劑：SBS線型改性劑，NaCl、CaCl₂等。

2 試驗方案

2.1 加工設備研究方案

本研究采用的三種加工設備分別為BME-100L高速剪切機、HT-MT0.1簡易型膠體磨、JM-30A（GL）整體式膠體磨。以70#基質瀝青和自加工的SBS改性瀝青（SBS摻量為2%）為母體瀝青，設計了4種材料配方（見表2），采用不同設備加工乳化瀝青并測試其篩上剩余量、儲存穩定性等指標，評價不同設備的加工性能。

2.2 工藝參數研究方案

2.2.1 瀝青溫度的影響

采用高速剪切機制備普通乳化瀝青（70#基質瀝青）、采用整體式乳化瀝青膠體磨制備改性乳化瀝青（SBS改性瀝青），乳化劑采用801U，乳化劑用量為2%，固含量取60%。考察在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃等不同溫度條件下制備乳化瀝青，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩定性，試驗方案如表3所示。

2.2.2 酸堿度的影響

采用高速剪切機制備普通乳化瀝青（70#基質瀝青）、采用整體式乳化瀝青膠體磨制備改性乳化瀝青（SBS改性瀝青），乳化劑采用801U，固含量取60%。考察不同酸堿度pH值對乳化瀝青指標的影響，pH值分別設為1、2、3、4、5，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩定性，試驗方案如表4所示。

2.2.3 剪切時間的影響

采用高速剪切機制備乳化瀝青，瀝青為70#基質瀝青，乳化劑采用801U，乳化劑用量為2%，固含量取60%。考察不同剪切時間對乳化瀝青指標的影響，剪切時間分別取15 min、30 min、45 min、60 min，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩定性，試驗方案如表5所示。

2.2.4 轉速大小的影響

采用高速剪切機制備乳化瀝青，瀝青為70#基質瀝青，乳化劑采用801U，乳化劑用量為2%，固含量取60%。考察不同轉速對乳化瀝青指標的影響，轉速大小分別取2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，并測試乳化瀝青的篩上剩余量和1 d儲存穩定性，試驗方案如表6所示。

3 試驗結果與分析

3.1 加工設備對乳化瀝青的影響

分別采用上述3種不同加工設備制備乳化瀝青并對其性能指標進行測試，試驗結果統計如表7所示。

根據表7試驗結果可以看出，3種設備均可加工普通乳化瀝青，但高速剪切機和簡易型膠體磨制備的普通乳化瀝青存在細度不足、篩上剩余量過高，1 d儲存穩定性較差，冷卻后或儲存5 d均肉眼可見結團現象。而整體式膠體磨加工制備的普通乳化瀝青篩上剩余量和儲存穩定性明顯改善，其中材料配方1的篩上剩余量僅有0.1%，且未見明顯結層和沉淀。對于SBS改性乳化瀝青，高速剪切機和簡易型膠體磨均無法制備，這是由于SBS交聯網狀結構分子作用力大，加工設備機械作用力不足，使得瀝青無法分散乳化。而整體式膠體磨可加工制備出SBS改性乳化瀝青，盡管性能指標尚未達到現行技術規范要求，但可通過調整材料配方與加工工藝參數進行優化。

對比上述3種不同加工設備，整體式膠體磨的制備效果最優，其次為高速剪切機，最后為簡易型膠體磨，但高速剪切機和簡易型膠體磨的加工效果差異不明顯。相對于高速剪切機和簡易型膠體磨，整體式改性乳化瀝青膠體磨其功率更大、機械作用力更強，瀝青分子及改性劑通過膠體磨時能夠得到有效研磨，均勻性更好，形成的“水包油”或“油包水”相態結構更穩定。

3.2 工藝參數對乳化瀝青的影響

不同類型的加工設備與材料配方之間有相匹配的最佳工藝參數，本文對高速剪切機和整體式乳化瀝青膠體磨的工藝參數進行了試驗研究。

3.2.1 加工溫度的影響

對不同加工溫度的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩定性進行測試，試驗結果如圖1所示。

如圖1所示，無論是普通乳化瀝青還是改性乳化瀝青，溫度升高對乳化瀝青的性能均能起到一定的改善作用。隨著溫度的升高，篩上剩余量減小，儲存穩定性提高，變化曲線經歷了先急后緩的下降過程，表明在低溫度閾范圍內的影響較為顯著，高溫度閾范圍內的影響不大。對普通乳化瀝青而言，溫度在120 ℃～160 ℃，對乳化瀝青的指標影響不大，建議普通乳化瀝青的加熱溫度控制在120 ℃～140 ℃；對改性乳化瀝青而言，在180 ℃～210 ℃，乳化瀝青的技術指標已變化不大，建議改性乳化瀝青加熱溫度控制在180 ℃～195 ℃。

3.2.2 酸堿度的影響

對不同酸堿度的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩定性進行測試，試驗結果如圖2所示。

根據圖2試驗結果可以看出，乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩定性與pH的關系曲線均為凹型曲線，表明只有在適當的pH值范圍內，普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的細度和儲存穩定性才能達到最佳。結果顯示，pH值為2～3時，兩種乳化瀝青的篩上剩余量最小，儲存穩定性最好。超出該范圍無論是偏大抑或偏小，性能都有所下降。根據曲線變化趨勢可以看出，pH值偏小時，細度和儲存穩定性衰減幅度較小；pH值偏大時，其衰減幅度較大，表明堿性環境更不利于乳化瀝青的制備。主要是因為合適的皂液pH值能增加乳化劑的活性，提高乳化能力，從而提高乳化效果和儲存穩定性。

3.2.3 剪切時間的影響

對不同剪切時間的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩定性進行測試，試驗結果如圖3所示。

根據圖3試驗結果可以看出，延長剪切時間對乳化瀝青的性能起到一定的改善作用，隨著剪切時間延長，篩上剩余量減小，儲存穩定性提高。與瀝青溫度的變化曲線類似，變化曲線經歷了先急后緩的下降過程。剪切時間過短，瀝青顆粒未完全剪切磨細，但當瀝青顆粒達到一定的細度后，延長剪切時間并不能進一步減小顆粒細度。為保證足夠的瀝青細度而又不浪費加工時間，建議剪切時間取25～30 min為宜。

3.2.4 轉速大小的影響

對不同轉速大小的乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩定性進行測試，試驗結果如圖4所示。

根據圖4試驗結果可以看出，隨著轉速的增加，乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩定性差值呈減小趨勢，表明乳化瀝青的細度和儲存穩定性呈提高趨勢，但總的來說，變化幅度不明顯，尤其是當轉速達到4 000 r/min之后，基本呈持平狀態。另一方面，當轉速過高時，可以看到乳化瀝青液飛濺現象越明顯，綜合考慮乳化瀝青性能和加工過程的安全性，推薦高速剪切機轉速設為4 000～5 000 r/min為宜。

4 結語

通過上述研究，可以得出以下結論：

（1）對比上述3種不同加工設備，整體式膠體磨的制備效果最優，其次為高速剪切機，最后為簡易型膠體磨，但高速剪切機和簡易型膠體磨的加工效果差異不明顯。3種設備均可加工普通乳化瀝青，但高速剪切機和簡易型膠體磨無法加工SBS改性乳化瀝青，整體式膠體磨加工制備的普通乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青性能指標明顯改善，其功率更大、機械作用力強，瀝青分子及改性劑得到有效研磨，均勻性更好，乳液相態結構更穩定。

（2）提高加工溫度對乳化瀝青的性能有一定的改善作用，隨著加工溫度的升高，篩上剩余量減小，儲存穩定性提高，變化曲線經歷了先急后緩的下降過程，表明在低溫度閾范圍內影響較為顯著，高溫度閾范圍內影響不大。建議將普通乳化瀝青的加熱溫度控制在120 ℃～140 ℃，改性乳化瀝青的加熱溫度控制在180 ℃～195 ℃。

（3）乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩定性與pH的關系曲線均為凹型曲線，pH值為2～3時普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的篩上剩余量最小，儲存穩定性最好。

（4）延長剪切時間對乳化瀝青的性能起到一定的改善作用，隨著剪切時間延長，篩上剩余量減小，儲存穩定性提高。與瀝青溫度的變化曲線類似，變化曲線經歷了先急后緩的下降過程。為保證足夠的瀝青細度而又節省加工時間，建議剪切時間取25～30 min。

（5）隨著轉速的增加，乳化瀝青的篩上剩余量和儲存穩定性差值呈減小趨勢，當轉速達到4 000 r/min之后，基本呈持平狀態，綜合考慮乳化瀝青性能和加工過程的安全性，推薦高速剪切轉速設為4 000～5 000 r/min為宜。

參考文獻

［1］邵 斐.SBS改性乳化瀝青的制備工藝研究［D］.上海：華東理工大學，2021.

［2］于小鵬.SBS改性乳化瀝青生產工藝及設備研制［J］.山西交通科技，2010（6）：85-87.

［3］劉九竹，沈國鵬，吳鳴建.SBS改性乳化瀝青制備工藝的正交優化及應用［J］.河南建材，2012（5）：46-48.

［4］宋文佳.彩色乳化瀝青制備工藝研究［J］.當代化工，2018，47（5）：979-981，1 033.

［5］肖晶晶，鄭南翔，蔣 瑋.微表處用SBR改性乳化瀝青制備工藝優化［J］.路基工程，2009（3）：8-10.

［6］李 瑞，杜素軍.乳化瀝青改性劑的研究及應用現狀［J］.西部交通科技，2022（10）：68-70.

收稿日期：2023-03-10