綠色低碳型乳化瀝青膠結(jié)料及其聚合物改性方法研究進(jìn)展

羅蕉 LUO Jiao

（廣西錦繡前程人力資源股份有限公司，南寧 530000）

0 引言

傳統(tǒng)的瀝青混凝土在生產(chǎn)、施工和養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)會(huì)釋放大量的二氧化碳和其他有害氣體，這對環(huán)境造成不可忽視的負(fù)面影響[1]。而綠色低碳型乳化瀝青膠結(jié)料作為一種新型的道路建材，可以有效減少道路施工中對環(huán)境的不良影響[2]。因此，深入研究乳化瀝青膠結(jié)料的性能、制備工藝以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對于推動(dòng)道路工程的可持續(xù)發(fā)展具有積極的意義。目前，關(guān)于乳化瀝青膠結(jié)料的研究主要集中在其基本性質(zhì)、改性技術(shù)、工程應(yīng)用等方面[1-6]。具體地，研究者們通過實(shí)驗(yàn)、模擬和場地試驗(yàn)等手段，深入探討了該材料的穩(wěn)定性、耐久性、適用范圍等關(guān)鍵性能，并在實(shí)際道路工程中進(jìn)行了一系列的應(yīng)用驗(yàn)證[7-15]。本論文首先對乳化瀝青膠結(jié)料進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，包括其組成、特性以及制備工藝等。然后，闡述了不同的乳化瀝青改性方法及三種主要的聚合物改性乳化瀝青。在此基礎(chǔ)上，對乳化瀝青及改性乳化瀝青的當(dāng)前研究進(jìn)行了總結(jié)，并提出進(jìn)一步研究的方向及意義。

1 乳化瀝青簡介

1.1 主要分類

根據(jù)乳化劑的種類可將乳化瀝青分為陽離子、陰離子、非離子及兩性離子型乳化瀝青[1，2]。陽離子與陰離子乳化瀝青微顆粒表面分別帶正電荷和負(fù)電荷。如圖1 所示，集料能夠與陽離子乳化瀝青快速且牢固地相結(jié)合，這是因?yàn)閹д姷年栯x子乳化瀝青與集料之間存在靜電吸引作用[3]。依照破乳速率的快慢，乳化瀝青的可分為慢裂、中裂以及快裂型。另外，按照工程應(yīng)用的不同，乳化瀝青又可分為拌和、灌入和噴撒型。

圖1 陽離子乳化瀝青吸附性能展示圖[3]

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

乳化瀝青技術(shù)避免過了路面施工中高溫加熱與有毒物質(zhì)排放而影響環(huán)境的情況。研究者通過計(jì)算得知，與傳統(tǒng)熱拌瀝青技術(shù)相比，乳化瀝青混合料技術(shù)可以顯著降低能源及原料使用量、有害氣體產(chǎn)生量及損害人員健康風(fēng)險(xiǎn)率，如圖2 所示[4]。但是，乳化瀝青混合料在黏結(jié)性能、柔韌性以及強(qiáng)度等方面低于熱拌瀝青混合料，這大大限制了乳化瀝青在道路高層面結(jié)構(gòu)以及新建公路中的應(yīng)用。

圖2 冷拌與熱拌技術(shù)對比圖[4]

2 乳化原理、工藝及設(shè)備

2.1 乳化原理

在少量乳化劑以及高速剪切的共同作用下，熔融狀態(tài)下的瀝青與水溶液之間的界面張力顯著減小，乳化劑與瀝青微粒之間存在相互作用，即乳化劑親油基團(tuán)定向排列在瀝青微粒表面，同時(shí)其親水基團(tuán)與乳液體系中的水相連接，最終使瀝青分散成微小顆粒，并均勻分布在水溶液中。

2.2 制備工藝

圖3 展示了乳化瀝青的一般制備工藝。首先需通過加熱的方式獲取熔融狀瀝青，同時(shí)將少量乳化劑與水溶液混合均勻，并加入一定量助劑，保持混合液體溫度在55℃～60℃之間；然后將皂液先倒入膠體磨中，緊接著緩慢加入熔融狀瀝青，使兩者得到充分剪切與分散，最后完成制備。

圖3 乳化瀝青制備過程

2.3 破乳過程

乳化瀝青最終能夠發(fā)揮其粘結(jié)劑作用的條件是水分的完全蒸發(fā)。在集料與瀝青乳液接觸時(shí)，微小的瀝青微顆粒開始分裂，并相互接觸凝聚，隨著水分的不斷蒸發(fā)，瀝青薄膜形成于集料表面，這就是乳化瀝青的破乳過程，如圖4 所示[5]。

圖4 陽離子乳化瀝青破乳過程示意圖[5]

2.4 乳化設(shè)備

常用的乳化瀝青制備設(shè)備為膠體磨儀器，液體材料在其研磨區(qū)瞬間速度以及方向時(shí)刻變化，這使液體同時(shí)受到高速剪切和研磨。熔融狀瀝青與皂液在約3000 轉(zhuǎn)/分高速旋轉(zhuǎn)的膠體磨定盤與轉(zhuǎn)盤之間的間隙時(shí)被剪切研磨，同時(shí)在乳化劑的作用下形成乳化瀝青微顆粒。

3 聚合物改性乳化瀝青

3.1 聚合物改性機(jī)理

為彌補(bǔ)乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性的不足，采用橡膠、樹脂等高聚物以及部分無機(jī)物等作為改性劑，以改善乳化瀝青及其混合料的性能。在聚合物改性乳化瀝青體系中，聚合物應(yīng)與瀝青完全相容，形成均勻的混合物，從而在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用過程中最大限度地減少相分離問題。另外，聚合物改性劑對瀝青不產(chǎn)生化學(xué)效果，一般聚合物改性劑會(huì)在吸收瀝青輕組分的情況下發(fā)生膨脹，改性劑所形成界面與瀝青界面相互作用，進(jìn)而保持了兩相穩(wěn)定以及聚合物的均勻分布，同時(shí)聚合物所形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其固有性質(zhì)，這可以使瀝青的性能得到明顯改善[6]。

3.2 改性方法

根據(jù)改性步驟在制備聚合物改性乳化瀝青過程中的先后順序可將制備工藝分為先改性后乳化、邊改性邊乳化和先乳化后改性這三種，具體制備方法如圖5 所示[7]。先改性的方法需要先將基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，形成聚合物改性瀝青，然后再對其進(jìn)行乳化處理。其中，這會(huì)存在難以對粘度較大的聚合物改性瀝青進(jìn)行乳化的問題。此外，邊乳化邊改性的制備方法只需一個(gè)工序即可完成，不僅高效、易操作，還具有價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。對于先乳化后改性的制備工藝，需先對基質(zhì)瀝青進(jìn)行乳化處理，再采用機(jī)械攪拌將聚合物改性膠乳與乳化瀝青混合均勻。

圖5 乳化瀝青改性方法[7]

3.3 SBR 改性乳化瀝青

SBR 對瀝青的性能改善效果較為明顯。在SBR 膠乳摻量增加的情況下，改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定顯示出先提升后降低的趨勢[8]。這可能是大量瀝青輕組分被SBR 膠乳溶脹吸收，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)等大分子發(fā)生絮凝、凝聚，影響了乳化瀝青的穩(wěn)定性。乳化瀝青的常規(guī)性能隨著SBR 摻量的增加得到顯著改善，宏觀上表現(xiàn)為瀝青延性增加、軟化點(diǎn)增加、針入度降低[9]。這是因?yàn)镾BR 顆粒充分膨脹形成連接網(wǎng)絡(luò)，顯著增強(qiáng)了瀝青的低溫和高溫性能。圖6 展現(xiàn)了改性乳化瀝青的流變性能在不同SBR 膠乳摻入量下的變化情況[8,10]。可以明顯地看到，隨著SBR 膠乳摻量的增加，相位角（δ）呈現(xiàn)減小的趨勢，而車轍因子（G*/sin δ）逐漸提高，這表明增加SBR 膠乳的用量能夠提升乳化瀝青粘結(jié)劑的高溫穩(wěn)定性。

圖6 SBR 改性乳化瀝青流變性能[8，10]

3.4 SBS 改性乳化瀝青

SBS 擁有橡膠與塑料的兩重性質(zhì)，因其強(qiáng)度較高的聚苯乙烯結(jié)構(gòu)能夠提升瀝青的高溫穩(wěn)定性，柔韌性優(yōu)異的聚丁二烯結(jié)構(gòu)具有增強(qiáng)瀝青低溫抗裂性能的作用。隨著SBS含量的逐漸增加，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度不斷減小，而低溫延展性隨之提升，這說明高低溫穩(wěn)定性具有明顯的提高[11]。SBS 改性瀝青的高粘度和高軟化點(diǎn)在一定程度上增加了乳化過程的難度，對瀝青乳化劑的選擇要求也更高。使用復(fù)合乳化劑的方法降低乳化劑臨界膠束濃度與瀝青在皂液中的表面張力，從而提升對SBS 改性瀝青的乳化能力與效率[12，13]。

3.5 水性環(huán)氧乳化瀝青

水性環(huán)氧樹脂具有附著力好、收縮率小、抗蠕變性能大、相容性適宜等優(yōu)點(diǎn)。彌補(bǔ)了普通乳化瀝青粘著力低、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。水性環(huán)氧樹脂滲透乳化瀝青后，微小的瀝青顆粒均勻聚集并填充在乳化瀝青顆粒周圍，通過復(fù)雜的交聯(lián)反應(yīng)形成穩(wěn)定的三維整體，如圖7 所示[14，15]。改性乳化瀝青的硬度隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸提高，剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，同時(shí)熱穩(wěn)定性明顯提高。當(dāng)環(huán)氧樹脂投加量達(dá)到30%時(shí)，材料的粘度指數(shù)和低溫脆性將達(dá)不到規(guī)范要求。因此，水性環(huán)氧樹脂的最佳摻量為15%～20%[14]。

圖7 熒光顯微鏡檢測[14，15]

4 經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析

乳化瀝青技術(shù)除了有效降低對環(huán)境的影響，其在經(jīng)濟(jì)成本方面也具有明顯優(yōu)勢。與熱拌瀝青混合料相比，冷拌再生瀝青混合料總能耗降低了46.4%。其中，原材料生產(chǎn)階段、混合料生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段以及攤鋪階段可以分別降低47.5%、87.6%、13.0%和74.3%的能源消耗[16]。采用40000t 廢舊瀝青混合料進(jìn)行路面修復(fù)工程中，乳化瀝青冷再生混合料不僅能夠滿足路用性能要求，還能節(jié)約礦石采購費(fèi)用約為428 萬元，減少約為標(biāo)準(zhǔn)煤量437.67t 的能耗[17]。通過40 年全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本分析可知，以泡沫瀝青冷再生混合料為柔性基層的路面結(jié)構(gòu)與以瀝青穩(wěn)定碎石混合料為基層的路面結(jié)構(gòu)相比，1km 的分析基元凈現(xiàn)值減少72.96 萬元，這是因?yàn)榛厥绽么罅繌U舊瀝青混合料降低了成本[18]。

5 總結(jié)與展望

通過對綠色低碳乳化瀝青膠結(jié)料的全面介紹和深入分析，本論文旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供全面而清晰的了解，為推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。希望通過這一研究，能夠?yàn)槲磥淼缆饭こ痰木G色、低碳、可持續(xù)發(fā)展提供有益的啟示和支持。

①瀝青作為一種新型綠色環(huán)保膠結(jié)料，對公路與鐵路的建設(shè)及其養(yǎng)護(hù)工程具有重要意義。

②適宜的乳化劑、合適的制備方法以及符合要求的膠體磨設(shè)備是制備性能良好乳化瀝青的主要條件。

③聚合物改性劑可以在乳化瀝青中形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升其使用性能，但需注意高摻量改性劑所帶來的負(fù)面影響。

④乳化瀝青在不同氣候和道路條件下的適用性、制備工藝的優(yōu)化等問題亟待解決。

⑤對普通乳化瀝青進(jìn)行改性，制備耐久性高性能乳化瀝青，使其應(yīng)用于高等級路面建設(shè)，這將有利于推動(dòng)綠色環(huán)保型道路的發(fā)展。