冷再生用陽離子乳化劑對瀝青性能的影響研究

中圖分類號：U416.03 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.012文章編號：1673-4874（2025）04-0042-04

0 引言

冷再生技術(shù)作為一種環(huán)保、經(jīng)濟的道路改造方法，因其能夠高效利用廢舊路面材料（RAP），減少新材料開采，降低碳排放，而受到了廣泛關(guān)注與研究[1-3]。冷再生技術(shù)通過將廢舊瀝青混合料破碎、篩分后，加入適量的新瀝青材料、添加劑及水，經(jīng)過混合、拌和、壓實等工序，形成滿足使用要求的路面材料[4-5]。其中，瀝青乳液作為冷再生混合料的關(guān)鍵組成部分，其性能會直接關(guān)系到再生路面的質(zhì)量和使用壽命。瀝青乳液是由瀝青與水分散體系通過加入乳化劑形成的穩(wěn)定懸浮液，而乳化劑的選擇對于乳液的穩(wěn)定性、與集料的黏附性以及最終路面的性能具有決定性作用[6-7。陽離子乳化劑，作為一類重要的乳化劑類型，因其良好的表面活性、與集料優(yōu)異的黏附性以及較好的環(huán)境適用性，在冷再生技術(shù)中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢[8-9]。其中，陽離子乳化劑中正電荷有助于增強與帶負電荷集料表面的相互作用，從而提高冷再生混合料的強度形成速度、黏附特性以及耐久性[10]。

本研究旨在通過系統(tǒng)的試驗設(shè)計與分析，綜合對比不同乳化劑、瀝青乳液以及乳液蒸發(fā)殘留物的性能，揭示冷再生用陽離子乳化劑對瀝青性能的影響規(guī)律。采用測試表面張力的方法獲得乳化劑的表面活性，并測試瀝青乳液顆粒的粒度分布情況與儲存穩(wěn)定性。通過直接加熱蒸發(fā)方式獲取瀝青乳液殘留物，并將其與基質(zhì)瀝青進行低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性以及疲勞性能的對比。

1試驗材料與測試方法

1.1 試驗材料

表1 70^? 基質(zhì)瀝青物理性能表

作者簡介：唐燦（1993一），工程師，主要從事公路交通工程建設(shè)工作。

表2冷再生用瀝青乳化劑基本性能表

1. 2 試驗方法

1.2.1瀝青乳液制備工藝

瀝青乳液的制備工藝如圖1所示。首先將 70^? 基質(zhì)瀝青加熱至140℃，使其呈熔融狀態(tài)；同時，把乳化劑加入到65 C 的水中，攪拌均勻，再滴加鹽酸調(diào)節(jié)pH為2.0，即得到皂液；然后將皂液倒入膠體磨并進行剪切，緊接著緩慢倒入瀝青，瀝青添加完后再剪切2min，最后獲得瀝青乳液。其中，瀝青的固含量為 64.0% ，乳化劑用量為2.5% 。由CSR、EA和KZW乳化劑制備的瀝青乳液分別命名為CSRAE、EAAE和KZWAE。

圖1陽離子瀝青乳液制備工藝示意圖

1.2.2 表面張力測試

采用自動表面張力測試儀器，將乳化劑配制成不同濃度的試驗樣品，并測試其表面張力，獲取表面張力曲線的變化拐點，拐點所對應的乳化劑濃度即為乳化劑的臨界膠束濃度（CMC）。

1.2.3激光粒度儀測試

先將瀝青乳液加到蒸餾水中稀釋，形成測試樣品，然后滴加到樣品池中，開始進行粒度測試。測試時，根據(jù)三次測試數(shù)據(jù)的平均值作為最后的粒度測試結(jié)果。其中，中位粒徑（D50）和第90百分位粒徑（D90）作為主要的評價指標。

1.2.4儲存穩(wěn)定性測試

按照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20一2011）（以下簡稱試驗規(guī)程）中的T0655試驗方法，測試不同冷再生用陽離子瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性。把瀝青乳液倒入儲存穩(wěn)定性管子中，蓋上封閉膠塞，平整放置；分別在第一天和第五天取出管子上下兩端的瀝青乳液各50g左右，并將其水分完全蒸干。上下兩部分的固含量差值為儲存穩(wěn)定性的評價依據(jù)。

1.2.5蒸發(fā)殘留物方法

根據(jù)規(guī)范《試驗規(guī)程》中的T0651方法，將瀝青乳液倒入加熱容器中，然后放置在加熱爐上，邊攪拌邊緩慢加熱。當水分基本被蒸發(fā)后，蒸發(fā)殘留物的質(zhì)量保持不變，再在163℃下繼續(xù)加熱1min，進而得到瀝青乳液蒸發(fā)殘留物。

1.2.6低溫性能測試

采用規(guī)范ASTMD6648，使用彎曲梁流變試驗儀測試瀝青在 -18° 環(huán)境下的變形能力，獲得評價指標蠕變速率 （m-νalue） 、蠕變勁度（S）以及兩者比值 （S/m） 。

1.2.7流變性能測試

參照《使用動態(tài)剪切流變儀測定瀝青黏合劑流變性能的標準試驗方法》（ASTMD7175），采用動態(tài)剪切流變儀測試瀝青在 30°C～90°C 的復數(shù)模量（ G^* ）、相位角變化情況，并計算車轍因子（ G^* /sinδ）作為高溫性能的評價指標。此外，還對瀝青在25℃條件下的疲勞性能進行了測試。

2 結(jié)果與討論

2.1表面活性

3種冷再生用陽離子瀝青乳化劑的CMC以及所對應的表面張力測試結(jié)果如圖2所示。乳化劑的CMC越小，說明其形成膠束所需的濃度越低，具有更好的表面活性。同時，CMC以及所對應的表面張力越小可以表明乳化劑的乳化能力越強。由圖2可知，EA乳化劑的CMC和表面張力最小，這說明EA乳化劑比其他兩種乳化劑擁有更強的表面活性，即使在較低濃度下也具有良好的乳化效果。相比于KZW乳化劑，CSR乳化劑的CMC和表面張力更小，說明其表面活性更好。由此可以推斷出，EA對瀝青的乳化效果應該最好，其次是CSR乳化劑。

2.2粒度分布情況

瀝青乳液的粒度分布情況，以及D50和D90的測試結(jié)果分別如圖3和表3所示。由圖3可知，相比于CSR瀝青乳液和KZW瀝青乳液，EA瀝青乳液的顆粒分布較為集中，且 10～100μ m的大尺寸顆粒百分比明顯更小。從表3可以得出，EA瀝青乳液的 D50 和D90均小于其他兩種瀝青乳液，說明其穩(wěn)定性更好。因為瀝青乳液的粒徑越小，受到的重力沉降作用以及顆粒間的相互作用力越小，減少了瀝青顆粒的團聚與分層，這越有利于瀝青乳液的長期儲存[11]。CSR瀝青乳液和KZW瀝青乳液的D50接近，但是KZW瀝青乳液的D90大于CSR瀝青乳液，說明其大尺寸瀝青顆粒占比更高，這可能會導致KZW瀝青乳液的儲存穩(wěn)定不足的問題。由以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，乳化劑的表面活性越好，所制備的瀝青乳液顆粒越小。

圖2陽離子瀝青乳化劑表面活性測試結(jié)果柱狀圖

圖3瀝青乳液粒度分布情況示意圖

表3瀝青乳液D50和D90粒度測試結(jié)果表

2.3儲存穩(wěn)定性

如圖4所示為瀝青乳液1d和5d的儲存穩(wěn)定性測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三種冷再生用瀝青乳液的1d儲存穩(wěn)定性均能達到 1.0% 的規(guī)范要求。經(jīng)歷5d后，瀝青乳液固含量差值顯著變大。其中，EA瀝青乳液仍然表現(xiàn)出最好的儲存穩(wěn)定性，從其5d儲存穩(wěn)定性最小可證明這一點。EA瀝青乳液優(yōu)異的穩(wěn)定性可歸因于乳化劑中存在空間位阻較大的分子結(jié)構(gòu)，高的空間位阻能夠有效防止瀝青顆粒之間的聚集，從而減少沉降的發(fā)生[12]。由KZW乳化劑所制備的瀝青乳液5d儲存穩(wěn)定性雖然明顯大于EA瀝青乳液，但是穩(wěn)定性 lt;5.0% ，說明其也能夠滿足長時間的儲存要求。此外，CSR瀝青乳液的5d儲存穩(wěn)定性 gt;7.0% ，這表明CSR乳化劑所制備的瀝青乳液不適合長時間的存放。綜合粒度分布情況以及儲存穩(wěn)定性測試結(jié)果可以進一步證明，瀝青乳液的穩(wěn)定性與瀝青顆粒具有較好的一致性，即瀝青顆粒越小，乳液穩(wěn)定性越好。

圖4瀝青乳液儲存穩(wěn)定性試驗結(jié)果柱狀圖

2.4 低溫抗裂性

基質(zhì)瀝青與三種瀝青乳液蒸發(fā)殘留物的低溫性能評價指標被匯總于圖5。由圖5可知，相比于基質(zhì)瀝青，三種瀝青蒸發(fā)殘留物的蠕變勁度均增大，而蠕變速率則變小，這表明蒸發(fā)殘留物的低溫性能相比于基質(zhì)瀝青較差。這種現(xiàn)象應該是兩個原因?qū)е碌模海?乳化劑中的小分子減弱了瀝青分子間的作用，導致瀝青的變形能力變差；（2）在瀝青乳液制備以及蒸發(fā)過程中，高溫環(huán)境會導致瀝青的老化，增加了瀝青的硬度與脆性。由于從蠕變勁度或者蠕變速率單方面難以評價不同乳化劑對瀝青低溫性能的影響，因此將兩者的比值作為主要評價指標。 S/m 的值越小，說明瀝青低溫性能越好。由圖5（c）可知，與EA瀝青乳液和KZW瀝青乳液相比，CSR瀝青乳液的 s/m 值較小，說明CSR乳化劑對瀝青低溫抗裂性能的負面影響最小。此外，EA乳化劑和KZW乳化劑對低溫性能的損害程度基本相同。

圖5瀝青蒸發(fā)殘留物低溫性能試驗結(jié)果柱狀圖

2.5高溫抗變形性能

從圖6展示的瀝青膠結(jié)料溫度掃描測試結(jié)果可知，乳化劑的加入導致瀝青的復數(shù)模量提高，相位角降低，說明乳化劑會增加瀝青的抗變形能力與彈性恢復性能。EA瀝青乳液比其他兩種瀝青乳液具有更大的復數(shù)模量以及更小的相位角，可以得出EA乳化劑對瀝青高溫性能提升效果更好的結(jié)論。這從圖7的車轍因子結(jié)果得到進一步證明。當車轍因子 =1.0kPa 時，基質(zhì)瀝青、EA瀝青乳液、KZW瀝青乳液和CSR瀝青乳液所對應的溫度分別為 以及 70.6° 。EA乳化劑提高了基質(zhì)瀝青的關(guān)鍵溫度3.7℃，比KZW和CSR乳化劑的提升效果更明顯。這表明三種乳化劑的加入可提升冷再生瀝青混合料的高溫抗車轍能力，且EA乳化劑改善效果更好。

2.6疲勞壽命

圖6瀝青蒸發(fā)殘留物高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果曲線圖

圖7瀝青蒸發(fā)殘留物車轍因子試驗結(jié)果曲線圖

基質(zhì)瀝青與三種瀝青蒸發(fā)殘留物在不同應變水平下的疲勞性能測試結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在2.5% 應力水平下，CSR、EA以及KZW乳化劑分別提高了瀝青疲勞壽命82. 9% .96. 2% 和 83.5% 。同時，在 5.0% 應力水平下，提升幅度分別為63. 0% 、81. 9% 以及56. 3% 。這說明瀝青的疲勞性能在乳化劑的作用下得到了顯著的提升，其中EA乳化劑的改善效果最好。這是因為乳化劑提高了瀝青的抗變形能力以及彈性恢復能力，減緩了瀝青發(fā)生疲勞損傷的過程。其中，EA乳化劑中可能存在提高瀝青拉伸強度的高分子材料，可進一步改善瀝青的抗剪切變形能力，增強瀝青的抗疲勞損傷性能。

圖8瀝青蒸發(fā)殘留物疲勞性能試驗結(jié)果曲線圖

3結(jié)語

本研究選用了CSR、EA和KZW三種冷再生用陽離子瀝青乳化劑來制備瀝青乳液，對乳化劑的表面活性進行了評價，測試了不同瀝青乳液的粒度分布情況以及儲存穩(wěn)定性，并探究了瀝青在乳化劑作用下高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞壽命的變化情況，得出了以下主要結(jié)論：

（1）冷再生用陽離子乳化劑的表面活性會直接影響瀝青乳液的顆粒尺寸，從而影響其儲存穩(wěn)定性。其中，EA具有更強的表面活性，更有利于瀝青乳液的長期存儲。

（2）乳化劑的加入會導致瀝青低溫性能明顯下降。綜合考慮蠕變勁度與蠕變速率情況下，發(fā)現(xiàn)CSR乳化劑對瀝青低溫抗裂性能的負面影響最小。

（3）瀝青的高溫抗變形能力在乳化劑的作用下得到增強。相比于其他兩種乳化劑，EA乳化劑的改善效果最好，使瀝青車轍溫度提高了3.7℃。

（4）無論是在低應力還是高應力水平，三種乳化劑對瀝青的疲勞壽命的提升幅度均 550% 。其中，EA乳化劑的增幅 gt;80% 。

參考文獻

[1夏天文.乳化瀝青冷再生混合料早期強度影響因素研究J」西部交通科技，2024（11）：64-67.

[2汪海年，焦虎，徐寧，等.乳化瀝青冷再生混合料強度提升措施研究進展[J].交通運輸工程學報，2024，24（3）：48-68

[3石磊.基于不同纖維的冷再生乳化瀝青混合料性能試驗J」交通世界，2024（28）：32-35

[4袁鵬偉.基于冷再生技術(shù)瀝青路面車轍變形與疲勞壽命分析[J]市政技術(shù)，2024，42（7）：133-139，189.

[5]何山.瀝青路面廠拌乳化瀝青冷再生技術(shù)研究[J].運輸經(jīng)理世界，2024（31）：22-24.

[6]李強，張磊，翁波，等.熱致變色改性乳化瀝青路用性能試驗[J/OL].林業(yè)工程學報，2024：1-7[2024-12-11].https：//doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.202404001.

[7張政基，李東釗，李攀，等.不黏輪乳化瀝青的性能研究LJ」.山東化工，2024，53（22）：76-78，83.

[8]盧曉，唐新德，陳曉東，等.陽離子瀝青乳化劑的制備及應用進展[J].應用化工，2021，50（增刊2）：269-273，288

[9延麗麗，孫超.乳化瀝青廠拌冷再生下面層配合比設(shè)計研究_J]內(nèi)蒙古公路與運輸，2022（1）：29-32

[10]季士躍.乳化瀝青冷再生基層應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2018.

[11]OuyangJ，MengY.Quantitativeeffectofdropletsizeandemulsionviscosityon thestoragestabilityofasphaltemulsion[J].Construction and Building Materials，2022（342）：127994.

[12盧曉，唐新德，陳曉東，等.聚氧乙烯醚型高分子陽離子瀝青乳化劑的合成與性能[J.建筑材料學報，2023，26（3）：283-288.

收稿日期：2025-01-20