（化学工程专业论文）改性乳化沥青的制备及性能.pdf

摘要 本文论述了国内外乳化沥青及改性乳化沥青的发展过程、研究与应用；介绍了乳化 沥青的形成和乳化机理、稳定机理、制备技术及配套技术进展；分析了改性乳化沥青的 配伍性和储存稳定性，筛选出符合要求且性能优良的制备材料；考察了乳化剂种类及剂 量、改性剂、p h 值、稳定剂等重要因素对改性乳化沥青蒸发残留物性质及储存稳定性 的影响规律。 选用丁苯( s b r ) 胶乳为改性剂，分别筛选了三种不同的乳化剂及稳定剂制备s b r 改性乳化沥青，对制备s b r 改性乳化沥青性能的影响因素进行了考察，并测试了s b r 改性乳化沥青的各项性能指标。结果表明，采用二次热混合工艺，乳化溶液p h 值5 - 6 ， 油温1 2 0 ，水温6 0 的条件下，以b 乳化剂1 0 ，s b r 胶乳3 ( 干基) ，氯化铵o 2 的组分配合比，制备的改性乳化沥青达到交通部j t g f 4 0 2 0 0 4 的质量要求。通过制备的 普通乳化沥青和s b r 改性乳化沥青的各项性能指标对比，发现s b r 改性乳化沥青的高 温稳定性、低温抗裂性、弹性、粘结性均优于普通乳化沥青的相应性能。 以复合乳化剂制备了符合规范要求的s b r 改性乳化沥青，论证了采用复合乳化剂 可节约乳化剂的用量，提高生产经济效益。实验证明，采用b 和a 复合乳化剂，复配 比例3 ：1 时，可节省乳化剂用量约3 0 。制备了强渗透改性乳化沥青，研究了该材料的 渗透深度，讨论了其作为透层油时所带来的经济效益。结果表明，该强渗透型沥青乳液 的渗透深度可达到5 1 0 m m ，而普通乳液的渗透深度仅l 一- 2 m m 。 在以上研究基础上，对强渗透型沥青乳液进行改良，制备了两种雾封层材料。通过 雾封层技术现场工程实验对比，发现这两种材料的渗透力较强，施工后其渗透深度可以 达到约6 m m ，均能粘结道路松散集料，改善路面外观，路面施工质量明显提高，防止 路面水的渗入，减少水损坏，施工后路面的渗水系数可降低约7 0 ，而路面的摩擦系数 仅下降了约1 0 。 关键词：s b r 胶乳，乳化沥爵，改性，渗透性，雾封层 a bs t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r o g r e s so fa s p h a l te m u l s i o n ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s t h e g e n e r a li n t r o d u c t i o nw e r eg i v e na b o u tt h ep r e p a r a t i o n o fa s p h a l te m u l s i o n ，e m u l s i f i e d m e c h a n i s m ，s t a b l em e c h a n i s ma n ds oo n t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ec o m p a t i b i l i t ya n d s t o r a g es t a b i l i t yo fm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t ，s e l e c t e dt om e e tt h en e e do fm a t e r i a l s a c c o r d i n gt ot h er e l a t e dt e s t s ，i ti sf o u n dt h a tt h et y p ea n dd o s a g eo fe m u l s i f i e r , m o d if i e r , p h v a l u e ，a n do t h e rf a c t o r sh a v ei m p o r t a n ti n f l u n c eo nt h es t o r a g es t a b i l i t yo f t h ee m u l s i o n s b rm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l tw e r ep r e p a r e dt h r o u g ht h eu s eo fs b rl a t e xa s m o d i f i e r s ，m e a n w h i l et h r e ed i f f e r e n tt y p e so fe m u l s i f i e r sa n ds t a b i l i z e r sw e r es e l e c t e d r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fp r e p a r a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e d ：b y p r o c e s so fe m u l s i o na tt h es a m et i m ea n dm o d i f i c a t i o n ，w h e nt h ep ho fe m u l s i o n5 6 ， a s p h a l tt e m p e r a t u r e1 2 0 。c ，t h ew a t e rt e m p e r a t u r e6 0 * ( 2 ，t h ec o m p o n e n t sm i xo fbe m u l s i f i e r 1 0 ，s b rl a t e x3 ( a s p h a l t ) ，a m m o n i u mc h l o r i d eo 2 ，t h eq u a l i t yo ft h ep r e p a r e dm o d i f i e d e m u l s i f i e da s p h a l tc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm i n i s l r y h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y , l o w t e m p e r a t u r ef a c t u r er e s i s t a n c e ，e l a s t i c i t ya n db o n dp r o p e r t yo fm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l ta r e p r o v e db e t e rt h a nr e l e v a n tp e r f o r m a n c eo f c o m m o ne m u l s i f i e da s p h a l t b yc o m p o s i t e se m u l s i f i e rs b rm o d i f i e da s p h a l te m u l s i o nt oc o m p l yw i t hr e g u l a t o r y r e q u i r e m e n t sw e r ep r e p a r e d t h r o u g ht h eu s eo fba n dac o m p o u n de m u l s i f i e r , t h er a t i oo f 3 ：1m i x t u r e s ，t h ea m o u n to fe m u l s i f i e rc a nb es a v e da b o u t3 0 t h ep a p e ra l s op r o d u c e dt h e s t r o n gp e n e t r a t i o no fa s p h a l te m u l s i o n s t r o n gp e n e t r a t i o no fa s p h a l te m u l s i o nc a nr e a c ht h e p e n e t r a t i o nd e p t ho f5 - 。10 m m ，a n da no r d i n a r ye m u l s i o no n l y1 - - - 2 m m b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h ep a p e rp r o d u c e dt h et w ot y p e so ff o gs e a lm a t e r i a l sb y t h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fs t r o n gp e n e t r a t i o no fa s p h a l te m u l s i o n t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v e s t u d yo fe n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a l ，t h et w om a t e r i a l sc a nb ef o u n dt op r e v e n ti n f il t r a t i o no f s u r f a c ew a t e lr e d u c ew a t e rd a m a g e ，b o n dl o o s e l ya g g r e g a t e s a f t e rc o n s t r u c t i o nt h et w o m a t e r i a l sc a nb ea c h i e v e dp e n e t r a t i o nd e p t ho fa b o u t6 m m ，r o a ds e e p a g ec o e f f i c i e n tc a n r e d u c ea b o u t7 0 a n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e db yo n l ya b o u t1o k e yw o r d s ：s b re m u l s i o n ，a s p h a l te m u l s i o n ，m o d i f y i n g ，p e r m e a b i l i t y , f o gs e a l i l 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：乏丕霪重 指导教师签名： 冽多年多月日 谚昂 1 鲥肛日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特l t l d l 以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：泻字留 冲罗年月z 日 两北人学硕 ：学位论义 1 1 课题的提出 第一章前言 最近十几年，我国以公路建设为重点，有效地加快了放射与网络相结合的国道公路 网的建设步伐，特别是高速公路通车罩程逐年增长。1 9 9 8 年底，我国高速公路通车总里 程达到6 2 5 8 公里，居世界第八；2 0 0 1 年底达到1 9 万公里，居世界第二。截止2 0 0 7 年 底，我国公路总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里；2 0 0 8 年我国新修高速 公路6 4 3 3 公里，高速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，继续居世界第二位。按照2 0 0 5 年公布的高速公路网发展规划，我国正在全力以赴地加快国家高速公路网主骨架建设， 到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网，届时，高速公路通车总里程将达1 0 万公里1 1 】。 随着我国高等级公路里程大幅度增加，公路技术状况得到了明显的改善和提高，有 效缓解了交通运输的紧张状况。但从总体上说，公路基础设施依然薄弱，特别是储备能 力和应变能力不足。仅靠新建工程和总量扩张，并不能适应社会经济的发展，必须通过 对现有路网的技术改造和强化科学养护管理，由原有的被动型、应急型的传统养护方式， 向预防型、周期型的科学化、现代化养护方式转变，充分挖掘现有公路网的潜力，才能 适应形势发展需要f 2 】。另外，由于我国公路建设起步晚，以及气候和交通荷载条件恶劣， 以及受施工、材料、管理等各方面的影响，相当一部分公路沥青路面的使用情况并不如 人意，甚至在通车头几年就不得不进行大规模的维修车辙、开裂、泛油等早期损坏现象。 面对这一新形势、新特点，对于已损坏的公路，研究利用新材料、新工艺进行快速、高 效的养护，延长公路的使用周期，已迫在眉捷。 大量的研究与事实表明，乳化沥青具有能够冷施工、提高沥青与集料的粘附性及拌 和均匀性、并节约1 0 - 2 0 的沥青原料、减少环境污染等优点，已被普遍的应用于公 路的养护中【3 1 。然而，现代工程对乳化沥青在低温条件下应有的弹性和塑性、在高温时 应具有足够的强度和热稳定性、在使用条件下的抗老化能力、与各种工作结构表面的粘 结力以及耐劳性提出了更高的要求，因此改性乳化沥青应运而生。改性乳化沥青是以乳 状液高分子聚合物对乳化沥青进行改性或者以高分子聚合物改性沥青进行乳化所得到 的产品。改性乳化沥菏兼有改性沥青和乳化沥青的优点，还弥补了它们的不足，如热稳 定性较高，软化点有所提高，其成膜性、粘附性、b 可弹性能、低温性能提高。改性乳化 沥青的应用范围十分广泛，可以喷洒使用，做桥面防水粘结层，也可以与级配集料拌和 第一章前击 使用，用于稀浆封层、微表处、碎石封层、c a p e 封层等对路面进行养护【4 1 。改性乳化沥 青在提高路面平整、耐磨、防水等性能，具有施工快、路面质量好、省燃料、工程造价 低、减少环境污染、降低劳动强度、延长施工季节等特点f 5 1 。因此，制备高品质的改性 乳化沥青势在必行。 1 2 改性乳化沥青的国内外研究现状 在国外，改性乳化沥青的研究和应用有很长的历史并且取得了令人瞩目的成绩。改 性乳化沥青在稀浆封层及微表处技术中的应用最为广泛。2 0 世纪4 0 年代，国外就丌始 应用乳化沥青稀浆封层技术；6 0 年代以后，发现阳离子乳化沥青具有更快的固化时间， 把阳离子乳化沥青用于稀浆封层具有较短固化时间，并且对矿料的要求也较低，进一步 推动了稀浆封层技术的广泛应用。2 0 世纪7 0 年代左右，德国科学家使用精心挑选的沥 青及其混合物，加入聚合物和乳化剂，摊到深陷的车辙上，形成了稳定牢固的面层，聚 合物改性乳化沥青稀浆封层技术也就从此问世，美国、澳大利亚于2 0 世纪8 0 年代初开 始采用这项技术【3 1 。与普通稀浆封层相比，聚合物改性乳化沥青稀浆封层混合料，由于 采用高分子聚合物对乳化沥青进行改性，从而使其高温热稳定性，低温抗裂性、耐久性 以及与石料粘附性等路用性能均得到大幅度提高。聚合物改性乳化沥青稀浆封层己被认 为是修复道路车辙及其他多种路面病害最有效、最经济的手段之一。它在欧美和澳大利 亚已得到普及，并且正在向世界其他地区推广。时至今日，国外对高等级公路的维修和 养护从路面材料摊铺设备、路面的使用寿命测定、残余寿命的计算、维修养护方法等等 已经形成了一整套全面的技术【6 l 。 在我国，2 0 世纪8 0 年代中期，国家“七五”、“八五”科技攻关时，重点推广了乳 化沥青应用和稀浆封层技术，稀浆封层技术被列为交通部“八五期间重点推广应用项 目，填补了我国道路表面薄层施工技术的项空白【7 l 。1 9 8 1 年我国开始在援建赞比亚赛 曼公路上铺了乳化沥青稀浆封层双层表面处治，取得了良好的路用效果。1 9 8 7 年辽宁省 组织了力量对稀浆封层进行了研究，并参照赛曼公路工程中使用的s b 一8 0 4 型稀浆封层 摊铺机，研制出了自行式和拖挂式稀浆封层摊钠机，为我国推广应用稀浆封层施工技术 创造了条件。现在我国大部分省、市、自治k 的公路部门都已在应用稀浆封层，取得了 明硅的经济效益和社会效益。随着国外改竹：乳化沥菏稀浆封层技术的发展，交通部也积 极致力于组织各省市丌展这方面的研究，总结实践经验，制定相关试验规程和技术规范。 我国1 9 9 9 年就丌始对微表处技术进行研究，2 0 0 0 年微表处技术丌发列入困家经贸委组 2 两北人学顾 ：学位论义 织的“国家技术创新计划”。2 0 0 1 年微表处技术列入交通部西部交通建设科技项目计划， 在四川、内蒙、天津、上海、辽宁等地也铺筑了大量试验路。京石高速公路、石安高速 公路、杭甬高速公路都铺筑了改性乳化沥青稀浆封层试验段，北京六环及上海的沪嘉、 沪宁、沪杭养护工程试验路段也成功采用了微表处理技术【8 9 1 。我国还研究开发了复式 微表处，它是细级配底层和粗粒径断级配表层的叠合，具有良好的密实防水性和抗滑性， 还具有应力吸收作用。 1 3 本文研究思路和内容 本文筛选出性能优良且相互匹配的基质沥青、乳化剂、改性剂和稳定剂，制备改性 乳化沥青；再进一步改良制备出强渗透型沥青乳液。然后，以制备的强渗透沥青乳液、 成膜剂、填料、丁苯胶乳等为原料，制备沥青路面养护用的雾封层材料。 首先考察不同乳化剂及乳化体系对沥青的乳化效果，选择出效果最好的乳化剂和乳 化体系，通过实验考察制备工艺及具体的参数，选择出较好的制备工艺及参数；再对制 备的改性乳化沥青的各项性能进行分析评价，评测是否能够满足标准规范的要求，并进 一步考察改性剂对基质沥青性能的影响。其次在以上试验的基础上，制备性能优良的雾 封层材料，评测该材料的路用性能。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 沥青乳化、稳定机理的探讨，分析影响改性乳化沥青综合性能的因素；实验室 改性乳化沥青制备工艺探讨；以及不同乳化剂和乳化体系对沥青的乳化效果考察与结果 分析，选出乳化效果最好的乳化剂和乳化体系。 ( 2 ) 分析制备的改性乳化沥青的稳定度和破乳性，得出制备改性乳化沥青的乳化剂 量、p h 值、乳化温度的较佳值；制备不同改性剂含量的改性乳化沥青，研究改性剂对 沥青性能的影响，并确定出改性剂的较佳用量。 ( 3 ) 分析改性乳化沥青的稳定机理，评价稳定剂种类及剂量对其稳定性的影响，并 提出合理的改善措施；测定制备的改性乳化沥青各项性能指标，确定产品的合格性。 ( 4 ) 采用复合乳化剂制备性能优良的改性乳化沥青，分析复合乳化剂对改性乳化沥 青稳定性及其他性能的影响；强渗透改性乳化沥青的制备，并检测其渗透深度。 ( 5 ) 制备沥青路岍预防性养护用的雾封层材料，并进行雾封层施工质量验收和雾封 层技术效果评价。 3 第二二章文献综述 2 1 乳化沥青的形成 2 1 1 乳化沥青简介 第二章文献综述 弟一早义陬琢怂 乳化沥青就是将沥青热融、经过机械的高速剪切作用，将沥青破碎成微小颗粒分散 于含有乳化剂的水溶液之中，形成一种均匀分散胶体。这种胶体的乳状液在常温下呈液 态，沥青含量在4 0 - - 一6 5 ，形成水包油( o w ) 型乳液，其余为水和乳化剂及稳定剂； 若沥青的含量提高到7 0 ，则将形成油包水( 、o ) 型乳液。普通沥青乳液的颗粒一般 为1 - - 一2 0 9 m ，其典型的颗粒粒径r ( r u n ) 分布为：r 5 1 5 。 沥青乳化剂的基本作用是降低表面张力，其分子带有亲水性的极性基团和憎水性的 非极性基团。在沥青一水体系中，乳化剂分子的憎水基团吸附于沥青的表面，并使其带 有电荷，而亲水基团则进入水相，从而将沥青颗粒与水连结起来，降低了两者之间的界 面张力。同时，由于沥青粒子带有同样电荷而互相排斥，阻止了它们之间的互相凝聚， 使沥青乳液保持一定时期的均匀和稳定。 沥青乳液与矿料接触后，由于水分的蒸发及乳液和矿料的静电作用等，乳液中水分 逐渐散失，并使沥青粒子互相凝聚称为沥青乳液的破乳。乳液破乳过程中其颜色、粘结 性及稠度等方面都发生了变化，破乳后乳液中的沥青又恢复到乳化前的性能，并形成初 始的沥青膜会使矿料颗粒间粘结在一起。这种乳液的分解破乳所需要的时间，为沥青乳 液的分解破乳速度，影响乳液破乳速度的主要因素有：施工时气候条件、骨料孔隙率、 粗糙度和干湿度、骨料级配和矿物成分、乳化剂种类与用量等。 2 1 2 乳化沥青的乳化机理n 伽 ( 1 ) 降低界面张力的作用 沥青乳化剂是一种表面活性剂，基本的作用就是降低水的表面张力，从而使沥青颗 粒与水连接起来。对于乳化沥青来说，沥青与水互不相容，直接将沥青分散到水中需要 克服巨大的界面张力，施加的能量很大，且分散成很小的沥青颗粒的比表面积很大，这 样就使得产生的乳化沥青体系具有很高的能量状态，所以难以稳定的储存，因此制备乳 化沥爵时降低水的表面张力足必需的。沥青乳化刹就具有这个功能，增加乳化剂可以极 人地降低水与沥青的界面张力，从而降低乳液的能量状态，增加乳液的稳定性。 4 两北人学硕i ：学位论义 ( 2 ) 界面电荷的稳定作用 通常稳定的沥青乳液中沥青微滴都带有电倚，其主要来源于电离、吸附和沥青微滴 与水之间的摩擦。电离与吸附带电是同时发生的，例如阳离子乳化剂吸附于沥青微滴表 面时，伸入水中的极性基团电离而使沥青微滴带正电荷。 ( a ) 阳离子沥青乳液( b ) 阴离子沥青乳液 图2 - 1 沥青乳液中沥青一水界面上电荷层 f i g2 - 1 t h ec h a r g el a y e ro fa s p h a l te m u l s i o na s p h a l t - w a t e ri n t e r f a c e 沥青一水界面上电荷层结构，一般为扩散双电层分布( 图2 1 ) 。双电层由两部分组 成，第一部分为单分子层，基本固定在界面上，这层电荷与沥青微滴的电荷相反，称为 吸附层；第二部分由吸附层向外，电荷向水介质中扩散，称为扩散层。由于每一沥青微 滴界面都带相同电荷，并有扩散双电层的作用，因此沥青一水体系能稳定的存在。 ( 3 ) 界面膜的作用 在沥青一水体系中足够量的乳化剂分子吸附在沥青和水界面上，形成界面膜起到屏 障作用，如图2 2 所示。由于界面膜的屏障作用，阻碍了乳液胶团的靠近越过势垒，即 使个别胶团越过势垒，也因为界面膜的屏障而不能迅速的聚结。 图2 - 2 乳化剂在沥青微滴表面形成的界面膜 f i g2 - 2 t h ei n t e r f a c i a lf i l mf o r m e do nt h es u r f a c eo fa s p h a l te m u l s i o nd r o p l e t s 有的界面膜具有很高的界面粘弹性，这种粘弹性使得界面膜具有扩张性和叮压缩 性，界面膜受到破损时，它能使膜愈合。还有的界面膜强度很大，使得乳化剂在沥青一 水界面上的释出4 ；易发生，且有时释m 的乳化剂能以纤维状或阎棚形式出现，不再网到 5 第二章义献综述 溶液中去，仍旧聚集在界面上，界面膜变厚或起皱，沥青微滴被很厚的界面膜包围，使 沥青乳液具有很高的稳定性。 综上所述，沥青乳液之所以能形成高稳定的分散体系，主要是由于乳化剂降低了体 系的界面能、界面电荷的斥力和界面膜的形成。在乳化沥青的稳定因素中，界面膜的影 响最大，电荷影响次之，界面张力的降低相对前两者来 兑较小。 2 2 沥青乳液的制备技术 2 2 1 乳化沥青的制备1 国际上制备沥青乳液的方法主要有两种： ( 1 ) 胶体磨法。胶体磨是目前制备乳化沥青使用最多的乳化设备，主要包括转子和 定子两部分，转子在定子中高速旋转，两者的间隙约为0 2 5 t 0 5 m m ，可以调节。由于 定子、转子之间有可调的间隙，每分钟转速可达数千转或上万转，是比较理想的胶体分 散设备。制备沥青乳液时，沥青和乳化剂水溶液进入胶体磨后受到强剪力作用，使沥青 破碎成很小的微滴，微滴表面带有电荷，相同电荷的静电排斥阻止微滴互相聚合。所得 产品的沥青颗粒分布均匀，粒径平均为l 2 岬。随着时代的发展，胶体磨在材料、体 形设计等上有很大的改进和提高，但其基本组成没有很大的改变，主要是通过定子、转 子之间由于高速运转所产生的剪切力而起到研磨、分散作用。 ( 2 ) 搅拌器法。搅拌器是最简单的乳化设备，装有桨叶，其位置需偏离搅拌器的中 心，以免形成旋涡。制备沥青乳液时，先把乳化剂水溶液倒入槽内，开动搅拌器使叶片 轴旋转，然后将热沥青徐徐倒入，就可得到暗褐色的沥青乳液。搅拌器法特点是简单易 行，但生产效率低，所得沥青乳液均匀性差一些，有的沥青颗粒小于l l x m ，有的则大于 l o g m 。搅拌器的形式很多，其结构大小和搅拌轴转速相差很大，搅拌轴的速度大多在 8 3 - - - 一2 0 0 r s 之间，搅拌槽的容量根据用途和生产规模有许多规格，实验室用的可小到 o 1 2 l ，生产用的可大到2 5 0 0 l 。 2 2 2 改性乳化沥青的制备 改性乳化沥青的制备主要是对沥青进行改性和乳化，根据改性和乳化的先后顺序不 同可以分为先乳化后改性、先改性后乳化两种：【艺过程。 ( 1 ) 乳化沥青的改性 乳化沥青的改性是以乳化沥青为基料，以乳状液的商分子聚合物作为改性剂，时 6 两北人学颂i j 学位论文 加入适当的分散稳定剂及其他的微量配合剂制备而成。对乳化沥青的改性，根据改性剂 加入方式的不同其制备方法一般有三种【1 2 , 1 3 】：二次热混合法，又称为水溶乳化法；一次 热混合法，又称外掺法；一次冷混合法。详细介绍见3 3 2 节。二次热混合法和次热 混合法分散性良好，改性效果较佳。一次热混合法是将改性剂胶乳与乳化沥青经过一次 一次热混合分散过程而形成改性乳化沥青，改性效果不如二次热混合法，且其工艺流程 长，能耗较高。一次冷混合的混合温度较低，工艺简单，但是沥青与胶体微粒的吸附、 分散、渗透作用程度有限，分散性不如前两种，改性效果也较前两种差。 ( 2 ) 改性沥青的乳化 改性沥青乳化的方法是：首先通过溶剂溶解或机械剪切作用，使橡胶、塑料等高分 子聚合物类的改性剂以细小的微粒均匀分散在沥青中，并以各种形式交联后形成网状结 构，致使沥青性能得到大大的提高，从而生产出改性沥青；然后再以生产出的改性沥青 成品进行乳化生产改性乳化沥青。 改性沥青的乳化在技术方面存在以下难题【1 4 1 ：对沥青改性时，需采用剪切力很强的 设备来进行，但剪切力太强时，剪切作用会使形成的网状结构破坏，改性效果下降；改 性沥青极难乳化，要求性能极优的乳化剂才能乳化；乳化时改性沥青与皂液温差较大， 容易发生沸腾，致使乳化难以进行；乳化后的成品温度较高，易引起刚生产的乳液破乳； 改性沥青的密度大，乳化后的沥青颗粒粒度较大，储存稳定性差。 何会成，杨奇竹等人【1 5 】对以上两种制备工艺进行了对比试验，研究了乳化s b s 改 性沥青和s b r 改性乳化沥青的生产。研究表明，s b r 改性乳化沥青相对容易生产，乳 化终了温度较低，在常压下生产也不会出现局部汽化破乳及结皮现象，乳化设备不需加 压冷却装置；s b s 改性沥青乳化时，沥青加热温度高，乳化终了温度最高可接近9 0 。c ， 常压生产可导致局部汽化破乳及结皮现象，乳化设备需有加压冷却装置，初始设备投资 费用高。 综上所述，对改性沥青进行乳化时，还存在些技术上的难题，生产工艺复杂，设 备要求高，初始设备投资费用较高。同时，制备含橡胶成分高的橡胶沥青时，由于粘度 大使沥青流动困难，且固体橡胶溶解时使用到石油溶剂，由于易燃的溶剂产生蒸汽，造 成环境污染和成本高等。因此，本文在制备过程中选用乳状液胶乳改性剂，采用了对乳 化沥青进行改r 锄，j 工艺。 2 2 3 改性乳化沥青的稳定机理 7 第二章文献综述 将乳化沥青进行改性过程中，乳化沥青与胶乳在机械的强烈作用下，打破各自原来 的平衡，重新建立起一种新的平衡。两乳液混合时某个沥青微珠( a 微珠) 受到机械作 用，界面膜上某些乳化剂分子脱离开原来界面，从而导致整个界面膜破裂。同时某一橡 胶粒子( r 粒子) 界面膜也发生破裂，那么a 微珠将与r 粒子相互碰撞。由于沥青与 橡胶有良好的相容性和亲和性，于是相互吸附、扩散、渗透、溶合为一体，成为沥青橡 胶。脱离丌原界面的沥青乳化剂分子和橡胶乳化剂分子进入水溶液中，在机械的强烈作 用下，相互均匀混合在一起。融为一体的沥青橡胶又立即受到机械的作用，被剪切分割 成微小的颗粒一沥青橡胶微粒( a f r 微粒) ，均匀混合在一起的沥青乳化剂和橡胶乳化 剂两种分子将向a r 微粒靠拢，亲油基端插入a r 中，亲水基端插入水中形成新的界 面膜。在新的界面膜上既有沥青乳化剂分子，又有橡胶乳化剂分子。一种理想的状态是 两种分子均匀相间排列，如图2 3 。新界面膜外层乳化剂分子亲水基的亲水作用，结果 形成牢固的水合层。同样也由于离子型乳化剂分子在水溶液中的电离，在界面膜外层形 成界面电荷层，同时也形成扩散双电层，如果橡胶胶乳乳化剂是非离子型的，同样也可 形成致密的界面膜，只是界面电荷层上的电荷数目相应地减少。但是由于非离子型乳化 剂具有亲水性强的特点，界面水合层将会比离子型更为牢固。 黪， 沥青徽臻 ( a 徽珠) 橡丑多事立子 ( r 章立子) 沥青旃救徽控 ( a i ，r 教粒) 图2 - 3 沥青一橡胶微粒形成过程示意图 f i g2 - 3 t h ef o r m a t i o no fa s p h a i t r u b b e rp a r t i c l e s 沥青乳液与橡胶乳液混合过程中，沥青微粒a 与橡胶微粒r 并非像上述分析的理 想均匀混合，溶为一体，由于在实际中受到各种因素的影响，它们的存在状态也有各种 各样。存在四种微粒：均匀a r 微粒、非均匀a r 微粒、a 微粒、r 微粒，四种微粒的 比例直接影响改性效果，a r 粒子的比例越高，改性效果越好，而四种微粒所占比例多 少取决于沥青橡胶乳液的制备方法酬。分散体系中乳化剂分子的重新分布和排伽，导致 乳化剂分f 在a g 微粒表暗i 形成的界面膜隔开了a r 微粒弓水的界面、界面水合层隔 开了a r 微粒之问的界面、界面电荷层使a r 微粒互相排斥而不聚结、扩散双电层使 8 西北人学顾l ：学位论文 a r 微粒在水相中均匀分散，这四种作用的综合结果使沥青橡胶乳液相对稳定。 综上所述，对于乳化沥青的改性，其稳定性主要是受到制备沥青乳液的乳化剂和改 性剂胶乳的影响。乳化沥青和改性剂胶乳两乳液必须同时满足下列条件时才能稳定共 存：两种乳液所用乳化剂的离子类型应相同；沥青乳化剂能满足对橡胶的乳化要求，橡 胶乳化剂也能满足对沥青的乳化要求；橡胶胶乳与沥青乳液密度应相同或尽量接近；两 乳液p h 值同在酸性或同在碱性范围内，且p h 值相同或尽量接近；两乳液表面张力应 相同或尽量接近。 2 3 乳化沥青及改性乳化沥青技术标准 随着乳化沥青技术的不断发展，以及改性乳化沥青在的大力推广应用，致使我国早 先制定的道路用乳化沥青技术要求已不能满足生产的需要。在此情况下，交通部对 原标准进行了修订，制定了公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 【1 7 】。其中规 定了乳化沥青及改性乳化沥青的品种和适用范围以及质量要求，如表2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ： 表2 - 1 乳化沥青品种及适用范围 t a b2 - 1t h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fe m u l s i f i e da s p h a l t 分类品种及代号适用范围 p c 1 表处、贯入式路面及下封层用 p c 2 透层油及基层养生用 阳离子乳化沥青 p c 一3 粘层油用 b c 1 稀浆封层或冷拌沥青混合料用 p a 1 表处、贯入式路面及下封层用 p a 2 透层油及基层养生用 阴离子乳化沥青 p a 3 粘层油用 b a l 稀浆封层或冷拌沥青混合料j j p n 一2 透层油用 哲离f 乳化沥青 b n 1 与水泥稳定集料同时使朋( 基层路拌或再生) 9 第二章文献综述 表2 - 2 道路用乳化沥青的技术要求 t a b2 - 2t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fe m u l s i f i e da s p h a l t 粘度 破乳速度 粒子电荷 筛上剩余量不大于 蒸发残 留物 快裂或慢裂或快裂或慢裂或 快裂慢裂 中裂中裂 阳离子( + ) o 1 快裂慢裂 中裂中裂 阴离子( 一) 0 1 慢裂慢裂t 0 6 5 8 恩格拉粘度计e 2 5 2 l ol - 61 62 3 02 - 1 0i - 6l - 62 3 01 非离子t 0 6 5 3 o 1t 0 6 5 2 62 3 0t 0 6 2 2 道路标准粘度计c 2 5 3 s1 0 2 58 - 2 08 - 2 01 0 - 6 0i o 2 58 - 2 08 - 2 01 0 6 08 - 2 0l o - 6 0t 0 6 2 1 残留分含量不小于5 0 溶解度不小于 5 05 05 5 9 7 5 5 05 05 05 5 9 7 5 针入度( 2 5 ) d m m5 0 - 2 0 05 0 - 3 0 0 4 5 1 5 05 0 2 0 05 0 - 3 0 04 5 1 5 0 延度( 1 5 ) 不小于 c m4 0 与粗集料的粘附性， 裹附面积不小于 与粗、细粒式集料拌和试验 水泥拌和试验的筛l ：剩余 不大于 均匀均匀 5 05 5t 0 6 5 l 9 7 5t 0 6 0 7 5 0 - 3 0 06 0 3 0 0t 0 6 0 4 4 0t 0 6 0 5 2 3 一 。t 0 6 5 4 t 0 6 5 9 3t 0 6 5 7 常温贮存稳定性： l d 不大于ll lt 0 6 5 5 5 d 不大f 555 表2 - 3 改性乳化沥青的品种和适用范围 t a b2 - 3t h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t 品种代号适j i 范围 喷洒掣改性乳化沥青p c r粘层、封层、桥面防水粘结层i j 改性乳化沥青 拌和川乳化沥青 b c r 改性稀浆封层平i i 微表处川 1 0 两北人学硕i ：学位论义 表2 - 4 改性乳化沥青技术要求 t a b2 - 4t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t 粘度 破乳速度 粒子电荷 筛上剩余量( 1 1 8 m m ) 不大于 蒸发残 留物 恩格拉粘度e 2 5 沥青标准粘度c 2 5 ，3 含量不小于 针入度( 1 0 0 9 ，2 5 c ，5 s ) 软化点不小于 i 溶三羔淼于 s d m m 快裂或中裂慢裂t 0 6 5 8 阳离子( + )阳离子( + ) t 0 6 5 3 o 1 l l o 8 2 5 5 0 4 0 1 2 0 5 0 2 0 9 7 5 2 3 此外，其他国家具有不同用途、种类的规范要求，对沥青乳液有着更加严格的指标 要求。如美国a s t m 技术标准【1 引，闩本改性乳化沥青技术标准。改性乳化沥青在美国 的使用范围很广，由于改性目的、改性方法、用途和地区不同，其标准也不一样，国际 稀浆封层协会大部分技术规范均出自美国。同本的乳化沥青标准有国家标准j i s 和协会 标准j e a a s 两种，其中国家标准j i s 对乳化沥青的分类比较简单，1 9 9 4 年日本道路协 会在修订沥青路面铺装纲要时就补充了掺杂聚合物改性乳化沥青的检验标准【l9 1 。尽 管各国乳化沥青检验标准与分类方法是不同的，但检验的内容与实质是非常相似的。 2 4 改性乳化沥青的应用 为适应高等级公路养护的需要，对乳化沥青进行改性生产出性能优越的改性乳化沥 青，以提高沥菏路面性能，进一步延长路面使用寿命。改性乳化沥青实质上就是改性剂 与乳化沥青混合所形成的乳液。改性主要要达到如下日的2 0 】：提高高温稳定性。路 面在高温时容易变软而流变性能差，在倚载的作用下易形成车辙等病害，改性后沥青的 1 1 2 2 l 1 4 6 5 7 4 5 2 2 5 o o o o s 6 6 6 6 6 6 6 6 6 o o o o o 0 o o o t t t t t t t t t 叭 一 一 够 哪 一 第二章义献综述 软化点提高，针入度下降，使路面在高温条件下仍具有足够的强度和稳定性。提高 低温抗裂性。在冬季气温骤降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，同时 劲度急剧增大，超过混合料的极限强度，便会产生开裂。改性后沥青的5 延度明显提 高，针入度降低，使沥青路面抵抗低温缩裂的能力显著提高。延长路面寿命。改性 后沥青路面的耐久性能得到较大提高，提高了早期强度和粘附强度。改性乳化沥青稀浆 封层后，在3 0 - - 6 0 m i n 内即可固化，粘结力可达到2 2 n c m 以上。改性乳化沥青具备乳 化沥青的特点外，同时兼备改性的特点，在道路养护应用中主要有以下特点【2 1 】： ( 1 ) 多用途。改性乳化沥青能作大面积的封层撒布，也能用来进行小范围的坑槽修 补；可以喷洒使用，做封层、桥面防水粘结层，也可以与级配集料拌和使用，用于稀浆 封层、微表处、碎石封层、c a p e 封层等对路面进行养护。 ( 2 ) 节能。热沥青施工时需要大量的热量，特别是大宗砂石料需要的烘烤热，沥青 每倒运一次就要加热一次，意外停工时现场沥青需加热来保温，且过多的加热容易引起 沥青材料的老化。而改性乳化沥青只需在乳化时一次加热，制成成品后在常温下使用， 大大节约了能源消耗。 ( 3 ) 减少环境污染。在施工现场，热沥青需要加热，造成环境污染。而改性乳化沥 青拌制混合料时不需要加热，在常温下施工，减少了因加热沥青造成的环境污染。 因此，改性乳化沥青是一种安全、环保、使用方便的道路材料。正是由于改性乳化 沥青的以上特点，近年来改性乳化沥青在道路养护中应用广泛，在我国取得了可喜的成 绩。归纳起来主要的应用如下1 2 2 1 ： ( 1 ) 路面的封层 以改性乳化沥青为原料，进行路面封层应用最广泛的技术主要有稀浆封层和微表 处，二者有许多相似之处，其差别主要在于施工机械、施工要求和施工质量。稀浆封层 是一种由沥青乳液、破碎的集料、矿粉、水和添加剂组成的稀浆状的混合物，它在拌和 均匀后被摊铺到原来的沥青路面上，形成一层与原路面结合牢固、具有抗磨表面结构的 均匀养护层。路面经稀浆封层处理，可提高路【刚咐着性能、路面的耐磨性及抗泛油能力， 延长路面的寿命；还可增加路面的抗变形能力，特别是i 叮减少车辙。微表处是采用级配 良好的细骨料、矿质填料与沥青乳液混合后的广：物，单层的厚度通常为3 - - 一6 m m ，适用 于沥青路面过分氧化而变硬的区域。微表处具有很好的防水功能，有效地防止雨水下渗 而造成路面承载力f 降，可填补轻度车辙，作| l 路疽i 的抗滑磨耗层。近些年，改性乳化 沥青乳液也被广泛心用在雾封层技术中。雾封层技术足将雾状的沥青乳液喷洒d i l l 的沥 1 2 两北人学硕l 学位论文 青混凝土路面上，其目的是更新和还原表面已被氧化的沥青膏体、填封微小裂缝和空隙、 路面防水及抑制松散。 ( 2 ) 裂缝处理 路面的裂缝有纵缝和横缝，一般都是不连续的，主要是因为路基发生变化，波及到 面层形成的裂缝，其破坏性较大，雨雪天容易出现坑洞。对5 m m 以内的裂缝，清除裂 缝中的杂物后，用扁嘴壶灌满沥青乳液，再用细石屑或细砂撒到裂缝中，清扫路面后即 可开放交通。5 m m 以上的裂缝，用5 m m 以下的细碎石或砂与沥青乳液按比例搅拌均 匀后，填入裂缝中，再用扁钢进行夯实。采用以上方法处理裂缝，使用人力、机械及材 料较少，既经济方便，效果也很好，与用热沥青灌缝相比，其优点是：沥青乳液渗透力 强，修补彻底，现场不需加温，施工方便，减少了沥青资源的浪费，延长了施工季节， 更体现了“及时、补早、补少、补彻底”的预防性养护的精神。 ( 3 ) 路面网裂、贫油、麻面的处理 将原路清扫干净，并用吹风机将裂纹中的尘土吹干净后，沥青乳液按o 7 1 2k g m 2 的用量，用洒布车或人工方式均匀的喷洒在路面上，再立即将石屑或细砂按5 6 m 3 1 0 0 0 m 2 的用量均匀洒布在路面上，刮平即可开放交通。沥青乳液喷洒应尽量均匀不 要有流淌现象。在乳液破乳前将石料洒铺完毕，使乳液均匀的裹附在石料的表面以达到 薄层封面的目的。 。 ( 4 ) 坑槽修补 坑槽的使用寿命等于整个路面的剩余使用寿命。延长路面的使用寿命在于坑槽的及 时修补，在坑槽直径不超过1 5 m m 就要及时修补。喷射修补坑槽是采用一种特殊的机器 对路面坑洞和破裂地带进行修补。将坑槽吹干净后，利用喷射出的热乳液在坑槽的内表 面徐上一层改性沥青乳液，再向坑槽内填上骨料，骨料粒径为5 l o m m 。最后，在坑 槽上面铺一层干骨料或细砂，使它具有一个表面封层。因为采用的是改性乳化沥青，修 补的坑槽具有比较高的强度，故采用这种方法处理坑槽不需要进行任何压实。 此外，改性乳化沥青在道路工程中还可用于旧沥青路面材料的冷再生及砂石路面的 防尘处理，也可以作为透层油、粘层油等。还有一