1. 引言
随着经济快速发展,科学技术不断进步,交通工程大规模建设,人们日益对彩色沥青路面产生浓厚兴趣。彩色沥青路面具有美化环境、美化城市、减缓驾驶疲劳、提高行车安全、缓解“热岛效应”等优点 [1] [2]。上世纪50年代,欧洲国家就首先对彩色沥青路面的铺设进行研究。1960年代,前苏联开始研究彩色沥青路面,并在莫斯科和哈尔科夫等城市较大面积地铺设彩色沥青混凝土路面 [3]。20世纪70年代,日本召开万国博览会展示了大面积的彩色沥青道路,90年代,法国巴黎铺设了一条长度大概为30 km的蓝色路面。1980年代,我国开始对彩色沥青路面铺装技术进行初步研究,可经济实力达不到大面积推广应用,推进速度较缓慢,2000年以后才渐渐发展起来,目前,我国已经在20多个城市中进行了彩色沥青混凝土路面铺设,并取得了良好效果 [4] [5] [6]。彩色沥青胶结料主要分为两大类:普通的黑色沥青胶料和浅色胶结料。大致方法可分为覆盖法、脱质沥青法、单一浅色胶结料、聚合物复合法浅色胶结料 [7] [8]。聚合物复合法制备浅色胶结料可有效解决目前彩色沥青路面成本高、沥青脱色难、设备贵、后期维护难的问题,本文首先选取C9石油树脂、芳烃油、苯乙烯–丁二烯–苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、增塑剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)高速剪切法制备彩色沥青胶结料,然后将其进一步乳化。在制备工艺、参数配方上进行优化设计得到高固含量的彩色乳化沥青。最后对制备出的彩色乳化沥青进行性能分析,为进一步分析彩色乳化沥青混合料做准备。
2. 实验
2.1. 实验原材料
2.1.1. 浅色胶结料制备原料
芳烃油、C9石油树脂、苯乙烯–丁二烯–苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。
2.1.2. 高固含彩色乳化沥青原料
浅色胶结料、cmk-6阳离子乳化剂(新乡龙腾路用材料有限公司)、盐酸、SBS胶乳(课题组制备,固含60%)、改性淀粉、无水氯化钙、颜料。
2.2. 实验设备
弗兰克剪切机,加热套、反应釜、胶体磨、软化点仪、针入度仪、延度仪等。
2.3. 实验方法及过程
2.3.1. 浅色胶结料的制备
采用聚合物复合法来制备彩色沥青的浅色胶结料,首先将SBS与DBP在150℃左右温度下加热搅拌约15分钟,使其充分混合。然后在反应器中加热芳烃油至160℃,加入SBS、DBP的混合物3000转剪切5~10 min,均匀分散后加大转速至6500转剪切20 min,待温度至170℃,保持恒定,加入C9石油树脂继续剪切10 min,直至各组分充分溶解。最后将混合溶液送至烘箱170℃发育2小时,制得浅色胶结料。技术路线图如图1所示。最后按照不同要求加入颜料即可得到彩色沥青。
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Figure 1. Technical route of preparation of light-colored asphalt binder
图1. 浅色胶结料的制备技术路线
2.3.2. 高固含彩色乳化沥青的制备
选取2.3.1制备的彩色沥青胶结料作为彩色沥青基体,选择合适的乳化剂,利用二次热混合法制备高固含彩色中温乳化沥青,其具体路线图如图2所示。工艺参数:皂液温度为65℃~70℃,皂液PH用盐酸调节至2~3,基质沥青加热温度为130℃~140℃,剪切3~5 min。
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Figure 2. Technical route of preparation of high solid color emulsified asphalt
图2. 高固含彩色乳化沥青的制备技术路线
3.结果与讨论
3.1 浅色沥青胶结料性能分析
根据前期大量实验总结,最终确定浅色沥青胶结料的配比,测出其三指标性能并与普通70#石油沥青进行对比分析。测试结果如表1所示。
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Table 1. Three index properties of light-colored asphalt binder and 70# matrix asphalt
表1. 浅色沥青胶结料与70#基质沥青的三指标性能
由表1可知,制备出来的浅色沥青胶结料与普通70#石油基质沥青三指标接近,软化点高,可用此为基体进一步乳化,制得彩色乳化沥青。
3.2 乳化剂对彩色乳化沥青性能的影响
乳化剂是乳化沥青中重要的物质组成部分,对沥青乳化后的性能有重要影响。因彩色沥青胶结料类与70#基质沥青性能相近,直接参照普通黑色沥青乳化过程,乳化剂选择cmk-6,探究不同掺量下乳化剂对彩色乳化沥青性能的影响。固含量初步设计60%,改性SBS胶乳掺量为5%。其结果性能见表2和图3~6。
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Table 2. The performance of color emulsified asphalt with different emulsifier dosage
表2. 不同乳化剂掺量下的彩色乳化沥青性能
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Figure 3. Effect of emulsifier dosage on softening point
图3. 乳化剂用量对软化点的影响
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Figure 4. Effect of emulsifier dosage on elongation
图4. 乳化剂用量对延度的影响
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Figure 5. Effect of emulsifier dosage on needle penetration
图5. 乳化剂用量对针入度的影响
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Figure 6. Effect of emulsifier dosage on storage stability
图6. 乳化剂用量对存储稳定性的影响
由于改性剂SBS胶乳的加入,彩色乳化沥青的高低温性能均得到提升,表现在软化点提升15℃左右和低温延度值高达35 cm,达到I类D级SBS改性沥青指标。从图3和图4可以看出,乳化剂用量逐步提高,软化点和延度先上升后下降,乳化剂掺量在2.5%时,软化点为75.1℃,5℃延度为35.2 cm。因为随着乳化剂用量增加,乳化剂的乳化效率增强,彩色沥青乳化程度越高,粒径越分散,但乳化剂超过一定量后,过量的乳化剂分子会抑制乳化沥青破乳后的沥青分子间地相互融合,一些性能得以下降。从图5可以看出,针入度基本在62~68之间变化,无较大波动,与乳化前也无明显差异,说明彩色沥青乳化后稠度变化不大。由图6可知,初始阶段,乳化剂用量逐渐增加,彩色乳化沥青的储存稳定性也逐渐提高,当乳化剂用量超过2.5%时,彩色沥青趋于稳定状态。随着乳化剂用量的增加,彩色沥青各相越分散,粒径越小,沉降速度下降,同时沥青液滴界面膜强度增大也可有效阻挡相互聚集,从而提升整个乳液体系的稳定性和质量。综上所述,cmk-6型乳化剂最佳掺量为2.5%。
3.3. 彩色乳化沥青稳定剂的选择
由于本文研发的改性乳化沥青固含高,为了保障体系的稳定性,不容易破乳,乳化剂用量在确定最佳掺量后,还可以可适当添加相应的稳定剂。乳化沥青中的沥青颗粒沉降速度ν为:
式中ρ分散质密度和ρ0为分散相密度,G为重力速度,n为分散相的粘度。从公式可以得到,当密度差越小,粒径越小,分散相粘度越大,沉降速度就越小,乳化沥青体系越稳定 [9]。所以,一般有两种方式提升乳液稳定性,一是添加有机稳定剂,如羧甲基纤维素钠、淀粉等提升水相粘度,致使乳液中的沥青微粒热运动所受阻力增加,达到增稳效果。二是添加类似氯化钙,氯化镁等无机盐类,提高乳液的Zeta电位,从而导致沥青微粒间作用力的改变,减小微粒半径,进而提升其储存稳定性。
高固含彩色乳化沥青,沥青固含量一般在60%以上,沥青微粒容易发生凝聚,沉降,所以本文选择有机稳定剂改性淀粉和无机稳定剂氯化钙进行2:1复配混合使用,来提高高固含乳液体系的稳定性。由3.2知乳化剂最佳掺量为2.5%,不同稳定剂掺量对稳定性的影响如图7所示。
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Figure 7. Effect of stabilizer dosage on stability
图7. 稳定剂用量对稳定性的影响
由图7知,稳定剂的加入可以提升体系的稳定性,用量大于0.2%,稳定性略有减弱,因为当稳定剂达到0.2%时已处于饱和状态,再继续增加氯离子,会打破体系中原双电子层的平衡导致乳液粒径增大,过量改性淀粉也会和沥青生成结晶物质影响稳定性。所以综合考虑,稳定剂最佳掺量为0.2%。
3.4. 高固含量彩色乳化沥青的稳定性能
乳化剂和稳定剂的最佳掺量确定好,探究在此条件下,彩色乳化沥青可制备的最高固含量。不同固含量下的彩色乳化沥青性能如表3所示。
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Table 3. Performance of colored emulsified asphalt with different solid content
表3. 不同固含量下的彩色乳化沥青性能
由表3可得,随着固含量的提高,分散质沥青粘度过大,彩色乳化沥青的乳化难度增大,稳定性也逐渐变差,到75%时,整个乳化体系不稳定,导致破乳结皮。故本文可制备高达70%的高温彩色乳化沥青,软化点达到74.7℃,5℃延度达到34.9 cm。将此胶结料应用于中温沥青混合料,对城市景观道路的建设和提高道路安全性能,具有重要意义。
4. 结论
1) 用高芳烃油、C9石油树脂、SBS、DBP按照48:42:5:5配比制得的彩色沥青胶结料与普通70#石油基质沥青性能接近。
2) 研究乳化剂用量对彩色乳化沥青的性能影响,最佳掺量为2.5%。
3) 稳定剂采取改性淀粉和氯化钙2:1复配,最佳掺量为0.2%。
4) 彩色乳化沥青固含量可达70%,性能稳定,对彩色中温沥清混合料的推广应用具有重要意义。