环保型改性乳化沥青的制备及其性能研究

杨明珠 张提 杨文平

摘 要：为了制备兼具路面养护和环保的改性乳化沥青，本文尝试利用铁氮共掺杂二氧化钛材料（Fe-N-TiO2）和丁苯胶乳（SBR胶乳）对沥青进行复合改性。通过设计正交试验，研究不同材料掺量对改性乳化沥青性能的影响，通过极差分析法确定出材料最佳配比。

关键词：改性乳化沥青;丁苯胶乳;正交试验法

中图分类号：TE626.86文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0131-03

Study on Preparation and Performance of Environmental

Modified Emulsified Asphalt

YANG Mingzhu ZHANG Ti YANG Wenping

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In order to prepare modified emulsified asphalt with pavement maintenance and environmental protection， this paper attempted to use Fe-N-TiO2 and SBR latex to modify asphalt. Through orthogonal test， the influence of different material content on the performance of modified emulsified asphalt was studied， and the best material ratio was determined by range analysis.

Keywords： modified emulsified asphalt;SBR latex;orthogonal test

截至2019年末，全国公路总里程501.25万km，全国四级及以上等级公路里程469.87万km，占公路总里程的93.7%[1]。交通对路面的要求越来越高，提高路面的使用性能已经成为道路工程研究的重点和难点。改性乳化沥青是指采用各种措施使乳化沥青性能得以改善的乳化沥青，作为一种良性的道路建筑材料，其被广泛应用于道路施工、养护等领域。

汽车尾气和PM2.5污染是伴随着我国公路里程增加产生的大气污染现象，因此，加强汽车尾气催化分解型路面材料的研究具有重要的环境效益和社会意义。二氧化钛（TiO2）是一种常用的环保型催化剂，具有反应速率快、温和、价格低廉、不会产生有害物质等优势，主要用于污水处理、气体净化、材料改性等领域[2]。研究发现，正负离子共同掺杂二氧化钛时会由于产生协同效应而提高二氧化钛的催化效率[3-5]，因此，Fe-N共掺杂二氧化钛具有实际应用的潜力。但目前的研究多采用将二氧化钛复合材料喷涂于路面上进行路面材料光催化研究，而对于将二氧化钛复合材料作为乳化沥青改性剂的研究较少，故本文主要探讨Fe-N-TiO2作为基质沥青和乳化沥青改性剂对沥青性能的影响。

1 原材准备

本试验选用鄭州市金祥化工产品有限公司生产的70号沥青，根据相关试验规程[4-5]，在25、15、5 ℃恒温水浴条件下进行道路石油沥青针入度、延度、软化点试验，试验结果满足相关规范要求，可用于改性乳化沥青试验中。

2 Fe-N-TiO2改性沥青性能评价

本试验所用乳化剂为阳离子乳化剂JY-R6M，改性剂选用JYSBR65阳离子丁苯胶乳（SBR胶乳），助剂选用添加无水CaCl2、盐酸。为探讨Fe-N-TiO2作为基质沥青改性剂对沥青性能的影响，将光催化效果最佳的Fe-N-TiO2作为改性剂掺入基质沥青，经过高速剪切后得到改性沥青。改性后的沥青针入度有所提高，延度和软化点则有所降低，但各项指标均在沥青相关标准[4-5]规定的正常使用范围之内，没有对沥青基本性质造成影响。可以判定，在一般条件下，Fe-N-TiO2可以作为改性剂对基质沥青进行改性。Fe-N-TiO2改性沥青试验的试验结果如表1所示。

3 改性乳化沥青的制备工艺

改性乳化沥青的生产与制备有两个非常重要的工艺过程，即沥青的乳化和沥青的改性。根据对沥青乳化和改性的不同顺序，其生产和制备可以分为三种不同的制备工艺：乳化沥青的改性（先乳化后改性）、改性沥青的乳化（先改性后乳化）、乳化和改性一起进行（一边进行乳化一边进行改性）。其中，先乳化后改性的改性乳化沥青的制备工艺最为成熟，操作最为简单，优选为本次试验所选用的制备方案。先乳化后改性的制备工艺具有操作简单、对设备要求不高的特点，但是只适合胶乳状的改性剂，本研究选用SBR胶乳和Fe-N-TiO2改性剂复合使用以满足其技术要求。

根据改性乳化沥青的组成和改性乳化沥青的生产工艺，改性乳化沥青制备思路为：先将乳化剂与沥青经过乳化作用制得乳化沥青，然后再将SBR胶乳、Fe-N-TiO2改性剂加入乳化沥青溶液中，最后制备得到环保型改性乳化沥青。制备的主要流程如下。

第一，沥青准备。沥青准备就是将沥青加热到适宜的温度呈流动状态。本研究将称量好的基质沥青置于烘箱中，调节温度至130 ℃，加热至沥青热熔状态，沥青能够自由流动。对温度的把握原则是将沥青加热到流动状态，能方便地加入皂液中即可。

第二，皂液准备。按照试验方案（见表2）的相关配比在75 ℃左右的水中加入阳离子乳化剂，并将称量好的CaCl2等试验助剂缓慢加入，增加水相电荷;充分搅拌使相关材料溶解，加入盐酸调节pH值至乳化剂推荐值（2～2.5），以增强乳液的稳定性;在70 ℃恒温环境箱中保温15 min后得到皂液。

第三，乳化沥青的制备。将皂液和熔融状态下的热沥青经过机器乳化，得到阳离子乳化沥青冷却备用。

第四，改性乳化沥青的制备。先将SBR胶乳与Fe-N-TiO2搅拌混合为复合改性溶液，然后与冷却后的阳离子乳化沥青在匀速剪切机中低速搅拌（500 r/min），最终得到以Fe-N-TiO2为改性剂的环保型改性乳化沥青。

4 Fe-N-TiO2改性乳化沥青的材料配比方案研究

为了准确研究各原材对改性乳化沥青的影响程度，确定最优材料配比，本文采用正交试验对环保型改性乳化沥青主要掺加材料进行设计，即通过乳化剂掺量、SBR胶乳改性剂掺量、Fe-N-TiO2改性剂掺量来确定最佳组合，进而制备环保型的Fe-N-TiO2改性乳化沥青。

在Fe-N-TiO2改性乳化沥青制备过程中，m（沥青）∶m（水）取60∶40，无水CaCl2稳定剂的掺量为0.25%，重点需要考虑的是乳化剂、SBR胶乳、Fe-N-TiO2以及改性阶段的剪切时间四个因素。根据常规试验方法，每个因素取三个水平进行研究则需要做81组试验，而采用正交表L9（34）[L9（34）]安排试验，只需要进行9组试验，可以大大减少试验的次数，在保证试验结果有效的前提下降低试验难度。本试验采用的阳离子乳化剂的掺量为2.0%、3.0%、4.0%，SBR胶乳改性剂掺量为2.0%、4.0%、6.0%，Fe-N-TiO2改性剂掺量5.0%、7.0%、10.0%，剪切时间为1、3、5min。设计的正交试验方案见表2。

5 Fe-N-TiO2改性乳化沥青的材料配比结果分析

试验采用沥青的针入度、延度和软化点三大指标以及储存稳定性作为评价改性乳化沥青性能的参数值。根据表2所设计的正交试验表进行试验分析，其试验结果如表3所示。

本次试验没有空列，可采用极差分析法处理试验数据，结果如表4所示。

其中，k值表示每个因素各水平的试验结果总值的平均值，大小表示反应因素对试验指标的影响程度;极差值R表示在相同条件下，不同水平时均值k的最大值与最小值之差。

分析上述数据可得出以下结论。

随着乳化剂掺量增加，乳化效果得到增强，蒸发残留物的高低温性也能得以提升，但过多的乳化剂会促使残留物的针入度升高、延度降低，从而降低体系的综合性能。

随着SBR改性剂掺量的增加，残留物的针入度先减小后增大，软化点变化幅度不大，5 ℃延度显著增大。可见，SBR提升了复合体系的低温柔韧性，可以显著提升体系的低温性能和防止流动变形，但高温性能提升不大。

当Fe-N-TiO2掺量不大于7%时，各项指标变化幅度不大，达到标准规定范围。可见，少量Fe-N-TiO2对改性乳化沥青的基本性能影响不大。

当剪切时间从1 min增加到3 min，沥青的高低温性能、变形协调性呈现出明显的增强趋势，这是改性乳化体系中的復配改性剂与乳化沥青融合更充分的结果。但是，随着剪切时间继续增加，趋势变缓，说明剪切3 min左右即可达成改性效果。

根据以上结果，可以推测改性剂SBR和Fe-N-TiO2在复合体系中以物理混合改性为主，当二者掺量适宜时有助于形成交联网络，促进体系的稳定化，掺量过多时，则多余的改性剂会聚集产生絮凝，破坏复合体系的平衡状态。

6 结论

①随着乳化剂掺量增加，乳化效果得到增强，蒸发残留物的高低温性也得以提升，但过多的乳化剂会促使残留物的针入度升高、延度降低，从而降低体系的综合性能。

②随着SBR改性剂掺量的增加，残留物的针入度先减小后增大，软化点变化幅度不大，5 ℃延度显著增大。SBR提升了复合体系的低温的柔韧性，可以显著提升体系的低温性能和防止流动变形的能力。

③Fe-N-TiO2掺量的增加能降低沥青的针入度、软化点5 ℃延度等性能指标。当其掺量小于7%时，各项指标保持在标准规定范围内，不影响沥青的正常使用。

参考文献：

[1]2019年交通运输行业发展统计公报[J].交通财会，2020（6）：86-91.

[2]苏源，黄伟，耿嘉阳，等.二氧化钛纳米材料的研究与应用[J].黑龙江科学，2019（2）：42-43.

[3] Teruhisa Ohno， Zenta Miyamoto， Kazumoto Nishijima，et al. Erratum to "Sensitization of photocatalytic activity of S- or N-doped TiO2 particles by adsorbing Fe3+ cations" [J].Applied Catalysis A： General，2006（1）：155-156.

[4]中华人民共和国交通部.公路沥青路面施工技术规范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.