一种用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法及应用与流程

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法及应用。

背景技术：

冷拌冷铺沥青路面技术相对于热拌热铺沥青路面以及温拌温铺沥青路面是一项最为节能环保的技术。基于冷拌沥青材料本身的特性，其可在常温下生产、施工，相对于传统的沥青混合料，其减少了集料及沥青加热过程中的能耗，从而实现道路建设中的低能耗、排放小、污染轻。其优点为大众及道路工作者所接受。

目前，在道路建设和维修中的冷拌冷铺沥青混合料主要有两大类，一是溶剂型沥青冷拌冷铺混合料，主要是采用不同的溶剂来稀释黏稠沥青，使其达到流动状态，能够在常温下实现拌合和摊铺压实。另一类是乳化剂型冷拌冷铺混合料，主要采用乳化沥青为胶结料制作混合料，实现在常温下能够施工。

溶剂型冷拌沥青混合料由于其所采用的溶剂具有挥发性，污染较大，目前主要用在应急修补坑槽方面，很少在道路建设中大面积使用；传统的乳化沥青混合料以乳化沥青为结合料，具有施工方便，能耗低，污染少，施工条件要求低等特优点，但是由于乳化剂的破坏作用以及水分的介入，导致混合料强度较低，黏结性能差等特点，目前主要用做冷再生基层，下面层以及一些乡村道路等低等级的面层等，由于其技术壁垒，限制了在高等级道路建设维修中的应用。

国内对于冷拌冷铺这样的新型沥青混合料研究起步较晚，虽然在近年来的预防性养护中稀浆封层、微表处等材料已经得到了较大规模的应用，但是由于混合料摊铺时呈稀浆状态，摊铺厚度太薄，不能满足结构层的需要，另外在混合料价格方面的原因也限制了它们多用在养护领域。若能有一种材料性能以及路用性能满足相关技术要求，并且可以较大规模的应用乳化沥青混合料，将会有力的推动我国乳化沥青混合料的发展，在很大程度上减轻我国的节能减排负担。针对目前的道路建设需要，开发新型冷拌冷铺沥青混合料，对改性乳化沥青混合料的改性乳化沥青材料和添加剂的技术要求、混合料配合比设计、性能评价、生产与施工工艺、经济效益进行研究，为新型冷拌冷铺沥青混合料

在我国的应用提供理论支持和技术保障，以实现新型冷拌冷铺混合料的节能减排、延长施工季节、降低成本、施工便捷的目标，全面实现道路施工的常温化，引领行业重大技术变革，促进行业技术进步。

专利201711183293.1公开了一种冷拌冷铺沥青混凝土及其制备方法，所述冷拌冷铺沥青混凝土包括乳化沥青25～35wt％和集料65～75wt％；所述乳化沥青包括以下重量份数的原料：sbs改性沥青50～60份、水35～40份、乳化剂1.2～4.3份、反应型树脂5～10份、固化剂0.005～0.1份。所述制备方法，包括如下步骤：(1)将乳化剂加入55～65℃的水中分散均匀，调节ph值至1.5～3.0备用；(2)将sbs改性沥青加入到乳化剂水溶液中，经过胶体磨研磨；(3)将反应型树脂加入到步骤(2)中的混合料中，经过胶体磨研磨；(4)将步骤(3)中的混合料以6000～7000r/min的速度剪切30～60分钟；(5)将集料和固化剂加入到步骤(4)中的混合料中，混合均匀。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法及应用。

本发明提供了如下的技术方案：

一种用于冷拌冷铺的乳化沥青，包括基质沥青，原料包括集料、水泥、外掺水、改性乳化沥青和矿粉，

其中，所述改性乳化沥青中，基质沥青与皂液的质量比为60-70:40-30，水性高分子改性剂的用量为乳化沥青质量的3-5％；所述皂液中，乳化剂和水的质量比为1.4：30-40；所述乳化沥青混合料中，外掺水用量为集料和矿粉总质量的2-3％，水泥用量为水泥、集料和矿粉总质量的1-2％，油石比为6-7％。

在上述方案中优选的是，所述的用于冷拌冷铺的乳化沥青，其特征在于：原料包括集料、水泥、外掺水、改性乳化沥青和矿粉，

其中，所述改性乳化沥青中，基质沥青与皂液的质量比为65:35，水性高分子改性剂的用量为乳化沥青质量的4％；所述皂液中，乳化剂和水的质量比为1.4：33.6；所述乳化沥青混合料中，外掺水用量为集料和矿粉总质量的2.7％，水泥用量为水泥、集料和矿粉总质量的1.5％，油石比为6.4％。

在上述任一方案中优选的是，集料采用石灰岩，级配类型是ac-13。

在上述任一方案中优选的是，所述乳化剂采用阳离子型乳化剂。

在上述任一方案中优选的是，所述乳化剂选择季铵盐类、烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、环氧乙烷二胺类、胺化木质素类中的一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，所述水性高分子改性剂采用环氧树脂和固化剂双组分，环氧树脂和固化剂用量比例为1:1-2、优选为1：1.25。

本发明还提供上述的一种用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法，包括如下各步骤：

步骤一、制备皂液：乳化剂与水反应制备皂液，通过高速剪切仪进行制备，控制皂液温度为55-60℃，剪切转速为1900-2050r/min；

步骤二：制备改性乳化沥青：将预热的基质沥青缓缓加入至所述皂液中，剪切速度为3900-4100r/min，剪切时间为15-25min，然后加入水性高分子改性剂，剪切3-8min，冷却待用；

步骤三：制备乳化沥青混合料：在常温下，先将集料、水泥和水拌合25-35s，加入改性乳化沥青拌合40-50s，最后加入矿粉拌合40-50s，其中水(外掺水)用量为集料总质量的2-3％。

步骤四：乳化沥青混合料成型及养生：所述乳化沥青混合料成型方式采用二次击实方式。

在上述方案中优选的是，步骤一中，乳化剂采用阳离子型乳化剂。

在上述任一方案中优选的是，所述乳化剂选择季铵盐类、烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、环氧乙烷二胺类、胺化木质素类中的一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，步骤一中，所述制备皂液控制皂液温度为60℃，剪切转速为2000r/min。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，将预热至135℃的基质沥青缓缓加入至所述皂液中，剪切速度为4000r/min，剪切时间为20min，加入改性剂后剪切5min，冷却待用。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，改性剂采用环氧树脂和固化剂双组分，环氧树脂和固化剂用量比例为1:1-2、优选为1：1.25。

在上述任一方案中优选的是，步骤三中，拌合顺序为先将集料、水泥和水拌合30s，加入改性乳化沥青拌合45s，最后加入矿粉拌合45s。

在上述任一方案中优选的是，步骤三中，水用量为集料总质量的2.7％。

在上述任一方案中优选的是，步骤四中，所述乳化沥青混合料的养生方式为一次击实后105±5℃养生24h，二次击实后常温养生12h以上。

在上述任一方案中优选的是，步骤四中，第一次击实50次，105±5℃养生后，二次击实25次。

本发明主要研究思路是将水性高分子材料作为乳化沥青的改性剂，配制高性能的改性乳化沥青，设计改性乳化沥青混合料并评价其性能。

本发明含有一种用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法及应用，由于乳化沥青施工不需要加热，对环境和人体健康危害小而受到了人们重视，法国于20世纪五十年代研制出了阳离子乳化沥青，并发现了阳离子乳化沥青的优越性能，发现其可以有效地提高集料与沥青的黏附性。在最近30年来，阳离子乳化沥青得到了迅速的发展和广泛地应用因此，本发明的用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法及应用，该方法简单、容易操作、耗能低、成本低、利于环保，对实际工程由重要的指导意义。水性环氧树脂作为一种高分子材料，通过a、b组分之间发生固化反应，形成的高分子具有黏结强度高，耐高温性能好等特点。如果将其加入到乳化沥青中对乳化沥青进行改性，固化后的高分子与沥青之间可以相互填充，形成交联网状结构，可以有效的改善乳化沥青的性能，提高乳化沥青与集料的黏结强度。同时水性高分子改性乳化沥青作为混合料的胶结料，可以有效改善乳化沥青混合料的水稳定性，高温稳定性等。

附图说明

图1是本发明用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法及应用的一优选实施例中改性乳化沥青制备工艺流程图；

图2是图1所示实施例的级配曲线。

图3是图1所示实施例中含水率与干密度关系曲线。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。

本发明中水泥优选为普通32.5硅酸盐水泥。优选的，环氧树脂型号为e51环氧树脂，固化剂型号为ab-hgf环氧固化剂。

实施例1：

一种用于冷拌冷铺的乳化沥青，原料包括集料、水泥、外掺水、改性乳化沥青和矿粉，其中，所述改性乳化沥青中，基质沥青与皂液的质量比为65:35，水性高分子改性剂的用量为乳化沥青质量的4％；所述皂液中，乳化剂和水的质量比为1.4：33.6；所述乳化沥青混合料中，外掺水用量为集料和矿粉总质量的2.7％，水泥用量为水泥、集料和矿粉总质量的1.5％，油石比为6.4％。

本实施例的一种用于冷拌冷铺的乳化沥青制备方法，包括如下各步骤：

步骤一、制备皂液：乳化剂与水反应制备皂液，通过高速剪切仪进行制备，控制皂液温度为60℃，剪切转速为2000r/min；

步骤二：制备改性乳化沥青：将预热的基质沥青缓缓加入至所述皂液中，剪切速度为4000r/min，剪切时间为20min，然后加入水性高分子改性剂，剪切5min，冷却待用；

步骤三：制备乳化沥青混合料：在常温下，先将集料、水泥和水拌合30s，加入改性乳化沥青拌合45s，最后加入矿粉拌合45s，其中水(外掺水)用量为集料总质量的2.7％。

步骤四：乳化沥青混合料成型及养生：所述乳化沥青混合料成型方式采用二次击实方式，所述乳化沥青混合料的养生方式为一次击实后105±5℃养生24h，二次击实后常温养生12h以上，第一次击实50次，105±5℃养生后，二次击实25次。

本实施例，首先将在常温下制备的皂液加热至60℃，采用高速剪切仪进行剪切，转速为2000r/min，将预热至135℃的基质沥青加入皂液中，剪切20分钟，转速为4000r/min，加入环氧树脂改性剂剪切5min后冷却待用；第二，确定乳化沥青混合料的拌合温度为常温；改性乳化沥青混合料由集料、矿粉、水泥、水、乳化沥青组成，不同的加入顺序将会出现不同的拌合状态，作为阳离子乳化沥青，集料必须经过润湿才能使其更好的与沥青黏结在一起，形成较厚的沥青膜，确定拌合顺序为先将集料，水泥，水加入到拌合锅中，拌合30s；然后加入乳化沥青，拌合45s，最后加入矿粉，拌合45s；外掺水用量为集料总质量的2.7％。第三，以密度，空隙率，稳定度，水分散失为主要控制目标，确定最佳击实养生方法为：①一次击实，②.在105±5℃养生24小时，③二次击实，④.常温养生12小时以上。

1原材料选择

1)基质沥青

基质沥青一般采用石油沥青，由于石油沥青的组成及胶体结构等对其乳化的难易程度以及生成乳液的性能影响较大，研究认为沥青中蜡含量较高将导致沥青难以乳化，生产的乳化沥青稳定性不好，适用于道路用乳化沥青的石油沥青为溶--凝胶结构型。根据相关文献及研究认为，sk-90沥青乳化较容易，乳化生产的相关产品性能较好。故本文采用的基质沥青为sk-90，其各项指标见表1。

表1sk-90基质沥青技术指标

2)乳化剂

阳离子乳化剂是在溶于水时能电离为离子或者离子胶束，且与亲油基相连的亲水性团带有正电荷的乳化剂，根据其化学机构不同主要有：季铵盐类、烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、环氧乙烷二胺类、胺化木质素类等。本文中采用的乳化剂为我国某厂生产的lbp1型，其各项指标见表2。

表2乳化剂主要性能指标

3)改性剂

环氧树脂为双组分材料，当a、b组分混合时二者即开始发生反应，所以无法采用先改性后乳化的工艺进行生产，必须采用先乳化后改性的工艺进行生产。因此改性剂必须为环氧树脂水溶性溶液，否则其将很难均匀分散于乳化沥青中，所以水性环氧树脂与固化剂的用量比例为1：1.25，水性高分子a和b组分各项指标见表3～4。

表3水性高分子a乳液技术指标

表4水性固化剂(b组分)技术指标

4)水

水作为分散介质，对于乳化沥青的影响主要为水中的离子，普通的自来水呈中性，在本案列中选择自来水即可满足要求。

2制备工艺

1)设备选择

高速剪切利用高速旋转剪切作用，将沥青分散为微小颗粒，均匀的分布于乳液中，最终达到整个系统的平衡。剪切仪体积小、操作简单，另外其生产量的可控制范围比较大，对于实验室内生产多种配方的样品时操控性比较强。本实验中选择德国弗鲁克剪切仪作为生产乳化沥青的设备，技术参数见表5。

表5剪切仪技术参数及工作要求

2)制备工艺

由于实验室内采用的为剪切仪进行乳化沥青的生产，需要将基质沥青或者乳液其中一种加热，在剪切仪运行的情况下加入另一种液体，因此乳化沥青的实验室内制作工艺主要为确定剪切速率与剪切时间以及乳液与沥青的加入顺序。当剪切速率过大时，由于转定子和物料间高速摩擦，故易产生较大的热量，热量会使乳液的温度升高，温度过高会造成乳化沥青性能下降，当加入改性剂水性高分子a、b组分后，过高的温度会加速二者的固化反应，缩短改性乳化沥青的可操作时间；当剪切速度过低时，乳液的流动循环较慢，由于沥青与乳液黏度相差较大，转速较低，两者很难混到一起并形成稳定体系，通过试验确定转速为4000r/min.。通过试验进行两种加入顺序的试验，在先将沥青加热到135℃的情况下，开动剪切仪并加入60℃的乳液，由于二者的温度差，造成乳液暴沸，无法继续进行试验。调整顺序后，将高温液体加入到低温液体中，此时由于剪切仪已经开动，液体开始流动，很快将沥青温度降低并乳化，按配比将所需的基质沥青全部加入到乳液中时，仔细观察乳液状态，待乳液变为褐色及稳定后即乳化完成，确定乳化时间。综上确定室内改性乳化沥青制备工艺见图1。

3拌合条件、顺序及外掺水确定

1)拌合条件

当拌合过程中温度过高时，乳化沥青过早破乳，会造成水油分离，沥青与细集料及矿粉水泥结合在一起形成强度不高的胶团，而粗集料表面由于水的冲刷作用而导致集料裹覆不全，出现大量花白料，影响混合料的施工及试件成型。在出现这种情况后，会使试件成型或者施工过程中造成混合料的离析，最终导致其强度不高，引起路面损坏。在拌合过程中，集料不得加热，拌合锅温度不能过高，刚生产完的温度达到80-90℃的乳化沥青不得直接用于混合料的生产。当温度超过80℃而未降到室温的条件下，进行水性高分子改性乳化沥青混合料的拌合实验造成的过早破乳，油水已经分离，此时混合料呈黑色，并出现大量的胶团及花白料。常温下正常拌合的混合料，可见混合料的干湿状态良好，乳化沥青与集料裹覆均匀，因此确定拌合条件为常温。

2)拌合顺序

水性高分子改性乳化沥青混合料由集料、矿粉、水泥、水、乳化沥青组成，不同的加入顺序将会出现不同的拌合状态，作为阳离子乳化沥青，集料必须经过润湿才能使其更好的与沥青黏结在一起，形成较厚的沥青膜。同时在试验中发现，矿粉的加入顺序对拌合状态影响较大，如果将集料、水泥、矿粉都加入后再加入水拌合后最后乳化沥青，将造成矿粉与乳化沥青结团及而集料表面乳化沥青裹覆不均匀的现象。另外影响拌合效果的因素还有拌合时间，拌合时间过短会造成裹覆不均匀，沥青膜厚度不一致；拌合时间过长会造成破乳，破乳后的水会冲刷沥青，形成花白料。

经过多次试验，主要以拌合状态为控制目标，确定最佳的加料和拌合时间及方式为：首先将集料，水泥，水加入到拌合锅中，拌合30s；然后加入乳化沥青，拌合45s，最后加入矿粉，拌合45s。

3)外掺水确定

采用击实方法首先应计算初始乳化沥青含量，普通ac-13(见图2)粒径的热拌沥青混合料为4.5％左右，所以此次采用的初始乳化沥青用量为7％。共进行五组试验，含水量分别为3.17％，4.23％，4.53％，5.24％，5.78％。

混合料拌合顺序：首先将集料及水泥倒入拌合锅，进行干拌5-10s，加入外加水进行拌合30s，加入乳化沥青拌合30-45s，加入矿粉，拌合30-45s。将拌合好的混合料装入盘中并进行密封，进行四小时的闷料，后进行土工击实，然后进行烘干，测量五个含水率下击实的结果，将试验结果见表6和图3。

表6含水率与密度关系

经过二次回归得到曲线方程为：y＝-0.11x²+0.118x+1.9578，其中r²＝0.9265。根据方程及曲线可以确定其沥青混合料的最佳含水率为5.27％，此时测出的含水率包含乳化沥青中的水，减掉乳化沥青中所含的水，可得到最佳含水率为3.2％。采用3.2％的外掺水率进行混合料的试验时，发现混合料程过湿状态，在进行马歇尔击实试验时，由于含水量过高，在击实过程中出现唧浆的现象。

对确定外掺水量的过程进行分析，在土工击实试验中混合料需要进行闷料，在闷料过程中，水性高分子之间已经开始发生固化反应，已经有部分树脂固化后的混合料在进行马歇尔击实时，已经部分固化的环氧树脂阻止了混合料的击实压密过程。而在马歇尔成型试验以及现场的混合料拌合摊铺过程中，时间间隔并不会像闷料过程那么长，虽会发生固化反应，但反应的程度很低。所以认为通过土工击实试验确定的外掺水量偏高，需要进行小范围的修正。对通过土工击实实验确定的3.2％的外掺水量进行修正，在原有的基础上减去0.5％，以2.7％作为最佳外掺水量，进行混合料的试验。2.7％的外掺水量使混合料的拌合及击实得到了较好的效果。

综上确定水性高分子改性乳化沥青混合料外掺水的方法为：修正土工试验，即在土工试验确定最佳掺水量的基础上进行修正，减去0.5％。本文中最终确定混合料的最佳外掺水量为2.7％。

4成型及养生方式的确定

基于现有研究，为了确定最佳的击实及养生方式，对击实次数、方式以及养生方式进行以下三项为控制因素：

击实次数，包括50次和75次，是否二次击实

养生温度为60℃与105±5℃。采取马歇尔击实试验方法，成型马歇尔试件，并测定马歇尔试件的密度、稳定度、空隙率等各项指标，通过比较各项指标得到推荐的击实养生方法。试验结果见表7。

表7不同击实养生方式的混合料性能指标

由表7可知：

1)通过试验1跟4可以看出，当采取二次35+15的击实方式时，总共击实50次的密度甚至优于一次击实75次的效果，比较试验2、4可以看出当全部采用一次击实时，二者的密度相同，持续的增加击实次数，已经对混合料的密实没有作用，这就验证了土的有效应力理论在乳化沥青混合料中的正确性。

2)当击实方式完全相同时，可以看出60℃养生的试件比105℃±5℃养生的试件密度大，但是其强度却远低于105℃±5℃的养生的试件。通过计算发现，60℃养生的试件，密度较大的原因是混合料的水分没有完全蒸发掉，其中残留水分约为1.3％，残留的水分导致环氧树脂固化不完全，乳化沥青与混合料的黏度降低，最终导致混合料的强度远低于105℃±5℃养生的试件。

3)将60℃的试件的残留水分扣除，发现60℃养生的试件的真实密度是低于105℃±5℃的养生的试件，这可能是因为在60℃条件下进行二次击实，此时的沥青较105℃流动性较低，粘度较大，润滑作用较小，更多的是一种阻力作用，所以导致二次击实效果不明显。

综上，最终确定的击实养生方式为：1)击实50次，2)在105±5℃养生24小时，3)二次击实25次，4)常温养生12小时以上。