CN113884663A - 一种冷再生用乳化沥青选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷再生用乳化沥青选择方法，该方法包括：一、选择乳化沥青检测各项常规性能并判断；二、测定乳化沥青界面张力、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径并判断；三、选择集料；四、计算乳化沥青与集料间的黏附功并判断；五、通过拉拔试验测试获得拉拔强度POTS并判断；六、对乳化沥青综合评价并完成选择。本发明从乳化沥青的本质及其与集料的相互作用出发，提出基于多指标的冷再生用乳化沥青选择方法，控制了乳化沥青的稳定性并提高其与集料间的粘结力，保证了乳化沥青冷再生混合料形成良好的整体粘结性能，避免施工期易出现的乳化沥青从集料表面的黏结失效问题，改善了乳化沥青冷再生混合料的路用性能，延长路面使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于公路工程材料技术领域，具体涉及一种冷再生用乳化沥青选择方法。
背景技术
近年来，乳化沥青冷再生技术以其经济、环保的优势，在公路大中修及改扩建工程中的应用逐年递增，形成了可持续发展的趋势。由于目前对冷再生用乳化沥青技术性能要求认识的不足，缺乏科学合理的选择方法，造成冷再生路面施工期即出现乳化沥青稳定性不足、提前破乳以及乳化沥青与集料黏附性不足等问题，引起实体冷再生工程出现了较多的坑槽、开裂、车辙等早期病害。以往乳化沥青冷再生混合料大多用于路面基层，如今其逐渐开始提高到路面面层结构中使用，这就对其性能提出了更高的要求。因此，有必要发明一种冷再生用乳化沥青选择方法，以满足该更高的性能要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种冷再生用乳化沥青选择方法。该方法从乳化沥青的本质及其与集料的相互作用出发，提出基于多指标的冷再生用乳化沥青选择方法，有效控制乳化沥青的稳定性并提高其与集料间的粘结力，保证乳化沥青冷再生混合料形成良好的整体粘结性能，避免施工期易出现的乳化沥青从集料表面的黏结失效问题，显著改善了乳化沥青冷再生混合料的路用性能，延长路面使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选择乳化沥青，然后按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2019)的性能要求检测乳化沥青的各项常规性能，获得检测结果并进行判断，如果检测结果合格，则进行下一步骤，如果检测结果不合格，则重新选择乳化沥青重复进行检测、判断；
步骤二、对步骤一中检测结果合格的乳化沥青进行界面张力测定、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径测定，获得测定结果并进行判断，如果测定结果合格，则进行下一步骤，如果测定结果不合格，则返回步骤一中重新进行选择、检测和判断；
步骤三、按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的性能要求选择集料；
步骤四、采用蒸馏水、甘油及甲酰胺作为试剂，分别测量三种试剂在步骤二中测定结果合格的乳化沥青的蒸发残留物表面以及在步骤三中选择的集料表面的接触角θ，然后根据接触角θ和三种试剂的表面自由能γ、极性分量γp和色散分量γd，计算确定乳化沥青与集料间的黏附功Was并进行判断，如果黏附功Was合格，则进行下一步骤，如果黏附功Was不合格，则返回步骤一中重新进行选择、检测和判断；
步骤五、通过拉拔试验测试，获得步骤二中测定结果合格的乳化沥青的蒸发残留物表面与步骤三中选择的集料间的拉拔强度POTS，并进行判断，如果拉拔强度POTS合格，则进行下一步骤，如果拉拔强度POTS不合格，则返回步骤一中重新进行选择、检测和判断；
步骤六、基于步骤二中的界面张力、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径测定结果，步骤四中的黏附功Was和步骤五中的拉拔强度POTS，对乳化沥青进行综合评价并完成选择。
乳化沥青的微观特性属于材料的本质属性，显著影响乳化沥青与集料间的黏附性、施工和易性和冷再生混合料的路用性能。本发明从乳化沥青的微观特性出发，首先对乳化沥青的各项常规性能进行检测，保证其基本技术指标满足行业规范《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2019)要求，确保乳化沥青选择的合理性；然后对乳化沥青进行界面张力测定、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径测定，其中，界面张力是乳化沥青的重要指标之一，乳化剂在整个乳化沥青体系中的作用就是降低水与沥青微粒间的界面张力，使乳化沥青体系保持相对稳定，Zeta电位是对乳化沥青体系中颗粒之间相互排斥或吸引力的度量，Zeta电位的绝对值越高，乳化沥青体系越稳定，而乳化沥青微粒的分布状态及其粒径大小决定着乳化沥青的稳定性及破乳速度等，进而影响由其制备的冷再生混合料性能，因此，本发明将界面张力、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径纳入乳化沥青选择指标体系，有效控制了乳化沥青的稳定性和破乳速度，为乳化沥青与集料之间良好的相互作用提供技术保障，弥补了现有技术中有关乳化沥青技术指标的欠缺和不足；再选择集料，并分别计算乳化沥青与集料间的黏附功Was和拉拔强度POTS，黏附功是一种基于表面能理论计算确定乳化沥青与集料之间相互作用力的指标，拉拔强度则是一种基于试验直接测定乳化沥青与集料之间粘结力的指标，本发明研究过程中发现乳化沥青与集料之间的黏附功与拉拔强度存在良好的正相关关系，因此，本发明将黏附功与拉拔强度纳入乳化沥青选择指标体系，从理论和试验两方面保证了选择的乳化沥青与集料之间具有优良的黏附性能。
综上，本发明在满足现行规范技术性能要求的基础上，从乳化沥青的材料本质属性及其与集料之间的相互作用出发，基于影响乳化沥青稳定性及其与集料黏附性的关键因素，提出基于多指标的冷再生用乳化沥青选择方法，有效控制乳化沥青技术性能的稳定性并提高其与集料间的粘结力，保证乳化沥青冷再生混合料形成良好的整体粘结性能，进而显著改善乳化沥青冷再生混合料的抗水损及其他路用性能，减少冷再生路面水损害、裂缝、车辙等早期病害的产生，显著提升冷再生路面使用品质，延长路面使用寿命，为其成功应用于沥青路面的面层结构提供技术保障。
上述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤一中所述《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2019)的性能要求如下表所示：
上述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤二中采用表界面张力试验仪测定乳化沥青的界面张力，采用Zeta电位分析仪测试乳化沥青的Zeta电位，采用激光粒度试验测定乳化沥青的平均粒径和D90粒径；步骤二中所述测定结果进行判断的标准为：乳化沥青的界面张力不大于2.9mN/m，Zeta电位不小于27mV，乳化沥青的平均粒径不大于4.9μm，D90粒径不大于7.0μm。本发明中的D90粒径为乳化沥青中占粒度分布曲线90％所对应的粒径。Zeta电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量，Zeta电位的绝对值越高，体系越稳定；乳化沥青的粒径分布能够影响其存储稳定性及破乳速度；而D90粒径指标既能够说明胶体中粒径的大小，同时也反映胶体中粒径分布的均匀程度；本发明通过对上述参数进行限定，实现对乳化沥青性能的控制，使其更适用于冷再生要求。
上述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤三中选择的集料对应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中粗集料和细集料的各项性能指标要求。通过该限定使得集料与现有规范贴合，保证了后续拉拔、黏附功测试结果的准确性。
上述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤四中采用接触角测量仪测量接触角θ，然后结合三种试剂的表面自由能γ、极性分量γp和色散分量γd，分别计算乳化沥青的蒸发残留物与集料在不同试剂条件下对应的xi和yi，计算公式如(1)和(2)所示：
公式(1)和(2)中，
为不同试剂的极性分量，
为不同试剂的色散分量，γi为不同试剂的表面自由能，单位均为mJ/m2，其中i表示不同试剂即蒸馏水、甘油或甲酰胺；
再根据乳化沥青的蒸发残留物与集料在不同试剂条件下对应的xi和yi，分别进行x-y线性拟合，得到乳化沥青的蒸发残留物拟合直线与集料拟合直线，则乳化沥青的蒸发残留物拟合直线的斜率平方值为乳化沥青的极性分量
截距平方值为乳化沥青的色散分量
集料拟合直线的斜率平方值为集料的极性分量
截距平方值为集料的色散分量
计算得到乳化沥青与集料间的黏附功Was，计算公式如(3)所示：
公式(3)中，
和Was的单位均为mJ/m2。
上述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步步骤五中所述拉拔试验测试的具体过程为：采用内径为20mm的钻头钻取集料芯样，用小型切割机磨平端部，然后通过粘接剂与拉拔块粘结，固定后在其上部给予复压，再放置于恒温烘箱中在60℃下固化8h以上，得到集料样品；称取0.71g乳化沥青的蒸发残留物并放置于烘箱中在60℃下充分融化，然后放置于上、下两颗集料样品之间制成拉拔试件，将拉拔试件整体安装在拉拔试验测试装置的固定台上并加压，使得上、下两颗集料样品充分粘结，再施加载荷进行拉拔试验，记录拉拔试验载荷峰值，并计算拉拔强度POTS，计算公式如(4)所示：
公式(4)中，POTS为拉拔强度，单位为kPa，F为拉拔试验荷载峰值，单位为N，A为芯样截面积，单位为mm2。
本发明拉拔试验测试的具体过程及计算公式基于AASHTO(TP91-15)规范，对其中的BBS试验进行了相应改进，仅采用万能试验机作为拉拔试验测试装置，即可同时控制拉拔试验测试的温度及加载速率。
上述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤四中所述乳化沥青与集料间的黏附功Was的判断标准为：Was≥116mJ/m2，步骤五中所述乳化沥青与集料间的拉拔强度POTS的判断标准为：POTS≥1300kPa。本发明通过拟合乳化沥青与集料间的拉拔强度与表面能的关系，并以统计均值95％置信区间上限值取整作为限值，得到上述判断标准，以充分保证乳化沥青与集料间的配伍性。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明从乳化沥青的材料本质属性及其与集料之间的相互作用出发，提出基于多指标的冷再生用乳化沥青选择方法，有效控制乳化沥青技术性能的稳定性并提高其与集料间的粘结力，保证乳化沥青冷再生混合料形成良好的整体粘结性能，避免乳化沥青冷再生混合料施工期易出现的乳化沥青从集料表面的黏结失效问题，显著改善了乳化沥青冷再生混合料的路用性能，延长路面使用寿命，且选择指标体系科学完善、选择过程合理可靠。
2、本发明将界面张力、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径纳入乳化沥青选择指标体系，有效控制了乳化沥青的稳定性和破乳速度，为乳化沥青与集料之间良好的相互作用提供技术保障，弥补了现有技术中有关乳化沥青技术指标的欠缺和不足。
3、本发明将黏附功与拉拔强度纳入乳化沥青选择指标体系，从理论和试验两方面保证了选择的乳化沥青与集料之间具有优良的黏附性能，进一步确保了乳化沥青冷再生混合料的整体粘结性。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明冷再生用乳化沥青选择方法的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、选择乳化沥青，然后按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2019)的性能要求检测乳化沥青的各项常规性能，具体性能要求及检测结果如表1所示，判断获得的检测结果合格；
表1
步骤二、对步骤一中选择的乳化沥青采用Dataphysics公司生产DCAT21型的表面/界面张力试验仪进行界面张力测定，采用美国贝克曼公司生产的Zeta电位分析仪进行Zeta电位测试，采用激光粒度试验测定平均粒径和D90粒径，获得测定结果并进行判断，判断标准和测定结果如表2所示，通过表2中数值判断乳化沥青的检测结果合格；
表2
| 性能指标 | 测定值 | 指标要求 |
| 界面张力(mN/m) | 2.24 | ≤2.9 |
| Zeta电位(mV) | 31.71 | ≥27 |
| 平均粒径(μm) | 2.59 | ≤4.9 |
| D90(μm) | 1.80 | ≤7.0 |
步骤三、按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的性能要求选择陕北产石灰岩作为集料，陕北产石灰岩的具体性能要求及检测结果如表3所示，根据表3中数值判断陕北产石灰岩的性能检测结果满足规范要求；
表3
| 试验项目 | 试验结果 | 试验标准 | 试验方法 |
| 压碎值(％) | 21.72 | ≯26 | T0316 |
| 磨耗值(％) | 17.76 | ≯28 | T0317 |
| 表观相对密度 | 2.69 | ≮2.60 | T0304 |
| 针片状含量(％) | 12.10 | ≯15 | T0312 |
| 与沥青粘附等级 | 5 | - | T0616 |
表中的“-”表示无此项试验标准，“≯”表示小于等于，“≮”表示大于等于。
步骤四、采用蒸馏水、甘油及甲酰胺作为试剂，分别采用接触角测量仪测定三种试剂在步骤二中测定结果合格的乳化沥青的蒸发残留物表面以及在步骤三中选择的陕北产石灰岩表面的接触角θ，结果如表4所示；
表4
然后结合三种试剂的表面自由能γ、极性分量γp和色散分量γd，如表5所示，分别计算乳化沥青的蒸发残留物与集料在不同试剂条件下对应的xi和yi，计算公式如(1)和(2)所示，并根据乳化沥青的蒸发残留物与集料在不同试剂条件下对应的xi和yi，分别进行x-y线性拟合，得到乳化沥青的蒸发残留物拟合直线与集料拟合直线，结果如表6所示；
公式(1)和(2)中，
为不同试剂的极性分量，
为不同试剂的色散分量，γi为不同试剂的表面自由能，单位均为mJ/m2，其中i表示不同试剂即蒸馏水、甘油或甲酰胺；
表5
表6
根据乳化沥青的蒸发残留物拟合直线的斜率平方值为乳化沥青的极性分量
截距平方值为乳化沥青的色散分量
集料拟合直线的斜率平方值为集料的极性分量
截距平方值为集料的色散分量
得到乳化沥青的极性分量
乳化沥青的色散分量
陕北产石灰岩的极性分量
陕北产石灰岩的色散分量
进而计算得到乳化沥青与陕北产石灰岩间的黏附功Was，计算公式如(3)所示：
公式(3)中，
和Was的单位均为mJ/m2；
带入对应数值计算，得到：
则乳化沥青与陕北产石灰岩间的黏附功Was满足不小于116mJ/m2的要求，继续进行下一步骤；
步骤五、使用MTS-30试验机对乳化沥青蒸发残留物与集料间的拉拔强度进行测试，具体过程为：采用内径为20mm的钻头钻取集料芯样，用小型切割机磨平端部，然后通过粘接剂与拉拔块粘结，固定后在其上部给予复压，再放置于恒温烘箱中在60℃下固化8h以上，得到集料样品；称取0.71g乳化沥青的蒸发残留物并放置于烘箱中在60℃下充分融化，然后放置于上、下两颗集料样品之间制成拉拔试件，将拉拔试件整体安装在拉拔试验测试装置的固定台上并加压，使得上、下两颗集料样品充分粘结，再施加载荷进行拉拔试验，记录拉拔试验载荷峰值F＝1.852kN，拉拔试件的半径为20mm，计算拉拔强度POTS，计算公式如(4)所示：
公式(4)中，POTS为拉拔强度，单位为kPa，F为拉拔试验荷载峰值，单位为N，A为芯样截面积，单位为mm2；
带入对应数值计算，得到：
则乳化沥青与陕北产石灰岩间的拉拔强度POTS满足大于1300kPa的要求，继续进行下一步骤；
步骤六、基于步骤二中的界面张力、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径测定结果，步骤四中的黏附功Was和步骤五中的拉拔强度POTS，对乳化沥青进行综合评价，判断乳化沥青的各项指标均满足要求，故选择该乳化沥青作为冷再生用沥青的结合料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选择乳化沥青，然后按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2019)的性能要求检测乳化沥青的各项常规性能，获得检测结果并进行判断，如果检测结果合格，则进行下一步骤，如果检测结果不合格，则重新选择乳化沥青重复进行检测、判断；
步骤二、对步骤一中检测结果合格的乳化沥青进行界面张力测定、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径测定，获得测定结果并进行判断，如果测定结果合格，则进行下一步骤，如果测定结果不合格，则返回步骤一中重新进行选择、检测和判断；
步骤三、按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的性能要求选择集料；
步骤四、采用蒸馏水、甘油及甲酰胺作为试剂，分别测量三种试剂在步骤二中测定结果合格的乳化沥青的蒸发残留物表面以及在步骤三中选择的集料表面的接触角θ，然后根据接触角θ和三种试剂的表面自由能γ、极性分量γp和色散分量γd，计算确定乳化沥青与集料间的黏附功Was并进行判断，如果黏附功Was合格，则进行下一步骤，如果黏附功Was不合格，则返回步骤一中重新进行选择、检测和判断；
步骤五、通过拉拔试验测试，获得步骤二中测定结果合格的乳化沥青的蒸发残留物表面与步骤三中选择的集料间的拉拔强度POTS，并进行判断，如果拉拔强度POTS合格，则进行下一步骤，如果拉拔强度POTS不合格，则返回步骤一中重新进行选择、检测和判断；
步骤六、基于步骤二中的界面张力、Zeta电位以及平均粒径、D90粒径测定结果，步骤四中的黏附功Was和步骤五中的拉拔强度POTS，对乳化沥青进行综合评价并完成选择。
2.根据权利要求1所述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤一中所述《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2019)的性能要求如下表所示：
3.根据权利要求1所述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤二中采用表界面张力试验仪测定乳化沥青的界面张力，采用Zeta电位分析仪测试乳化沥青的Zeta电位，采用激光粒度试验测定乳化沥青的平均粒径和D90粒径；步骤二中所述测定结果进行判断的标准为：乳化沥青的界面张力不大于2.9mN/m，Zeta电位不小于27mV，乳化沥青的平均粒径不大于4.9μm，D90粒径不大于7.0μm。
4.根据权利要求1所述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤三中选择的集料对应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中粗集料和细集料的各项性能指标要求。
5.根据权利要求1所述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤四中采用接触角测量仪测量接触角θ，然后结合三种试剂的表面自由能γ、极性分量γp和色散分量γd，分别计算乳化沥青的蒸发残留物与集料在不同试剂条件下对应的xi和yi，计算公式如(1)和(2)所示：
公式(1)和(2)中，
为不同试剂的极性分量，
为不同试剂的色散分量，γi为不同试剂的表面自由能，单位均为mJ/m2，其中i表示不同试剂即蒸馏水、甘油或甲酰胺；
再根据乳化沥青的蒸发残留物与集料在不同试剂条件下对应的xi和yi，分别进行x-y线性拟合，得到乳化沥青的蒸发残留物拟合直线与集料拟合直线，则乳化沥青的蒸发残留物拟合直线的斜率平方值为乳化沥青的极性分量
截距平方值为乳化沥青的色散分量
集料拟合直线的斜率平方值为集料的极性分量
截距平方值为集料的色散分量
计算得到乳化沥青与集料间的黏附功Was，计算公式如(3)所示：
公式(3)中，
和Was的单位均为mJ/m2。
6.根据权利要求1所述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤五中所述拉拔试验测试的具体过程为：采用内径为20mm的钻头钻取集料芯样，用小型切割机磨平端部，然后通过粘接剂与拉拔块粘结，固定后在其上部给予复压，再放置于恒温烘箱中在60℃下固化8h以上，得到集料样品；称取0.71g乳化沥青的蒸发残留物并放置于烘箱中在60℃下充分融化，然后放置于上、下两颗集料样品之间制成拉拔试件，将拉拔试件整体安装在拉拔试验测试装置的固定台上并加压，使得上、下两颗集料样品充分粘结，再施加载荷进行拉拔试验，记录拉拔试验载荷峰值，并计算拉拔强度POTS，计算公式如(4)所示：
公式(4)中，POTS为拉拔强度，单位为kPa，F为拉拔试验荷载峰值，单位为N，A为芯样截面积，单位为mm2。
7.根据权利要求1所述的一种冷再生用乳化沥青选择方法，其特征在于，步骤四中所述乳化沥青与集料间的黏附功Was的判断标准为：Was≥116mJ/m2，步骤五中所述乳化沥青与集料间的拉拔强度POTS的判断标准为：POTS≥1300kPa。
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