基于正交试验的乳化沥青材料配方研究

江文凌　禤炜安　熊剑平　韦万峰

摘要：文章以固含量、改性剂、稳定剂作为材料配方的考察因素，进行3因素3水平正交试验设计，测试评价不同试验方案条件下乳化沥青的筛上剩余量、储存稳定性、蒸发残留物参数等指标。结果表明：对乳化沥青性能指标影响最大的是改性剂，固含量和稳定剂的影响程度相当，优选方案为固含量为60%、改性剂为3%、稳定剂为0.2%。该材料配方条件下SBR改性乳化沥青各项技术指标均满足现行相关规范要求。

关键词：道路工程；乳化沥青；材料配方；正交试验

0引言

乳化沥青的研究始于20世纪初［1-2］，经过不断的技术完善与发展，目前乳化沥青在道路工程中已获得广泛应用，衍生出普通型或改性型、喷洒型或拌和型、不同电荷种类等多类型多场景乳化沥青，并且大多可根据用户需求进行配方调试。乳化沥青是一种多组分复合而成的沥青材料，主要以基质沥青为基材，通过调节用水量、改性剂、酸碱调节剂、稳定剂等原材料，在相匹配的机械加工工艺作用下形成常温液态沥青。由于其改变了基质沥青原有的半固态特性，多元复合材料组成体系使材料性能的变化更为敏感，不同成分之间存在适配性和最优解。国内外学者对乳化沥青的材料配方也开展了大量的研究，提供了技术参考。丁湛等［3］以高固含量为目标，研究了乳化剂掺量、乳化液pH值等对乳化沥青储存稳定性的影响，验证了固含量为60%的乳化沥青性能并推荐了最佳工艺参数。杨同伟［4］研究了丁苯橡胶（SBR）胶乳掺量对于乳化沥青常规性能和流变性能的影响，推荐SBR胶乳的适宜掺量为4%。徐永丽等［5］采用正交试验法研究了沥青加热温度、乳化剂掺量及皂液pH值对乳化效果的影响，给出了最佳制备方案。任海生等［6］对SBR/CR复合改性乳化沥青的制备及性能进行了研究，给出了SBR与CR的最佳掺量为2∶1。随着“双碳”发展目标的提出，常温型近零碳的乳化沥青基材料备受道路工作者的推崇，如何高效获得乳化沥青多组分的掺配比例并且实现材料的高性能化，尚需进一步深入挖掘和技术研发。

本文以固含量、改性剂、稳定剂为材料配方考察因素，进行正交试验设计，测试评价不同试验方案条件下乳化沥青的筛上剩余量、1 d储存稳定性、蒸发残留物参数三大指标，在不同指标评价的直观分析法的基础上，综合对比分析，获得乳化沥青最佳材料配方，并对其进行性能验证。

1 原材料

本研究使用的原材料主要有70#道路石油沥青、阳离子乳化剂、SBR改性剂、稳定剂等。

1.1 基质沥青

基质沥青为泰普克70#道路石油沥青，技术指标如表1所示。

由表1可以看出，试验所用的70#道路石油沥青的各项性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求。

1.2 乳化剂

主要采用KZW-801U陽离子乳化剂，推荐掺量为2%，pH值控制在2左右。

1.3 改性剂

采用的改性剂主要为SBR胶乳，其技术指标如表2所示。

1.4 稳定剂

研究中采用的稳定剂是NaCl。

2 试验方案

研究对比不同厂家与型号的乳化剂的乳化效果，通过调研对比，在试验中选用了应用效果较好且评价较高的3个厂家共6种型号的乳化剂，采用3因素3水平正交试验方法开展不同固含量、改性剂、稳定剂在不同掺量条件下改性乳化沥青的性能研究，正交试验表如表3所示。以相同的工艺参数按照不同试验编号分别加工制备改性乳化沥青，测试其筛上剩余量、储存稳定性、蒸发残留物三大指标等性能参数，通过正交试验分析法确定主要的影响因子和最佳材料配方。

按照表3开展9组不同材料配方试验，不同方案对应的因素和水平信息如表4所示。

3 试验结果与分析

3.1 正交试验结果

按照正交试验方案制备改性乳化沥青，分别测试改性乳化沥青的筛上剩余量、储存稳定性、蒸发残留物三大指标，试验结果如表5所示。

3.2 不同性能指标直观分析

3.2.1 筛上剩余量直观分析

以筛上剩余量为评价指标进行正交试验分析，极差计算结果如表6所示。

极差值R越大，说明该因素的影响程度越显著。由表6可以看出，对乳化沥青筛上剩余量影响程度的排序为B改性剂＞A固含量＞C稳定剂，即SBR改性剂的影响最显著，其次为固含量，稳定剂的影响最弱，其极差值分别为0.10%、0.07%、0.03%。筛上剩余量越小越好，故此配方条件下最佳的方案为A1B1C1或A1B1C3。

3.2.2 储存稳定性直观分析

以储存稳定性为评价指标进行正交试验分析，极差计算结果如下页表7所示。

由表7可以看出，对乳化沥青储存稳定性影响程度的排序为B改性剂＞C稳定剂＞A固含量，即SBR改性剂的影响最显著，其次为稳定剂，固含量的影响最弱，其极差值分别为1.3%、1.0%、0.3%。储存稳定性固含量差值越小越好，故此配方条件下最佳的方案为A1B1C2。

3.2.3 蒸发残留物针入度直观分析

以蒸发残留物针入度为评价指标，进行正交试验分析，极差计算结果如表8所示。

由表8可以看出，对乳化沥青蒸发残留物针入度影响程度的排序为B改性剂＞A固含量＞C稳定剂，即SBR改性剂的影响最显著，其次为固含量，稳定剂的影响最弱，其极差值分别为0.76 mm、0.72 mm、0.68 mm，不同因素间的极差差异不大，表明各方案的差异不明显，未存在明显优势方案。

3.2.4 蒸发残留物软化点直观分析

以蒸发残留物软化点为评价指标，进行正交试验分析，极差计算结果如表9所示。

由表9可以看出，对乳化沥青针入度影响程度的排序为B改性剂＞C稳定剂＞A固含量，即SBR改性剂的影响最显著，其次为稳定剂，固含量的影响最弱，其极差值分别为3.1 ℃、1.0 ℃、0.9 ℃。蒸发残留物软化点越高越好，故此配方条件下的最佳方案为A3B3C2。

3.2.5 蒸发残留物延度直观分析

以蒸发残留物延度为评价指标，进行正交试验分析，极差计算结果如表10所示。

由表10可以看出，对乳化沥青延度影响程度的排序为B改性剂＞C稳定剂＞A固含量，即SBR改性剂的影响最显著，其次为稳定剂，固含量的影响最弱，其极差值分别为2.6 cm、1.7 cm、0.8 cm。蒸发残留物延度越大越好，故此配方条件下最佳的方案为A1B3C2。

3.2.6 综合直观分析

对上述不同评价指标的影响因素排序和最佳方案进行统计分析，结果如表11所示。

通过对乳化沥青上述五项技术指标的综合分析可知，对乳化沥青性能指标影响最大的是改性剂，固含量和稳定剂的影响程度相当。

从乳化沥青技术指标角度进行优选方案，对固含量而言，可见A1、B1或B3、C2出现频次最多，因此固含量为55%、改性剂掺量为0或3%、稳定剂为0.2%时综合性能最优。分析上述改性剂掺量出现0和3%双选结果，对于筛上剩余量和储存稳定性，显然无改性剂时该两项技术指标更优；对于蒸发残留物软化点和延度，显然在一定量范围内，改性剂越多该两项技术指标越好。为实现冷拌冷铺沥青混合料较好的路用性能，添加改性剂是本研究的重要技术路径，从主次技术指标角度分析，改性剂掺量取3%。

3.3 最佳配方性能验证

根据经验，由正交试验中确定的最佳方案往往仅是相对的，并且在新的参数组合条件下乳化沥青的性能还需要进一步验证和采用单因素试验对比研究，从而确定各项性能指标均符合要求的最佳方案。本研究主要以固含量60%、改性剂3%、稳定剂0.2%为材料配方，采用整体式乳化沥青胶体磨制备样品并进行性能指标检测，试验结果如后页表12所示。

根据试验结果可以看出，以SBR为改性剂的改性乳化沥青的主要技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求。

4 结语

本研究以乳化沥青的筛上剩余量、储存稳定性、蒸发残留物参数三大指标为评价指标进行正交试验设计，并采用极差法进行综合分析。结果表明，对乳化沥青性能指标影响最大的是改性剂，固含量和稳定剂的影响程度相当，优选方案为固含量60%、改性剂3%、稳定剂0.2%。该配方条件下SBR改性乳化沥青各项技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求。

参考文献：

［1］李 高，廖义鹏，叶流颖，等.改性乳化沥青的研究进展及其应用［J］.化工新型材料，2019，47（10）：242-245.

［2］朱开宬，王文奇，王 泽，等.乳化沥青材料研究进展与展望［J］.四川建材，2016，42（7）：1-2，5.

［3］丁 湛，王爱波，张琳青，等.高固含量乳化沥青储存稳定性影响因素研究［J］.应用化工，2023（4）：1 060-1 065.

［4］杨同伟.丁苯胶乳改性乳化沥青常规性能及流变性能研究［J］.粘接，2022，49（12）：31-35.

［5］徐永丽，孙思达，赵启睿.基于正交试验分析影响乳化沥青性能的敏感因素［J］.中外公路，2022，42（4）：227-232.

［6］任海生，黃维蓉，崔 通，等.SBR/CR复合改性乳化沥青的制备及性能研究［J］.武汉大学学报（工学版），2021，54（11）：1 022-1 027.

基金项目：南宁市优秀青年科技创新创业人才培育项目“蔗渣纤维改性乳化沥青混合料研发与应用技术”（编号：RC20200203）；中央引导地方科技发展资金项目“广西典型固体废弃物道路领域综合资源化利用技术研发中心”（编号：桂科ZY21195043）

作者简介：江文凌（1988—），工程师，主要从事道路工程设计与研发工作。