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耐高温不粘轮乳化沥青的制备与性能研究

  • 严涵 1 ✉
  • 查旭东 1
  • 康潇刚 2
  • 龚演 3 ✉
  • 张政基 2
  • 张文帅 2
1. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114； 2. 华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045； 3. 交通运输部公路科学研究院，北京市 100088

中图分类号： U414

最近更新：2025-02-22

DOI： 10.14048/j.issn.1671-2579.2025.01.010

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EN 引
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摘要

针对现有的黏层不粘轮乳化沥青施工过程中存在的高温粘轮问题，根据高温不粘轮要求，该研究采用70#、15#基质沥青和水性聚氨酯树脂复合改性的方法，制备硬质沥青‒水性聚氨酯树脂（Hard Asphalt‑Waterborne Polyurethane Resin，HA‑WPR）改性乳化沥青；通过一系列室内试验对其技术性能、不粘轮性能、层间黏结性能进行研究，并与普通不粘轮乳化沥青和普通乳化沥青黏层油进行对比。结果表明：HA‑WPR改性乳化沥青技术性能均满足规范要求，乳化效果和储存稳定性较好；在60 ℃和65 ℃高温条件下，当HA‑WPR改性乳化沥青的掺配比例为30%的70#沥青、70%的15#沥青（沥青的质量比）和5%水性聚氨酯树脂（乳化沥青的质量比）时的黏附率最低，分别为0.8%和2.3%，相比普通不粘轮乳化沥青和普通乳化沥青黏层油，其高温不粘轮效果显著，并且破乳速度快，便于优化施工过程，提高效率；在室温和高温环境下，HA‑WPR改性乳化沥青的层间抗剪强度均高于普通不粘轮乳化沥青和普通乳化沥青黏层油，其层间黏结强度更高，温度敏感性更弱，且具有良好的技术经济性。因此，HA‑WPR改性乳化沥青可有效改善沥青路面黏层施工过程的高温粘轮现象，提升路面使用寿命，降低养护频率，具有较高的性价比。

0 引言

中国沥青路面结构设计基于多层弹性层状体系理论，假设各结构层层间完全接触且连续，层间无摩擦力，是完全黏结在一起的整体。然而，在实际施工中，沥青路面是分层摊铺并碾压的［

1］。因此，需要铺设层间黏结材料，加强各结构层间的黏结作用效果，该效果直接影响路面使用寿命［2-3］。尤其在上、下坡路段和汽车制动、加速、转弯处，层间黏结不良的路面易出现推移和车辙，进一步发展会形成更严重的拉裂和拥包等路面病害，降低路面使用寿命［4-6］。为增强沥青面层之间的黏结，常把乳化沥青用作黏层材料，其性能的优劣和施工后的效果直接关系到层间黏结性能［7-10］。

沥青为温度敏感性材料，在高温时表现为黏流特性，在低温时表现为脆性，乳化沥青也符合这一特性［

11］。夏季高温天气沥青路面施工时，地表温度较高，普通乳化沥青在施工碾压后易被轮胎带走，导致黏层损失，进而会影响层间黏结效果［12-14］，而普通乳化沥青存在黏结性能和储存稳定性较差、高温易变形、无法提供足够的黏结强度等问题［15-16］。

近年来，国内外提出使用硬质沥青制备乳化沥青来解决粘轮问题，但是用该方法制备的不粘轮乳化沥青无法保证高温情况下不粘轮［

17-23］。水性聚氨酯树脂材料为极性分子，使用其制备的乳化沥青，破乳后会在沥青表面形成薄膜，具有一定的不粘轮特性。因此，采用硬质沥青和水性聚氨酯树脂复合改性制备高温不粘轮乳化沥青是可行的。

基于此，本研究选用70#和15#基质沥青按照质量比3∶7、4∶6、5∶5的比例混合搅拌形成混合沥青，并且复掺3%、4%、5%（占乳化沥青的质量比）的水性聚氨酯树脂改性剂来制备硬质沥青‒水性聚氨酯树脂（Hard Asphalt-Waterborne Polyurethane Resin，HA-WPR）改性乳化沥青，采用室内试验对HA-WPR改性乳化沥青的技术性能、粘轮性能、层间黏结性能进行评价。

1 原材料

1.1 沥青

制备HA-WPR改性乳化沥青的基质沥青为70#和15#沥青，依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［

24］相关试验要求对两种基质沥青的主要技术性能指标进行检验，结果见表1。

表1  基质沥青主要性能试验结果
Table 1  Test results of main performance of matrix asphalt
试验项目单位15#沥青70#沥青试验方法
25 ℃针入度 0.1 mm 15.6 69.0 T0604
软化点 ℃ 74.5 48.1 T0606
15 ℃延度 cm 17.3 162 T0605
闪点 ℃ 270 262 T0611
溶解度（三氯乙烯） % 99.3 99.7 T0607
20 ℃密度 g/cm3 1.042 1.035 T0603

1.2 乳化剂

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）［

25］对黏层乳化沥青的要求，选用INDULIN AA-63D阳离子快裂乳化剂，其为白色膏状固体，pH值为6~8，可溶于热水和有机溶剂。

1.3 改性剂

改性剂选择PUD-NT水性聚氨酯树脂，其主要性能试验结果如表2所示。

表2  水性聚氨酯树脂主要性能试验结果
Table 2  Test results of main performance of WPR
外观

黏度/

（mPa · s）

pH值

密度/

（g · cm-3）

固含量/

%

乳白色液体 350 6~7 1.05 42

1.4 助剂

为了增强乳化效果以及储存稳定性，还需加入助剂，助剂材料包括pH调节剂和稳定剂。其中，pH调节剂是关键的乳化剂，在合适的酸碱环境下才能保持活性。根据厂家提供的pH推荐值选择调节剂，本研究所用pH调节剂为盐酸；稳定剂与乳化剂配合使用可提高乳化容量，增强乳化沥青的稳定性，延长储存时间，所用稳定剂为无水CaCl2。

2 试验方法及方案

2.1 HA-WPR改性乳化沥青制备方法和方案

采用胶体磨来制备HA-WPR改性乳化沥青，制备流程如下：① 将70#和15#基质沥青分别按照w（70#）∶w（15#）=3∶7、4∶6、5∶5的质量比混合搅拌2 h，制备成低标号混合沥青，并置于145 ℃烘箱中保温备用；② 按厂家推荐的乳化剂剂量0.5%，将乳化剂和稳定剂加入温水中搅拌至完全溶解后，加入盐酸调节pH值至2.5，配制成皂液，60 ℃水浴保温备用；③ 胶体磨预热后开启，先将皂液倒入胶体磨中循环1 min，然后倒入混合沥青继续循环2 min；④ 将制备好的乳化沥青倒入烧杯中，分别加入3%、4%、5%WPR（占乳化沥青质量百分比）搅拌0.5 h，即可得到HA-WPR改性乳化沥青。制备流程如图1所示，表3为不同掺配比例制备完成的混合沥青技术性能。

fig

图1  HA-WPR改性乳化沥青制备流程

Figure 1  Preparation process of HA-WPR-modified emulsified asphalt

表3  不同掺配比例混合沥青的技术性能
Table 3  Technical performance of mixed asphalt with different mixing ratios
w（70#）∶w（15#）25 ℃针入度/（0.1 mm）

软化点/

℃

15 ℃延度/

cm

3∶7 25.1 64.7 39.6
4∶6 30.5 62.1 48.2
5∶5 35.1 60.9 56.3

不同沥青配比和WPR掺量情况下的HA-WPR改性乳化沥青制备方案如表4所示。其中，70#和15#基质沥青占比为混合沥青的质量百分比，WPR占比为乳化沥青的质量百分比，对方案进行编号以便描述。为了对比HA-WPR改性乳化沥青的性质，将普通不粘轮乳化沥青设置为对照组A，普通乳化沥青黏层油设置为对照组B。其中，普通不粘轮乳化沥青是由30#沥青制备而成的，普通乳化沥青黏层油是由70#沥青制备而成的。

表4  HA-WPR改性乳化沥青制备方案
Table 4  Preparation schemes of HA-WPR-modified emulsified asphalt
方案

70#沥青

占比/%

15#沥青

占比/%

WPR

占比/%

编号
1 30 70 0 HA‑7‑WPR‑0
2 30 70 3 HA‑7‑WPR‑3
3 30 70 4 HA‑7‑WPR‑4
4 30 70 5 HA‑7‑WPR‑5
5 40 60 0 HA‑6‑WPR‑0
6 40 60 3 HA‑6‑WPR‑3
7 40 60 4 HA‑6‑WPR‑4
8 40 60 5 HA‑6‑WPR‑5
9 50 50 0 HA‑5‑WPR‑0
10 50 50 3 HA‑5‑WPR‑3
11 50 50 4 HA‑5‑WPR‑4
12 50 50 5 HA‑5‑WPR‑5

2.2 粘轮性能测试方法

粘轮性能测试过程如下：① 将300 mm×300 mm×4 mm纤维强化水泥板划分为3个300 mm×80 mm的区域，并将乳化沥青按照0.4 kg/m2的洒布量均匀洒布在纤维强化水泥板上，室温放置24 h保证其充分破乳；② 称取橡胶条质量，其尺寸为300 mm×60 mm×1 mm；③ 将纤维强化水泥板、橡胶条放入高温（60 ℃或65 ℃）的闭室浸水车辙仪内养护4 h以上；④ 将橡胶条放在纤维强化水泥板洒布乳化沥青的区域，并使橡胶条位于试验轮行驶位置处，启动仪器使试验轮在橡胶条表面来回碾压10次；⑤ 试验轮行驶结束后，2 s内快速揭起橡胶条一侧并将其撕下，称量试验后橡胶条的质量。

通过称量试验轮碾压前后橡胶条的质量变化，计算乳化沥青在轮胎上的黏附率，计算公式如式（1）［

26］所示：

A=B-CSD （1）

式中：A为轮胎黏附率（%）；B为试验后橡胶条的质量（g）；C为试验前橡胶条的质量（g）；S为橡胶条面积（m2）；D为乳化沥青洒布量（g/m2）。

2.3 表干试验方法

施工过程中，普通乳化沥青破乳时间长，在乳化沥青破乳不完全的情况下进行施工，也会导致出现乳化沥青粘轮现象。为了测试破乳时间，设计表干试验过程如下：① 将洁净的白纸裁剪成适宜大小的纸片备用；② 将乳化沥青按照洒布量0.4 kg/m2均匀洒布在纤维强化水泥板上；③ 洒布完成开始计时，每隔5 min把纸片放在乳化沥青的上方并用手指摁压，观察摁压后的纸片，当纸片表面无沥青痕迹即表干（完全破乳），此时记录的时间即为表干时间。

2.4 直接剪切试验方法

采用直剪试验评价层间黏结性能，通过制备厚度为50 mm的 AC-20下沥青层、黏层和厚度为50 mm的AC-13上沥青层圆柱体组合试件，模拟实际工程中常见的沥青路面结构的上、中面层组合。具体过程如下：① 采用轮碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的AC-20下沥青层试件，放置室温下24 h后，按照0.4 kg/m2洒布量洒布乳化沥青；② 待乳化沥青完全破乳后，在下沥青层试件上安装上层模具，并覆盖成型一层厚度为50 mm的AC-13上沥青层，试件放置室温下48 h后脱模；③ 钻芯取样，组合芯样直径和高度均为100 mm，每块试件取4个组合芯样。组合芯样制备过程见图2。

fig

图2  组合芯样制备过程

Figure 2  Preparation process of combined core sample

获得组合芯样后，采用三轴试验仪沿界面进行剪切试验，剪切速率为50 mm/min，试验温度分别为25 ℃和60 ℃。采用层间抗剪强度τ评价层间黏结性能，计算公式如式（2）所示：

τ=FA （2）

式中：τ为层间抗剪强度（MPa）；F为剪切力（N）；A为芯样截面面积（mm2）。

3 试验结果分析与讨论

3.1 技术性能

各乳化沥青的技术性能测试结果如表5所示，其中蒸发残留物软化点随15#基质沥青和WPR的掺量变化关系分别见图3、4。

表5  不同编号乳化沥青性能对比结果
Table 5  Comparison results of performance for different emulsified asphalt

乳化沥青

编号

1.18 mm

筛上剩余

量/%

蒸发残留物储存稳定性

含量/

%

25 ℃针入度/（0.1 mm）

软化点/

℃

1 d/

%

5 d/

%

HA‑7‑WPR‑0 0.05 51.3 26.0 64.2 0.49 0.52
HA‑7‑WPR‑3 0.01 52.1 24.8 66.8 0.54 0.71
HA‑7‑WPR‑4 0.03 52.4 24.2 67.7 0.41 0.69
HA‑7‑WPR‑5 0.00 51.9 23.6 69.1 0.03 0.25
HA‑6‑WPR‑0 0.03 51.6 32.1 62.9 0.34 0.49
HA‑6‑WPR‑3 0.02 52.3 30.1 64.2 0.12 0.28
HA‑6‑WPR‑4 0.00 52.4 29.6 65.6 0.16 0.49
HA‑6‑WPR‑5 0.01 51.6 29.1 66.3 0.13 0.30
HA‑5‑WPR‑0 0.01 52.4 36.2 60.5 0.46 0.53
HA‑5‑WPR‑3 0.00 51.8 34.8 61.8 0.37 0.57
HA‑5‑WPR‑4 0.01 52.3 34.5 62.5 0.05 0.61
HA‑5‑WPR‑5 0.02 52.1 34.1 63.7 0.06 0.43
对照组A 0.08 51.3 32.2 60.1 1.21 2.29
对照组B 0.09 40.3 71.3 49.8 0.95 3.24
规范要求 ≤0.10 ≥50.0 — — ≤1.00 ≤5.00
fig

图3  蒸发残留物软化点随15#沥青掺量变化

Figure 3  Variation of softening point for evaporated residues with 15# asphalt dosage

fig

图4  蒸发残留物软化点随WPR掺量变化

Figure 4  Variation of softening point for evaporated residues with WPR dosage

从表5可以看出：HA-WPR改性乳化沥青技术性能均满足要求，其中筛上剩余量低于对照组A、B，5 d的储存稳定性均不到1%，也远低于对照组A、B，说明HA-WPR改性乳化沥青同时具有易乳化和储存稳定性好的性能。

由图3、4可知：

（1） 同一WPR掺量下，随着15#基质沥青添加比例的降低，其蒸发残留物软化点逐渐降低；掺配比例为30%的70#沥青、70%的15#沥青的乳化沥青蒸发残留物软化点最高，这是因为15#基质沥青的软化点较高，掺量降低，进而会导致乳化沥青蒸发残留物的软化点降低。

（2） 在同一沥青掺量的情况下，添加WPR的乳化沥青残留物软化点高于未添加WPR的乳化沥青残留物软化点，且随着WPR掺量的增加，乳化沥青的蒸发残留物软化点逐渐升高，掺量为5% WPR的乳化沥青蒸发残留物软化点最高，说明添加WPR可以提高乳化沥青的高温性能。

（3） HA-WPR改性乳化沥青的软化点均高于对照组A、B，这说明HA-WPR改性乳化沥青的高温性能显著优于对照组乳化沥青。

3.2 粘轮性能评价

不同乳化沥青的黏附率测试结果如图5所示。

fig

图5  乳化沥青黏附率测试结果

Figure 5  Test results of adhesion rate for emulsified asphalt

由图5可知：在60 ℃和65 ℃条件下，HA-7-WPR-5的黏附率均是最低的。同一WPR掺量下，HA-WPR改性乳化沥青的黏附率随着15#沥青掺量的降低而逐渐增加，这是因为15#沥青掺量越低，乳化沥青软化点越低，高温性能也随之变差，黏附率也就越高；在同一沥青掺量的情况下，随着WPR添加量的增加，乳化沥青的黏附率逐渐降低，这是因为WPR是极性分子，当乳化沥青破乳后，随着水分蒸发，极性分子会迁移到上表面，形成一层热塑性隔离层；当试验轮碾压时，由于隔离层的作用，橡胶条与黏层不会发生黏结，因此表现为不粘轮的效果。WPR掺量越大，不粘轮效果越明显。在60 ℃时，HA-7-WPR-5的黏附率为0.8%，是对照组A黏附率的12%，是对照组B黏附率的6%；随着温度的上升，黏附率逐渐增大，在65 ℃时，HA-7-WPR-5的黏附率为2.3%，是对照组A黏附率的16%，是对照组B黏附率的10%。

由图5还可以看出：60 ℃时，同一沥青掺量下，添加3%WPR的乳化沥青黏附率比未添加WPR的降低3%左右；同一WPR掺量下，每增加10%的15#沥青，乳化沥青黏附率降低2%左右。这说明在此温度下，水性聚氨酯树脂降低黏附率的效果好于硬质沥青。

根据图6所示HA-7-WPR-5与对照组乳化沥青的黏附率试验照片可以看出：HA-7-WPR-5的橡胶条较为洁净，黏附的沥青最少，可以达到65 ℃高温情况下不粘轮的目的，并且不粘轮效果较好。因低标号沥青针入度小，黏度高，在温度较低的条件下会变得较脆硬，而添加更多的15#沥青会降低沥青混合料的层间黏结力，而增加水性聚氨酯的含量也会进一步增加成本。因此，耐高温不粘轮乳化沥青的最佳方案为方案4（30%的70#沥青、70%的15#沥青和5%水性聚氨酯树脂）。

fig

图6  不同乳化沥青黏附率试验照片

Figure 6  Test photos of adhesion rate for different emulsified asphalt

3.3 表干测试

最佳配比方案4的HA-7-WPR-5改性乳化沥青与对照组乳化沥青的表干试验对比测试结果如表6所示。

表6  表干试验对比测试结果
Table 6  Comparative test results for surface drying test
乳化沥青不同测试时间（min）的测试结果
510152030
HA‑7‑WPR‑5 湿、黏附 表干
对照组A 湿、黏附 湿、黏附 湿、黏附 表干
对照组B 湿、黏附 湿、黏附 湿、黏附 湿、黏附 表干

由表6可看出：HA-7-WPR-5所用的表干时间较短，能够在10 min内表干，减少破乳时间，避免施工过程中乳化沥青破乳不完全而导致的粘轮情况，这样有助于优化施工过程，提高效率，减少对周围环境和交通的不利影响，可以更好地满足道路施工的需求。

3.4 层间黏结性能评价

由前述分析可知，方案4的软化点最高，黏附率最低，为验证该方案下的HA-WPR改性乳化沥青的层间黏结性能的优劣，将HA-7-WPR-5与对照组乳化沥青层间黏结性能进行对比分析。本试验选用的黏层洒布量分别为0（无黏层油）、0.1 kg/m2、0.2 kg/m2、0.3 kg/m2、0.4 kg/m2、0.5 kg/m2、0.6 kg/m2，比较不同洒布量对层间抗剪强度的影响；温度设置为25 ℃和60 ℃，分别代表常温和夏季高温，比较这两种温度下的层间抗剪强度差异。每组试验进行4次平行试验，剔除异常数据，采用试验均值作为本研究的基准数据。其中，试验结束后组合芯样断裂面部位一致，均从中间断裂，如图7所示；不同乳化沥青在不同温度下的层间抗剪强度测试结果如图8、9所示。

fig

图7  组合芯样断裂面

Figure 7  Rupture surface of combined core sample

fig

图8  25 ℃时洒布量对层间抗剪强度的影响

Figure 8  Effect of spreading amount on interlayer shear strength at 25 °C

fig

图9  60 ℃时洒布量对层间抗剪强度的影响

Figure 9  Effect of spreading amount on interlayer shear strength at 60 °C

从图8、9可以看出：随着乳化沥青的洒布量逐步增大，其对组合试件层间抗剪强度的影响呈现出非线性特征。这是因为：当乳化沥青的洒布量较少时，乳化沥青在混合料层间的分散不足，未能充分填充和湿润集料之间的空隙，层间黏结力较弱；随着乳化沥青用量的增加，其与混合料层间的接触面积增大，混合料层间乳化沥青的含量也随之提升。这在一定程度上增强了层间黏结力，但是过量的乳化沥青会导致混合料层间的自由沥青无法有效分散，反而降低了层间黏结力。考虑到路面层间黏结效果，推荐HA-7-WPR-5改性乳化沥青的洒布量为0.4 kg/m2。

在相同温度和洒布量下，HA-7-WPR-5的层间抗剪强度均大于对照组A、B，表现出较好的层间黏结性能。其中，在最佳洒布量情况下，25 ℃时，HA-7-WPR-5的层间抗剪强度为1.26 MPa，比无黏层油的层间抗剪强度提高了96%，比对照组A提高了32%，比对照组B提高了27%；60 ℃时，HA-7-WPR-5的层间抗剪强度为0.23 MPa，比不洒布乳化沥青的层间抗剪强度提高了588%，比对照组A提高了163%，比对照组B提高了409%，说明在高温环境下HA-7-WPR-5的层间黏结能力远优于对照组乳化沥青。

虽在60 ℃高温条件下3种乳化沥青的层间抗剪强度均降低，但降低幅度有所不同。在最佳洒布量情况下，60 ℃与25 ℃条件下相比，HA-7-WPR-5的层间抗剪强度降低了81%，对照组A降低了91%，对照组B降低了95%。由此可看出，HA-7-WPR-5的降低幅度最小，表明其温度敏感性远小于对照组乳化沥青，稳定性相对较好。

3.5 技术经济分析

在材料成本上，根据市场价格，普通不粘轮乳化沥青与普通乳化沥青黏层油的单价分别为6 000元/t和4 300元/t，而在最佳配比下的耐高温不粘轮乳化沥青中，由于掺入5%的水性聚氨酯树脂，导致其单价相较于普通不粘轮乳化沥青要提高6.7%，达到6 400元/t；但HA-7-WPR-5的层间抗剪强度远高于另外两种材料，尤其在高温环境下仍旧保持良好的黏结性能，可以降低养护频率，减少物料以及维修成本。研究表明［

27］，假设理想状态下表面层使用寿命为10年，在该计算期内，1 km单车道施工段不粘轮乳化沥青黏层比普通乳化沥青黏层节约养护成本高达28.95万元。此外，HA-7-WPR-5的破乳速度快，在10 min内即可固化，且成膜效果好，油膜不沾手，不粘轮效果非常明显，能够显著减少施工损伤。因此，HA-7-WPR-5具有良好的社会、经济效益。

4 结论

采用15#、70#基质沥青与水性聚氨酯树脂制备HA-WPR改性乳化沥青。根据其技术性能、粘轮性能，确定了耐高温不粘轮乳化沥青的最佳配比；根据表干试验确定了破乳时间；同时，研究了不同洒布量和不同温度下乳化沥青层间黏结性能，得出以下结论：

（1） 随着15#沥青和WPR的掺量增加，HA-WPR改性乳化沥青的软化点也逐渐增加，在掺配比例为15#沥青掺量70%和WPR掺量5%时，乳化沥青蒸发残留物软化点最高；相较于普通不粘轮乳化沥青和普通乳化沥青黏层油，HA-WPR改性乳化沥青乳化效果更好，储存稳定性更佳，破乳速度更快。

（2） 随着15#沥青和WPR掺量的增加，改性乳化沥青的黏附率逐渐降低，说明15#沥青和WPR的掺加可有效提高乳化沥青的高温不粘轮性能，并且当15#沥青掺量为70%以及WPR掺量为5%时，高温不粘轮性能最优。

（3） 在25 ℃常温和60 ℃高温条件下，HA-WPR改性乳化沥青的层间抗剪强度均随洒布量增加先增后减，且均高于普通不粘轮乳化沥青和普通乳化沥青黏层油，并在洒布量为0.4 kg/m2时达到最大，其层间黏结性能好，温度敏感性低，稳定性较好。此外，该改性乳化沥青还具有良好的技术经济性，可供工程应用参考。

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