乳化條件對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性影響

全秀潔， 許 磊， 雷孟坤， 王昊敏

(1.重慶交通大學， 重慶 400074； 2.交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶 400074； 3.仁壽縣交通運輸局， 四川 眉山 620500)

乳化瀝青是瀝青和乳化劑在一定工藝下，生成水包油或油包水的液態(tài)瀝青[1]，具有節(jié)約能源、施工方便等優(yōu)點[2]，目前多用于道路車轍、裂縫等病害的修復和建筑物的防潮、防水處理[3-4]。但乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性是目前其應(yīng)用受限的障礙之一，離析嚴重的乳化瀝青不僅無法均勻裹附集料，無法壓實成型，還會導致瀝青路面色澤不均勻，瀝青膜厚度不均勻[5-6]。乳化瀝青在儲存和運輸過程中，其儲存穩(wěn)定性主要受乳化劑種類、穩(wěn)定劑種類及用量、生產(chǎn)工藝以及相關(guān)設(shè)備的影響[7-8]。李純等[9]研究表明隨著固含量和乳化劑用量的增加，陰離子乳化瀝青儲存穩(wěn)定性降低，標準粘度增加。崔通等[10]發(fā)現(xiàn)在乳化瀝青中摻入水性環(huán)氧樹脂顯著影響了改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的粘度、針入度、軟化點、車轍因子等參數(shù)。常皓宇等[11]指出適當增加乳化劑用量，降低pH值，復配無機和有機穩(wěn)定劑等可有效改善乳化瀝青儲存穩(wěn)定性。趙品暉等[12]研究發(fā)現(xiàn)乳化瀝青儲存穩(wěn)定性與外在因素關(guān)聯(lián)度最大的是皂液pH值，其次為儲存溫度、乳化劑與瀝青種類。何靖斌等[13]通過考察瀝青各項性質(zhì)對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)密度對其有明顯影響，瀝青與皂液間的密度相差越大，制備得到的乳化瀝青穩(wěn)定性越差。

綜上所述，制備乳化瀝青的過程中，控制其乳化條件對改善乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性至關(guān)重要。為此，本文以目前市面上常用的2種乳化劑為研究對象，通過控制乳化瀝青制備過程中基質(zhì)瀝青溫度、皂液溫度、皂液pH值、油水比等乳化條件來分析乳化條件對乳化瀝青穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選用廣東茂名70#瀝青，其主要技術(shù)指標檢測結(jié)果如表1所示。由表1可知，該基質(zhì)瀝青各項指標符合規(guī)范要求[14]，可作為制備乳化瀝青的原材料。

表1 廣東茂名70#瀝青基本參數(shù)

1.2 乳化劑

乳化劑選取目前常用的陽離子乳化劑十八烷基三甲基氯化銨(STAC)和陰離子乳化劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，二者主要性質(zhì)如表2所示，其分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示，試驗中所用乳化劑材料均從阿拉丁網(wǎng)站購得。

表2 乳化劑性質(zhì)參數(shù)

(a) SDBS

(b) STAC

1.3 助劑

試驗中所用穩(wěn)定劑為無水氯化鈣、聚乙烯醇，2種穩(wěn)定劑的摻量均為0.2%，pH值調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)。

2 制備工藝

使用小型膠體磨(德國Herbert Rink膠體磨)制備乳化瀝青，工藝流程如圖2所示，制備步驟如下：

1) 將廣東茂名70#基質(zhì)瀝青倒入搪瓷杯中，并在烘箱中加熱至135 ℃左右，備用。

2) 將2種乳化劑(SATC、SDBS)和2種助劑(無水氯化鈣、聚乙烯醇)分別溶于55 ℃左右的水中，按照一定的比例配制成皂液，并調(diào)節(jié)皂液的pH值。

3) 將皂液經(jīng)過膠體磨剪切1 min，之后將稱量好的70#基質(zhì)瀝青(溫度維持在135 ℃左右)加入含有皂液的膠體磨中進行剪切，剪切8 min后得到乳化瀝青，并冷卻，最后密封保存乳化瀝青成品。

圖2 膠體磨制備乳化瀝青工藝流程

3 結(jié)果與討論

對制備好的乳化瀝青按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合科試驗規(guī)程》[15]進行1 d和5 d的儲存穩(wěn)定性試驗，然后按式(1)[15]計算乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性。

Sa=|PA-PB|

(1)

式中：Sa為試樣的儲存穩(wěn)定性，%；PA為儲存后上支管部分試樣蒸發(fā)殘留物含量，%；PB為儲存后下支管部分試樣蒸發(fā)殘留物含量，%。其中蒸發(fā)殘留物的含量計算如式(2)[15]：

(2)

式中：P為乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物含量，%；m1為試樣容器、玻璃棒合計質(zhì)量，g；m2為試樣容器、玻璃棒及乳液的合計質(zhì)量，g；m3為試樣容器、玻璃棒及殘留物的合計質(zhì)量，g。

3.1 基質(zhì)瀝青溫度的影響

制備乳化瀝青時，乳化效果和穩(wěn)定性較好的乳化瀝青需將瀝青加熱至適宜的溫度，從而保證瀝青有適宜的粘度和流動性。為了探究瀝青溫度對STAC乳化瀝青和SDBS乳化瀝青穩(wěn)定性能的影響，對STAC乳化瀝青設(shè)置4組溫度，分別為120 ℃、125 ℃、130 ℃、135 ℃；由于陰離子乳化瀝青不易乳化，對SDBS乳化瀝青設(shè)置4組溫度，分別為130 ℃、135 ℃、140 ℃、145 ℃。隨基質(zhì)瀝青溫度的增加，2種乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，隨基質(zhì)瀝青溫度的增加，2種乳化劑瀝青1 d和5 d的儲存穩(wěn)定性值均呈先減小后增大的趨勢，但當溫度達到一定值后，其儲存穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。當基質(zhì)瀝青溫度分別達到135 ℃和125 ℃時，SDBS乳化瀝青和STAC乳化瀝青1 d和5 d的儲存穩(wěn)定性值最小，說明當基質(zhì)瀝青溫度達到135 ℃和125 ℃時，制備得到的SDBS乳化瀝青和STAC乳化瀝青的穩(wěn)定性最好。當基質(zhì)瀝青溫度分別大于135 ℃和125 ℃時，SDBS乳化瀝青和STAC乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性值有所增加，但增加幅度較小；當基質(zhì)瀝青的溫度小于135 ℃和125 ℃時，SDBS乳化瀝青和STAC乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性值偏差較大。為此，后期制備乳化瀝青時，對于SDBS乳化瀝青，基質(zhì)瀝青的溫度需達到135 ℃以上；對于STAC乳化瀝青，基質(zhì)瀝青的溫度需達到125 ℃以上。

(a) SDBS

(b) STAC

3.2 乳化劑摻量的影響

為了解乳化劑摻量對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，分別選取2%、3%、4%、5%的STAC乳化劑和SDBS乳化劑含量來制備STAC和SDBS乳化瀝青，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性隨乳化劑摻量增加的變化情況如圖4所示。

從圖4可見，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性值隨著乳化劑摻量的增加而降低，即隨著乳化劑摻量的增加，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性增強，乳化效果改善明顯。當2種乳化劑摻量達到4%時，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性達到穩(wěn)定，摻量增加至5%后，其儲存穩(wěn)定性值并未有明顯變化。因此，后期制備SDBS乳化瀝青和STAC乳化瀝青時，選取4%的乳化劑摻量為最佳摻量。

(a) 1 d

(b) 5 d

3.3 油水比的影響

為探究油水比對STAC乳化瀝青和SDBS乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，分別按照4∶6、5∶5、5.5∶4.5、6∶4的油水比制備SDBS乳化瀝青和STAC乳化瀝青。隨油水比的增大，2種乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的變化情況如圖5所示。

由圖5可知，隨著油水比的增大，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定值先減小后增大，即2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性隨油水比的增大先降低再升高。當油水比為5.5∶4.5時，SDBS乳化瀝青儲存穩(wěn)定性最好；當油水比達到5∶5時，STAC乳化瀝青儲存穩(wěn)定性最好。

3.4 皂液溫度的影響

為探究皂液溫度對STAC乳化瀝青和SDBS乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，分別設(shè)定SDBS皂液和STAC皂液的溫度為50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃。STAC乳化瀝青和SDBS乳化瀝青儲存穩(wěn)定性隨皂液溫度的變化情況如圖6所示。

(a) 1 d

(b) 5 d

(a) 1 d

(b) 5 d

從圖6可見，隨皂液溫度的升高，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性呈先減后增的趨勢，當皂液溫度達到55 ℃時，STAC乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性最好；當皂液溫度達到60 ℃時，SDBS乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性最好。

3.5 皂液pH值的影響

為探究皂液pH值對STAC乳化瀝青和SDBS乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，分別對STAC乳化瀝青和SDBS乳化瀝青設(shè)置了4組不同的皂液pH值，STAC皂液所用pH調(diào)節(jié)劑為鹽酸，4組pH值分別為pH=2、pH=3、pH=4、pH=5；SDBS皂液所用pH調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉溶液，4組pH值分別為pH=9、pH=10、pH=11、pH=12。2種乳化瀝青儲存穩(wěn)定性隨皂液pH值的變化情況如圖7所示。

(a) SDBS

(b) STAC

由圖7可見，隨皂液pH值的增大，SDBS乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性逐漸降低，STAC乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性逐漸增強，當SDBS皂液的pH值為2時，SDBS乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性最好；當STAC皂液的pH值為12時，STAC乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性最好。

綜上分析可知，對于這2種乳化瀝青，乳化劑摻量、油水比對儲存穩(wěn)定性的影響較大，基質(zhì)瀝青溫度、皂液溫度以及皂液pH值對儲存穩(wěn)定性的影響較小。結(jié)合工程實際，在制備乳化瀝青時，應(yīng)嚴格控制乳化劑摻量和乳化瀝青的固含量，以制備得到更為穩(wěn)定的乳化瀝青。

4 結(jié)論

通過控制2種乳化瀝青制備過程中的乳化條件，探究了乳化條件對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

1) 對于SDBS乳化瀝青，當基質(zhì)瀝青溫度達到135 ℃，SDBS皂液溫度為60 ℃，皂液pH值為2，油水比為5.5∶5，乳化劑用量為4%時，制備得到的SDBS乳化瀝青穩(wěn)定性最好。

2) 對于STAC乳化瀝青，當基質(zhì)瀝青溫度達到125 ℃，STAC皂液溫度為55 ℃，皂液pH值為12，油水比為5∶5，乳化劑用量為4%時，制備得到的STAC乳化瀝青穩(wěn)定性最好。

3) 乳化劑摻量為4%時，2種乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性最好。STAC乳化瀝青1 d和5 d的儲存穩(wěn)定性均比SDBS乳化瀝青1 d和5 d的儲存穩(wěn)定性好。