黃維蓉，孟 喬，趙 可，崔錦棟

(重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

乳化瀝青是瀝青和乳化劑在一定工藝作用下，生成水包油體系的液態(tài)瀝青[1]。具有應(yīng)用范圍廣、施工便利、節(jié)能降噪、減少污染及縮短施工期等優(yōu)點(diǎn)[2]。我國從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展乳化瀝青，其使用便利性和良好經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)勝過普通瀝青，但儲(chǔ)存穩(wěn)定性成為廣泛應(yīng)用的障礙。產(chǎn)生離析現(xiàn)象的乳化瀝青無法均勻裹附集料，甚至無法壓實(shí)成型[3]。筆者將研究乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響因素，對(duì)指導(dǎo)乳化瀝青的生產(chǎn)、儲(chǔ)存具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。

目前，市場(chǎng)上常用陽離子乳化瀝青，筆者選擇陰離子乳化瀝青是因?yàn)殛庪x子乳化劑價(jià)廉資源廣，與堿性集料黏附性較好。通過設(shè)計(jì)相關(guān)性能試驗(yàn)，采用控制變量法，利用光學(xué)顯微鏡、激光粒度分析儀以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試儀等試驗(yàn)手段，分析工藝參數(shù)、原材料及其摻量、儲(chǔ)存環(huán)境對(duì)陰離子乳化瀝青穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

選用殼牌70#A級(jí)基質(zhì)瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參考JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，如表1。查閱文獻(xiàn)，綜合比對(duì)多種乳化劑，選擇乳化成功率和性價(jià)比均較高的磺酸鹽類乳化劑，穩(wěn)定劑選黃原膠、瓜爾膠和羧甲基纖維素鈉[4-6]。乳化瀝青在制備過程中會(huì)產(chǎn)生微量泡沫，加入消泡劑減少泡沫存在，并研究消泡劑對(duì)體系穩(wěn)定性有無不良影響。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.1 穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑是指能增加溶液穩(wěn)定性的化學(xué)物質(zhì)，具有減慢反應(yīng)、保持化學(xué)平衡、降低表面張力等作用，分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。根據(jù)文獻(xiàn)[7],先選擇羧甲基纖維素鈉進(jìn)行試驗(yàn)，乳化完成后成品表面存在微小氣泡，乳化效果如圖1(a)。封口后常溫下保存，2 h后破乳，改變相關(guān)參數(shù)后發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)存效果仍不理想，穩(wěn)定劑與體系相容性較差，無法制備出穩(wěn)定儲(chǔ)存的乳化瀝青，需更換穩(wěn)定劑。選擇瓜爾膠和黃原膠作為穩(wěn)定劑，增大微粒間聚結(jié)難度，制備的成品在室溫下保存6 h未見破乳現(xiàn)象[8]。但瓜爾膠制備出的乳化瀝青成品光學(xué)顯微鏡下可見均勻性不如黃原膠，微觀效果如圖1(b)、(c)。最終選擇江蘇豐浩恒生物科技有限公司的黃原膠作為穩(wěn)定劑。黃原膠是由野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料，經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的微生物胞外多糖，產(chǎn)品有效成分為99%。

圖1 不同乳化劑下制備的乳化瀝青

1.2 消泡劑

消泡劑是指是在加工過程中降低表面張力，抑制泡沫產(chǎn)生或消除已產(chǎn)生泡沫的添加劑。筆者采用一種脂肪烴、乳化劑和硅酮混合物的消泡劑DF-523，具有用量少，消泡效率高，作用持久，使用方便的特點(diǎn)。乳化瀝青制備時(shí)，膠體磨剪切和攪拌過程中產(chǎn)生大量氣泡，隨成品從出料口流出，影響儲(chǔ)存穩(wěn)定性。氣泡在制備過程中無法避免，加入消泡劑后，降低泡沫局部表面張力，使得制備過程中氣泡破滅，減少對(duì)乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響。且消泡劑中的極性基團(tuán)與皂液相似，根據(jù)相似相容原理，消泡劑可完全溶解于皂液之中，且其本身也具有乳化劑性質(zhì)，在體系中承擔(dān)部分乳化作用。因而加入消泡劑對(duì)體系無不良影響，最終選擇消泡劑作為助劑之一。

2 工藝參數(shù)

乳化瀝青制備工藝對(duì)粒徑有較大影響。筆者進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)并利用激光粒度分析儀和光學(xué)顯微鏡試驗(yàn)儀器對(duì)配置溫度和剪切時(shí)間進(jìn)行確定，制備出儲(chǔ)存穩(wěn)定性較為優(yōu)越的乳化瀝青。

2.1 配置溫度

在原材料的種類和摻量確定之前，配置參數(shù)對(duì)剪切效果影響十分顯著。乳化瀝青體系制備主要由皂液和瀝青兩部分組成。兩者的溫度，都會(huì)對(duì)乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。膠體磨工作時(shí)本身會(huì)產(chǎn)生熱量，體系溫度不宜過高，當(dāng)體系超過100 ℃時(shí)皂液會(huì)部分揮發(fā)，乳化瀝青水分含量發(fā)生變化，影響固含量。通過前期大量蒸發(fā)殘留物含量試驗(yàn)確定皂液配置溫度為40 ℃，瀝青加熱溫度為130 ℃，出料溫度90 ℃時(shí)制備出的乳化瀝青達(dá)到文獻(xiàn)[9]、[10]相同水平，其固含量與最初設(shè)定值相差無幾，儲(chǔ)存穩(wěn)定性滿足要求，粒徑達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)給定范圍之內(nèi)。

2.2 剪切時(shí)間

膠體磨對(duì)皂液和瀝青的剪切時(shí)間直接決定乳化瀝青粒徑大小，也就是儲(chǔ)存穩(wěn)定性高低[11]。剪切包含皂液剪切和瀝青加入后體系的剪切兩個(gè)過程。前者是為了潤(rùn)洗膠體磨，且黃原膠微粒粒徑較大，先對(duì)其進(jìn)行剪切，減小粒徑；后者讓瀝青與皂液更好的進(jìn)行物理融合，制備穩(wěn)定性良好的乳化瀝青。不同剪切時(shí)間下制備的乳化瀝青，通過激光粒度分析儀測(cè)試得到D90(累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑)，結(jié)果如圖2。

圖2 剪切時(shí)間對(duì)乳化瀝青粒徑的影響

由圖2可知，剪切時(shí)間在一定范圍內(nèi)越長(zhǎng)，粒徑越小,穩(wěn)定性越好[12]，但在并非時(shí)間越長(zhǎng)越好。膠體磨長(zhǎng)時(shí)間工作，尤其超過150 s后，機(jī)器內(nèi)部的乳化瀝青由于機(jī)器本身發(fā)熱導(dǎo)致溫度過高，產(chǎn)生氣泡甚至沸騰現(xiàn)象，水分大量蒸發(fā)，導(dǎo)致破乳現(xiàn)象。說明剪切時(shí)間宜控制在150 s之內(nèi)，不宜過長(zhǎng)。最終得到皂液剪切時(shí)間為30 s，加入瀝青后剪切時(shí)間為90 s。

3 影響儲(chǔ)存穩(wěn)定性因素

3.1 乳化劑摻量

固定原材料和工藝參數(shù)，將乳化劑摻量從0.8%增加到3.2%，以每0.2%作為一個(gè)步長(zhǎng)。制備成品后通過激光粒度分析儀得到粒徑分布，結(jié)果如圖3。

圖3 乳化劑摻量對(duì)乳化瀝青粒徑的影響

乳化瀝青粒徑此時(shí)達(dá)到最小，其穩(wěn)定性也達(dá)到最佳[13]。由圖3可得，在僅考慮陰離子乳化瀝青穩(wěn)定性能的前提下，乳化劑最佳摻量應(yīng)在乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2.8%～3.2%之間，為得到更準(zhǔn)確數(shù)值，補(bǔ)充2.9%和3.1%兩個(gè)摻量，最終確定3.0%為乳化劑摻量。一般認(rèn)為，在達(dá)到最佳摻量之前，隨乳化劑摻量增加，膠束濃度越大，單體增容在膠束中數(shù)量也越多，游離單體液滴減少，單體液滴也就越小。而當(dāng)摻量持續(xù)增加，超過最佳摻量后，大量游離膠束團(tuán)聚反而會(huì)導(dǎo)致粒徑增大，體系穩(wěn)定性下降。

3.2 穩(wěn)定劑和消泡劑摻量

根據(jù)相關(guān)資料，穩(wěn)定劑和消泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在乳化瀝青的0～0.25%，筆者選擇0、0.05%、0. 10%、0.15%、0.20%和0.25%六個(gè)摻量，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)。將制備好的乳化瀝青冷卻至室溫，過篩后裝入試驗(yàn)管，靜置1 d后，分別取上、下兩部分試樣進(jìn)行加熱，用蒸發(fā)殘留物質(zhì)量百分率差值來表征，探究?jī)煞N助劑最佳摻量，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 助劑摻量對(duì)1 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

由表2可知，乳化瀝青1 d蒸發(fā)殘留物質(zhì)量百分率差值隨穩(wěn)定劑摻量增加有所降低，超過0.15%時(shí)數(shù)值開始回升，說明儲(chǔ)存穩(wěn)定性隨穩(wěn)定劑摻量增加呈先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。穩(wěn)定劑摻量為0.10%和0.15%時(shí)，差值均為0.1%，根據(jù)性價(jià)比原則，選擇助劑摻量較少的配方作為優(yōu)選。由表2可得，在穩(wěn)定劑摻量較低時(shí)，瀝青微粒與水相互靠近過程中，表面張力過大，導(dǎo)致水被體系擠出，出現(xiàn)“油水分離”現(xiàn)象，也就是常說的“破乳”；穩(wěn)定劑摻量較高時(shí)，皂液粘度過大又會(huì)導(dǎo)致剪切困難，穩(wěn)定性反而降低。

雖然消泡劑摻量對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性影響不大，但會(huì)影響乳化瀝青外觀和質(zhì)量，摻量過大會(huì)導(dǎo)致成品表面呈蜂窩狀，質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，影響乳化瀝青的分散、塑化和流動(dòng)性。消泡劑摻量超過0.2%時(shí)，差值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說明消泡劑摻量過高，會(huì)破壞穩(wěn)定劑所提供增強(qiáng)瀝青微粒周圍的雙電層效應(yīng)，兩種助劑效果相互抵消。

通過對(duì)不同消泡劑、穩(wěn)定劑摻量下1 d蒸發(fā)殘留物質(zhì)量百分率差值分析，可得到消泡劑最佳摻量為0.1%，穩(wěn)定劑最佳摻量為0.1%。

3.3 儲(chǔ)存溫度

乳化瀝青制備完成后出料溫度達(dá)到90 ℃，與外界溫差較大且表面容易結(jié)皮，應(yīng)輕微進(jìn)行攪拌冷卻至環(huán)境溫度，排除和減少結(jié)皮形成，然后密封保存。使用前，吸入管應(yīng)從下部進(jìn)入，避免引入上層結(jié)皮。

研究?jī)?chǔ)存溫度對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響，同參數(shù)同工藝下制備的乳化瀝青放置在不同溫度環(huán)境下保存，測(cè)試5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性。利用環(huán)境箱提供20、30、40、50和60 ℃的環(huán)境溫度，將冷卻至室溫的乳化瀝青及儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試儀放置在環(huán)境箱中靜置5 d后，試驗(yàn)得到蒸發(fā)殘留物質(zhì)量百分率差值，結(jié)果如圖4。

圖4 儲(chǔ)存溫度對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，乳化瀝青隨儲(chǔ)存溫度升高，百分率差值顯著上升，宏觀表現(xiàn)為出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，且溫度越高越“嚴(yán)重”，超過50 ℃，穩(wěn)定性將不滿足技術(shù)要求。體系與環(huán)境溫差越大，乳化瀝青表層水分越易散失，結(jié)皮現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致分層結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。乳化瀝青是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，內(nèi)部乳液在較高溫度下，瀝青微粒布朗運(yùn)動(dòng)加快，微粒與微粒間的碰撞機(jī)會(huì)增加，部分乳液破乳，致使油水分離，從而影響穩(wěn)定性。因此，成品制備后，應(yīng)盡快降溫冷卻，降低溫度對(duì)穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié) 論

1)體系溫度對(duì)制備至關(guān)重要，皂液的配置溫度為40 ℃左右，過低會(huì)無謂增加剪切時(shí)間，降低效率；過高會(huì)導(dǎo)致溫度上升過快，皂液剪切未充分。瀝青加熱溫度為130 ℃，保證瀝青正常流動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)盡量降低溫度，防止體系出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。

2)剪切時(shí)間對(duì)體系粒徑大小有直接影響，剪切時(shí)間過長(zhǎng)，設(shè)備溫度過高，乳化瀝青在設(shè)備中破乳；時(shí)間不足，剪切效果較差，無法制備粒徑滿足要求且性能穩(wěn)定的乳化瀝青?？刂圃硪杭羟?0 s，加入瀝青后再剪切90 s較為合適。

3)隨乳化劑摻量增加，膠束濃度增大，乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性提升，摻量達(dá)到3%時(shí)，粒徑最小。在滿足性能與經(jīng)濟(jì)性條件下，控制穩(wěn)定劑與消泡劑之間的比例為1∶1，均占乳化瀝青質(zhì)量的0.1%。

(4)隨儲(chǔ)存溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，相互碰撞幾率增大，乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性越來越差。為滿足筆者自制陰離子乳化瀝青穩(wěn)定性性能要求，需控制儲(chǔ)存溫度不得高于50 ℃。