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        納米TiO2 乳化瀝青的制備與性質(zhì)研究

        2021-10-16 09:37:34王天新蔡子同
        山東交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:皂液殘留物乳化劑

        王天新,蔡子同

        (1.齊魯高速公路股份有限公司,山東 濟(jì)南 250101;2.濱州公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司,山東 濱州 256600)

        引言

        乳化瀝青廣泛應(yīng)用于道路建筑和維修、舊瀝青再生、土壤穩(wěn)定、防塵固沙、屋面防水等領(lǐng)域,特別是在道路建設(shè)與維修養(yǎng)護(hù)中成為目前乃至相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)大量應(yīng)用的材料。相對(duì)熱瀝青施工,乳化瀝青具有節(jié)能、降耗、安全、環(huán)保的優(yōu)勢(shì),并且不受天氣情況影響;另外乳化劑品類較多,需要按照工程實(shí)際情況選擇合適的乳化劑品種,如陽(yáng)離子、陰離子和非離子乳化瀝青等,以實(shí)現(xiàn)不同的功用特點(diǎn)。乳化瀝青是由基質(zhì)瀝青經(jīng)過(guò)乳化工藝制備而來(lái),其性質(zhì)主要依賴于其基質(zhì)瀝青的性能優(yōu)劣,乳化瀝青破乳及蒸發(fā)后的殘留物的黏彈性、耐老化性能以及溫度敏感性都有不足之處,如何增加其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的路用性能將是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[1]。同時(shí),一些改性乳化瀝青,能夠提高道路質(zhì)量,特別是在橋面鋪裝、稀漿封層等工程中表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性,但仍然存在耐磨性、黏附強(qiáng)度、抗老化性能方面的問(wèn)題[2-3]。

        隨著納米材料及技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,利用納米材料進(jìn)行乳化瀝青改性和復(fù)合改性有望提升乳化瀝青的路用性能。研究表明,納米粒子材料具有獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),且在熱學(xué)性能、光催化性能方面表現(xiàn)獨(dú)特,如二氧化鈦(TiO2)。這些粒子材料在聚合物乳液的協(xié)同作用下,可使乳化瀝青產(chǎn)品具有良好的界面結(jié)合力和抗老化性能,同時(shí)提升材料的耐磨性、強(qiáng)度,并具備良好的防水效果[4-6]。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 原材料

        按照微表處用BCR 類改性乳化瀝青進(jìn)行乳化瀝青的制備,其中乳化劑為陽(yáng)離子慢裂型乳化劑,瀝青與SBR 膠乳指標(biāo)見(jiàn)表1 ~表3,超純水采用HTHWM 型制水機(jī)自制生產(chǎn)。

        表1 改性乳化瀝青制備原材料

        表2 基質(zhì)瀝青性質(zhì)

        表3 SBR 膠乳指標(biāo)

        1.2 制備工藝與條件

        1.2.1 制備工藝

        (1)工藝一。將改性劑加入乳化劑和水混合成的皂液中,形成改性乳化劑水溶液,然后將其與熱瀝青經(jīng)過(guò)膠體磨剪切乳化后形成改性乳化瀝青。乳化過(guò)程只經(jīng)過(guò)一道工序直接完成,步驟簡(jiǎn)單,易操控,且一步形成的改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性強(qiáng),此工藝應(yīng)用于大部分改性乳化瀝青制備中。(2)工藝二。將基質(zhì)瀝青乳化成常規(guī)乳化瀝青,再將常規(guī)乳化瀝青與改性劑進(jìn)行攪拌混合成為改性乳化瀝青。此工藝制備改性乳化瀝青較為簡(jiǎn)易,但是操作過(guò)程中手法較為粗糙,僅是攪拌混合,沒(méi)有形成穩(wěn)定體系,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中并不常用。(3)工藝三。制備改性瀝青,將瀝青與改性劑經(jīng)過(guò)剪切攪拌工藝后形成改性瀝青,再將改性瀝青乳化形成改性乳化瀝青。此工藝制備過(guò)程較為復(fù)雜,且改性瀝青乳化工藝目前并不完善,乳化效果差,影響整個(gè)制備改性乳化瀝青效率。

        在進(jìn)行納米粉體改性乳化瀝青研究中,考慮到納米粉體的分散性,利用乳化劑的活性成分阻止納米顆粒的團(tuán)聚。納米化乳化瀝青制備工藝見(jiàn)圖1,其中試驗(yàn)采用70 #基質(zhì)瀝青、季胺鹽類乳化劑(慢裂快凝型)、SBR 膠乳(顯元化工)納米TiO2粉體,陽(yáng)離子SBR 膠乳設(shè)計(jì)含量3%、油水比設(shè)計(jì)為6 ∶4。

        (1)按廠家推薦的乳化劑含量2.8%,將乳化劑溶解到超純水中形成皂液;加入鹽酸調(diào)節(jié)皂液pH=2左右;皂液加熱到60 ℃,瀝青加熱至130 ℃,備用。(2)清潔、預(yù)熱乳化瀝青膠體磨,按照固含量比例計(jì)算皂液和熱瀝青用量;先將皂液倒人膠體磨中循環(huán)10 s,再將130 ℃的瀝青緩慢倒入膠體磨繼續(xù)循環(huán)60 s,形成乳化瀝青。(3)添加設(shè)計(jì)用量比例的SBR膠乳。(4)按照設(shè)計(jì)固含量質(zhì)量比例0%、1%、2%、3%,添加納米TiO2粉體,形成復(fù)合改性乳化瀝青。

        從表4 可以看出,利用工藝二制備的改性乳化瀝青,其試驗(yàn)結(jié)果都符合技術(shù)要求,為進(jìn)行納米乳化瀝青的研制提供了材料基礎(chǔ)。

        表4 SBR 改性乳化瀝青的試驗(yàn)結(jié)果

        1.2.2 制備條件

        試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)皂液加入TiO2后,納米顆??繌?qiáng)大的遮色能力,使皂液成乳白色,并改變了皂液乳化劑的味道,而且pH 值略有降低。根據(jù)實(shí)測(cè)皂液pH 值,生產(chǎn)得到的乳化瀝青,經(jīng)過(guò)激光粒度分析儀檢測(cè),不同pH 條件下的乳化瀝青粒徑分布存在較大的差別。

        圖2 表明,通過(guò)控制pH=2 左右時(shí),可以獲得粒度分布均勻的乳化瀝青,其平均粒度最小,可以帶來(lái)更好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

        圖2 不同pH 值制備的乳化瀝青粒度分布

        2 結(jié)果與討論

        2.1 流體性質(zhì)

        2.1.1 乳化瀝青粒度

        試驗(yàn)制備了設(shè)計(jì)固含量質(zhì)量比例0%、1%、2%、3%、添加納米TiO2粉體的乳化瀝青。激光粒度分析儀檢測(cè)結(jié)果表明,三種乳化瀝青的粒度均在10 μm之下,并體現(xiàn)出較好的分散均勻性;隨著TiO2含量的增加,乳化瀝青顆存在一個(gè)較大的極值點(diǎn)。

        圖3 不同TiO2 摻量下的乳化瀝青粒度分布與對(duì)比

        2.1.2 黏度與法向力

        利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行乳化瀝青黏度試驗(yàn),模式采用Peakhold,溫度設(shè)置35 ℃,剪切頻率6.8 1/s(相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)20 RPM),獲取1 h 內(nèi)的黏度、法向力變化數(shù)據(jù)。分析表明:(1)隨著時(shí)間的延長(zhǎng),乳化瀝青中的水分有所損失,乳化瀝青逐漸破乳,使乳化瀝青液體的黏度提高,整體呈現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在1 500 s 后,納米改性乳化瀝青會(huì)有較高的黏度表現(xiàn)。(2)雖然納米改性瀝青黏度偏大,但其法向力表現(xiàn)較低。這是由于納米粉體進(jìn)入瀝青體系中,降低了瀝青的法向應(yīng)力,使乳化瀝青更易在路用表面覆蓋,另外在碾壓過(guò)程中,有效地降低了瀝青隨著輪碾的遷移,使整個(gè)體系的黏聚力更強(qiáng)。

        圖4 納米乳化瀝青的黏度變化

        圖5 納米乳化瀝青的法向力變化

        2.2 殘留物性質(zhì)

        2.2.1 殘留物軟化點(diǎn)

        實(shí)驗(yàn)室得到乳化瀝青殘留物一般是通過(guò)蒸發(fā)試驗(yàn),蒸發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中的加熱狀態(tài)會(huì)造成乳化瀝青的膠束體系的破壞,并且不一能夠完全確定其是否真正處于無(wú)水狀態(tài)。為了能夠體現(xiàn)乳化瀝青在實(shí)際路用狀態(tài)下的破乳情況,避免膠束體系被破壞,稱取一定質(zhì)量的制備好的納米TiO2/SBR 復(fù)合改性乳化瀝青(分別添加0%、1%、2%、3%納米TiO2)放在室外,在實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行風(fēng)干破乳直至肉眼發(fā)現(xiàn)沒(méi)有水分存在。然后,將風(fēng)干完全的樣品放入高溫烘箱中,105 ℃加熱10 min,以確保試樣中沒(méi)有水分存在,得到其破乳殘留物。

        從圖6 可以看出,添加了納米TiO2粉體的乳化瀝青殘留物的軟化點(diǎn)要高于未添加的,表明納米TiO2粉體能夠有效提高乳化瀝青破乳后的高溫性能;當(dāng)TiO2的添加量為2%時(shí),其殘留物乳化點(diǎn)最高,說(shuō)明納米TiO2粉體存在一個(gè)最佳摻量,在此摻量下,其高溫改性性能最好。

        圖6 殘留物軟化點(diǎn)變化

        2.2.2 殘留物SPG 等級(jí)

        (1)自然風(fēng)干法。將50 g 乳化瀝青試樣放在盤(pán)里,在室溫自然條件下靜置24 h,主要是讓水分在自然狀態(tài)下進(jìn)行蒸發(fā)散失。之后將蒸發(fā)后的試樣放置在60 ℃烘箱中加熱2 h,去除中間可能存在的水分。(2)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)試驗(yàn)是較為簡(jiǎn)便獲取乳化瀝青殘留物的方法。準(zhǔn)備3 個(gè)旋轉(zhuǎn)薄膜試驗(yàn)用盛樣瓶,將35 g 乳化瀝青試樣置于盛樣瓶中,之后將3 個(gè)盛樣瓶放進(jìn)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中,設(shè)置烘箱溫度為85 ℃并且將空氣流速控制為4 L/min,試樣放置75 min。

        圖7 納米乳化瀝青的SPG 連續(xù)高溫等級(jí)

        可以看到,TiO2的添加提高了乳化瀝青殘留物的高溫等級(jí),在0%~3%摻量范圍內(nèi),乳化瀝青的SPG 高溫等級(jí)為70 ℃;在3%摻量后可以達(dá)到73 ℃。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)納米TiO2改善乳液體系稠度和黏度、降低法向力,提高SPG 高溫溫度等級(jí);TiO2的添加提高了乳化瀝青殘留物的高溫等級(jí),在0%~3%摻量范圍內(nèi),乳化瀝青的SPG 高溫等級(jí)為70 ℃;在3%摻量后可以達(dá)到73 ℃。(2)納米乳化瀝青的顆粒分布在10 μm之內(nèi),提倡在皂液中添加設(shè)計(jì)用量的納米粉體,從而避免后期外加納米粉體帶來(lái)的大面積效益,造成存儲(chǔ)穩(wěn)定性上的不良。

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