陰離子乳化瀝青儲存穩(wěn)定性研究

黃維蓉，孟 喬，趙 可，崔錦棟

(重慶交通大學 材料科學與工程學院，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[2]。我國從20世紀50年代開始發(fā)展乳化瀝青，其使用便利性和良好經(jīng)濟性遠勝過普通瀝青，但儲存穩(wěn)定性成為廣泛應用的障礙。產(chǎn)生離析現(xiàn)象的乳化瀝青無法均勻裹附集料，甚至無法壓實成型[3]。筆者將研究乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響因素，對指導乳化瀝青的生產(chǎn)、儲存具有重要的理論價值和指導意義。

目前，市場上常用陽離子乳化瀝青，筆者選擇陰離子乳化瀝青是因為陰離子乳化劑價廉資源廣，與堿性集料黏附性較好。通過設計相關性能試驗，采用控制變量法，利用光學顯微鏡、激光粒度分析儀以及儲存穩(wěn)定性測試儀等試驗手段，分析工藝參數(shù)、原材料及其摻量、儲存環(huán)境對陰離子乳化瀝青穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

選用殼牌70#A級基質瀝青，相關技術指標參考JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》，如表1。查閱文獻，綜合比對多種乳化劑，選擇乳化成功率和性價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，并研究消泡劑對體系穩(wěn)定性有無不良影響。

表1 瀝青的技術指標

1.1 穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑是指能增加溶液穩(wěn)定性的化學物質，具有減慢反應、保持化學平衡、降低表面張力等作用，分為有機和無機兩大類。根據(jù)文獻[7],先選擇羧甲基纖維素鈉進行試驗，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，改變相關參數(shù)后發(fā)現(xiàn)儲存效果仍不理想，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。乳化瀝青制備時，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，減少對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響。且消泡劑中的極性基團與皂液相似，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，在體系中承擔部分乳化作用。因而加入消泡劑對體系無不良影響，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粒徑有較大影響。筆者進行對比試驗并利用激光粒度分析儀和光學顯微鏡試驗儀器對配置溫度和剪切時間進行確定，制備出儲存穩(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，都會對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。膠體磨工作時本身會產(chǎn)生熱量，體系溫度不宜過高，當體系超過100 ℃時皂液會部分揮發(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)殘留物含量試驗確定皂液配置溫度為40 ℃，瀝青加熱溫度為130 ℃，出料溫度90 ℃時制備出的乳化瀝青達到文獻[9]、[10]相同水平，其固含量與最初設定值相差無幾，儲存穩(wěn)定性滿足要求，粒徑達到標準給定范圍之內(nèi)。

2.2 剪切時間

膠體磨對皂液和瀝青的剪切時間直接決定乳化瀝青粒徑大小，也就是儲存穩(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過程。前者是為了潤洗膠體磨，且黃原膠微粒粒徑較大，先對其進行剪切，減小粒徑；后者讓瀝青與皂液更好的進行物理融合，制備穩(wěn)定性良好的乳化瀝青。不同剪切時間下制備的乳化瀝青，通過激光粒度分析儀測試得到D90(累計粒度分布數(shù)達到90%時所對應的粒徑)，結果如圖2。

圖2 剪切時間對乳化瀝青粒徑的影響

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

3 影響儲存穩(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%作為一個步長。制備成品后通過激光粒度分析儀得到粒徑分布，結果如圖3。

圖3 乳化劑摻量對乳化瀝青粒徑的影響

乳化瀝青粒徑此時達到最小，其穩(wěn)定性也達到最佳[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，乳化劑最佳摻量應在乳化瀝青質量分數(shù)的2.8%～3.2%之間，為得到更準確數(shù)值，補充2.9%和3.1%兩個摻量，最終確定3.0%為乳化劑摻量。一般認為，在達到最佳摻量之前，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。而當摻量持續(xù)增加，超過最佳摻量后，大量游離膠束團聚反而會導致粒徑增大，體系穩(wěn)定性下降。

3.2 穩(wěn)定劑和消泡劑摻量

根據(jù)相關資料，穩(wěn)定劑和消泡劑質量分數(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%六個摻量，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，進行乳化瀝青儲存穩(wěn)定性試驗。將制備好的乳化瀝青冷卻至室溫，過篩后裝入試驗管，靜置1 d后，分別取上、下兩部分試樣進行加熱，用蒸發(fā)殘留物質量百分率差值來表征，探究兩種助劑最佳摻量，試驗結果如表2。

表2 助劑摻量對1 d儲存穩(wěn)定性的影響

由表2可知，乳化瀝青1 d蒸發(fā)殘留物質量百分率差值隨穩(wěn)定劑摻量增加有所降低，超過0.15%時數(shù)值開始回升，說明儲存穩(wěn)定性隨穩(wěn)定劑摻量增加呈先降低后增長的趨勢。穩(wěn)定劑摻量為0.10%和0.15%時，差值均為0.1%，根據(jù)性價比原則，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，瀝青微粒與水相互靠近過程中，表面張力過大，導致水被體系擠出，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，皂液粘度過大又會導致剪切困難，穩(wěn)定性反而降低。

雖然消泡劑摻量對儲存穩(wěn)定性影響不大，但會影響乳化瀝青外觀和質量，摻量過大會導致成品表面呈蜂窩狀，質量不達標，影響乳化瀝青的分散、塑化和流動性。消泡劑摻量超過0.2%時，差值呈增長趨勢，說明消泡劑摻量過高，會破壞穩(wěn)定劑所提供增強瀝青微粒周圍的雙電層效應，兩種助劑效果相互抵消。

通過對不同消泡劑、穩(wěn)定劑摻量下1 d蒸發(fā)殘留物質量百分率差值分析，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 儲存溫度

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

研究儲存溫度對乳化瀝青穩(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，測試5 d儲存穩(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存穩(wěn)定性測試儀放置在環(huán)境箱中靜置5 d后，試驗得到蒸發(fā)殘留物質量百分率差值，結果如圖4。

圖4 儲存溫度對乳化瀝青穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，乳化瀝青隨儲存溫度升高，百分率差值顯著上升，宏觀表現(xiàn)為出現(xiàn)結團現(xiàn)象，且溫度越高越“嚴重”，超過50 ℃，穩(wěn)定性將不滿足技術要求。體系與環(huán)境溫差越大，乳化瀝青表層水分越易散失，結皮現(xiàn)象越嚴重，導致分層結團現(xiàn)象。乳化瀝青是一種熱力學不穩(wěn)定體系，內(nèi)部乳液在較高溫度下，瀝青微粒布朗運動加快，微粒與微粒間的碰撞機會增加，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，應盡快降溫冷卻，降低溫度對穩(wěn)定性的影響。

4 結 論

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

2)剪切時間對體系粒徑大小有直接影響，剪切時間過長，設備溫度過高，乳化瀝青在設備中破乳；時間不足，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。控制皂液剪切30 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，乳化瀝青儲存穩(wěn)定性提升，摻量達到3%時，粒徑最小。在滿足性能與經(jīng)濟性條件下，控制穩(wěn)定劑與消泡劑之間的比例為1∶1，均占乳化瀝青質量的0.1%。

(4)隨儲存溫度的升高，分子運動速度加快，相互碰撞幾率增大，乳化瀝青儲存穩(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，需控制儲存溫度不得高于50 ℃。