劉寶舉,陳 歡,寧少英
(中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙 410075)
乳化劑外摻對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響*
劉寶舉,陳 歡,寧少英
(中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙 410075)
為研究分析乳化劑外摻對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響,采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,分別考察攪拌速度,乳化劑種類、摻量、摻合方式以及pH值等不同影響因素對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的改善作用效果,并分析其內(nèi)在關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:攪拌速度>1 000 r/min時,對其穩(wěn)定性的影響較大,甚至出現(xiàn)破乳現(xiàn)象;而不論采取何種摻合方式,乳化劑外摻對儲存穩(wěn)定性改善作用均不明顯;pH值過大或過小都將影響乳化劑分子的活性,進(jìn)而影響SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性,pH=4時,儲存穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)值。
SBS改性瀝青乳液;儲存穩(wěn)定性;攪拌速度;乳化劑
SBS改性瀝青乳液是板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中充填層的關(guān)鍵工程材料[1],乳化瀝青的基本性質(zhì)及使用性能主要取決于所采用的乳化劑,所以,乳化劑是制備改性瀝青乳液的關(guān)鍵性原材料。乳化劑占乳液總量的比例非常小,但其對改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性有很大影響。在改性瀝青乳液中,瀝青微粒表面被乳化劑分子所包圍,形成乳化劑包封的分子膜。乳化劑吸附于瀝青與水界面上形成界面吸附膜,界面膜有一定的強(qiáng)度,對分散的瀝青微粒起保護(hù)作用。一般來說,形成界面膜的乳化劑分子作用力越大,膜強(qiáng)度越大,改性瀝青乳液越穩(wěn)定;作用力越小,膜強(qiáng)度越小,改性瀝青乳液越不穩(wěn)定。
目前,國內(nèi)主要通過內(nèi)摻乳化劑來生產(chǎn)改性乳化瀝青,并對制備的改性瀝青乳液穩(wěn)定性進(jìn)行研究。朱中華等[2]研究了陽離子慢裂快凝型瀝青乳化劑劑量對改性乳化瀝青性能的影響,認(rèn)為乳化劑的劑量對1 d儲存穩(wěn)定性影響較大。才洪美等[3]以勝利90號基質(zhì)瀝青、SBS膠乳,采用二次熱混合法制備改性乳化瀝青,通過考察乳化劑用量及其水溶液的pH值、穩(wěn)定劑種類和摻量等因素對改性乳化瀝青穩(wěn)定性的影響,認(rèn)為乳化劑的最佳用量為1%,其水溶液的pH值為5~6,無機(jī)類和有機(jī)類穩(wěn)定劑復(fù)配后對體系的穩(wěn)定效果好。但內(nèi)摻乳化劑生產(chǎn)的改性瀝青乳液成本較高,施工時也會有一定的限制,而且乳化劑外摻對改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性影響的國內(nèi)外文獻(xiàn)較少,本文通過研究外摻乳化劑,探討了乳化劑外摻對改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響。
SBS改性瀝青乳液:主要性能指標(biāo)見表 1;乳化劑:阿克蘇諾貝爾生產(chǎn)的陽離子乳化劑R1,美德維實(shí)偉克生產(chǎn)的陽離子乳化劑R2,阿克蘇諾貝爾生產(chǎn)的陰離子乳化劑R3,美德維實(shí)偉克生產(chǎn)的陰離子乳化劑R 4;鹽酸:工業(yè)鹽酸;氫氧化鈉:分析純,市售。
在SBS改性瀝青乳液中外摻乳化劑時,采用多功能分散機(jī)進(jìn)行攪拌[4],攪拌時間不超過5 min[5],攪拌速度可調(diào)。改性瀝青乳液穩(wěn)定性測試按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ052—2000)進(jìn)行[6]。
表1 SBS改性瀝青乳液主要性能指標(biāo)Table 1 Properties of SBS modified asphalt emulsion
攪拌速度對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響如圖1所示。當(dāng)攪拌速度在1 000 r/min以下時,SBS改性瀝青乳液的5 d儲存穩(wěn)定性變化較小,當(dāng)攪拌速度達(dá)到1 000 r/min時,SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性值顯著增大,乳液甚至出現(xiàn)破乳現(xiàn)象。
圖1 攪拌速度對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響Fig.1 Influence of stirring rate on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion
圖2 瀝青微粒接近引起雙電層的變化(箭頭表示和其它顆粒接近的方向)Fig.2 The change of double electrical layer due to the asphalt particle closer(the arrows indicate the particles close to others)
改性瀝青乳液在攪拌過程中,瀝青微粒之間相互碰撞的機(jī)率增大,瀝青微粒無限遠(yuǎn)時,其瀝青微粒表面包封的乳化劑保護(hù)層并不是靜止的,而處于反復(fù)吸附與脫附的狀態(tài)(圖2)。當(dāng)瀝青微粒受沖擊而接近時,由于靜電相斥,瀝青微粒盡量地離開接近點(diǎn),此時會產(chǎn)生將瀝青微粒推向遠(yuǎn)方的斥力[7]。如果接近的瀝青微粒動能較小,如攪拌速度為1 000 r/min以下時,其能量完全消耗于為使雙電層變形所做的功,致使兩個瀝青微粒再度接觸,其離子分布又再度回到吸附與脫附平衡狀態(tài)(圖2)。當(dāng)瀝青微粒受沖擊的動能比微粒間相互作用的勢能屏障大得多,如攪拌速度大于1 000 r/min時,尤其是乳化劑對瀝青顆粒親和力小的情況下,由于微粒之間的接近,離子的脫附速度加快,引起脫附與吸附相對速度的變化,使吸附層受到破壞(圖2),瀝青與水分離,從而產(chǎn)生破乳現(xiàn)象[8]。
攪拌速度為400 r/min,攪拌時間為5 min,逐步增加乳化劑的摻量,研究攪拌作用下乳化劑外摻對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
圖3 乳化劑種類和摻量對SBS改性乳液儲存穩(wěn)定性的影響Fig.3 Influence of emulsifier types and content on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion
由圖3試驗(yàn)結(jié)果可知:(1)乳化劑外摻不如內(nèi)摻效果好[9];(2)外摻陽離子乳化劑 R1對改善SBS改性瀝青乳液的穩(wěn)定性效果不佳,甚至有反作用;(3)外摻陽離子乳化劑R2、陰離子乳化劑R3或R4對改善SBS改性瀝青乳液的穩(wěn)定性有一定的作用,摻入量均為0.1%時,穩(wěn)定性最好,但作用效果不明顯。
產(chǎn)生上述試驗(yàn)結(jié)果的原因有三:一是雖然高速分散機(jī)產(chǎn)生攪拌作用,但是乳化劑外摻不如內(nèi)摻效果好,外摻法容易使乳液自身顆粒聚集增大,不能使瀝青乳液與乳化劑有機(jī)結(jié)合成一個整體,乳化劑分子在瀝青微粒表面不能形成堅(jiān)固的分子膜,使整個瀝青乳液體系不穩(wěn)定[10];二是雖然乳化劑外摻不如內(nèi)摻效果好,但是乳化劑的分子結(jié)構(gòu)對瀝青乳液的乳化效果有著至關(guān)重要的作用。如果所選取的乳化劑有良好的乳化效果,且與SBS膠乳有良好的配伍性(例如:陽離子乳化劑R2)。在共同作用下,乳化劑外摻對改善SBS改性瀝青乳液的穩(wěn)定性也會有一定的作用;三是生產(chǎn)出的SBS改性瀝青乳液中乳化劑的摻量可能已達(dá)到了最佳,再外摻乳化劑起的作用不明顯,甚至有反作用。
將乳化劑R1,R2,R3和R4分別進(jìn)行復(fù)配,進(jìn)行復(fù)合乳化劑的外摻試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 復(fù)合乳化劑對SBS改性瀝青瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響Fig.4 Influence of compound emulsifier on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion
從圖4可以看出:(1)陽離子乳化劑復(fù)合后外摻,隨著同類型復(fù)合乳化劑摻量的增加,瀝青乳液的5 d穩(wěn)定性值呈現(xiàn)先逐漸減小后又逐漸增大的趨勢;乳化劑的用量在0.1% ~0.3%范圍內(nèi)時,儲存穩(wěn)定性較好;(2)陽離子乳化劑R1和陰離子乳化劑R3復(fù)合后外摻,規(guī)律與陰離子乳化劑復(fù)合后外摻相似,隨著復(fù)合乳化劑摻量的增加,SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性變差;(3)陽離子乳化劑R1和陰離子乳化劑R4復(fù)合后外摻,隨著陽-陰復(fù)合乳化劑摻量的增加,瀝青乳液的5 d穩(wěn)定性值呈現(xiàn)先逐漸減小后又逐漸增大的趨勢。當(dāng)復(fù)合乳化劑摻量為0.4%時,SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性最好;(4)陽離子乳化劑R2和陰離子乳化劑R3復(fù)合后外摻,規(guī)律與(3)相似,當(dāng)復(fù)合乳化劑摻量為0.2%時,SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性最好。且當(dāng)復(fù)合乳化劑摻量大于0.3%時,瀝青乳液的5 d穩(wěn)定性變化不大;(5)陽離子乳化劑R2和陰離子乳化劑R4復(fù)合后外摻,對瀝青乳液的5 d穩(wěn)定性影響不大。
與圖3相似,復(fù)合乳化劑外摻不如內(nèi)摻效果好[9],但從圖3和圖4比較中可以看出,復(fù)合乳化劑外摻制備的瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性較單摻的要好。這可能是因?yàn)閺?fù)合乳化劑在瀝青與水的界面上形成的界面膜,比單一乳化劑形成的界面膜有更高的機(jī)械強(qiáng)度,對分散的瀝青微粒有較好的保護(hù)作用。當(dāng)瀝青液滴發(fā)生碰撞時,不易發(fā)生聚集,可形成穩(wěn)定的乳化瀝青。而對于外摻的部分復(fù)合乳化劑(例如:陽離子乳化劑R1和陰離子乳化劑R3復(fù)合),對SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性改善作用不明顯的原因有二:一是多功能分散機(jī)的攪拌作用仍然代替不了膠體磨的剪切作用,并不能將乳化劑均勻的分散于SBS改性瀝青乳液中,從而達(dá)不到很好的乳化效果;二是某些陽離子乳化劑和陰離子乳化劑是不能混合使用的,因電離后電性相反,若混合在一起使用,易產(chǎn)生沉淀和失去活性,很難制得穩(wěn)定的乳化瀝青。
SBS改性瀝青乳液的pH值在4左右,采用鹽酸或氫氧化鈉來調(diào)節(jié)SBS改性瀝青乳液的pH值[11],試驗(yàn)研究乳液pH值對改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出,pH值為4的時候,乳液的儲存穩(wěn)定性最好,改性瀝青乳液pH值變大或變小時,其儲存穩(wěn)定性沒有得到改善[12]。這可能是因?yàn)閜H值為4時乳化劑的溶解度最大,乳化劑分子的活性最高,使乳液中未充分乳化的瀝青顆粒減少,所以生產(chǎn)出的SBS改性瀝青乳液穩(wěn)定性最好。
圖5 pH值對SBS改性瀝青乳液儲存穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influence of pH on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion
(1)當(dāng)攪拌速度在1 000 r/min以下時,SBS改性瀝青乳液的5 d儲存穩(wěn)定性變化較小,當(dāng)攪拌速度達(dá)到1 000 r/min時,SBS改性瀝青乳液穩(wěn)定性值顯著增大,瀝青乳液甚至出現(xiàn)破乳現(xiàn)象。
(2)不論采取何種摻合方式,乳化劑外摻對SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性改善作用均不明顯。
(3)SBS改性瀝青乳液的儲存穩(wěn)定性值隨著pH值的增加先增大后減小,pH值為4時,乳液的儲存穩(wěn)定性最好,pH值過大或過小都將影響乳化劑分子的活性。
[1]劉永亮,孔祥明,鄒 炎,等.水泥瀝青砂漿的靜動態(tài)力學(xué)行為[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2009,6(3):1-7.
LIU Yong-liang,KONG Xiang-ming,ZOU Yan,et al.Static and dynamic mechanical behavior of cement asphalt mortars[J].Journal of Railway Science and Engineering,2009,6(3):1 -7.
[2]朱中華,肖晶晶,蔣 瑋.乳化劑劑量對改性乳化瀝青性能的影響研究[J].公路工程與運(yùn)輸,2008,(10):91-94.
ZHU Zhong-hua,XIAO Jing-jing,JIANG Wei.Influence of emulsifier’s dosage on modified asphalt emulsion performance[J].Highway Engineering and Transportation,2008,(10):91 -94.
[3]才洪美,張玉貞,王 濤.SBS膠乳改性乳化瀝青穩(wěn)定性研究[J].石油瀝青,2008,22(3):20-23.
CAI Hong-mei,ZHANG Yu-zhen,WANG Tao.Study on the stability of SBS latex modified asphalt emulsion[J].Petroleum Asphalt,2008,22(3):20 -23.
[4]隴 偉,宋哲玉,陸忠義.高剪切機(jī)在乳化瀝青中的應(yīng)用研究[J].公路與汽運(yùn),2009,(3):204-207.
LONG Wei,SONG Zhe-yu,LU Zhong-yi.Application of high shear machine in emulsified asphalt[J].Highways& Automotive Applications,2009,(3):204 -207.
[5]胡旭立.水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝體系的組成與性能[D].長沙:中南大學(xué),2009.
HU Xu-li.The composition and properties of cement- emulsified asphalt composite system[D].Changsha:Central South University ,2009.
[6]JTJ 052—2000,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].
JTJ 052—2000,Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[S].
[7]Wu X,Czarnecki J.Interaction forces between bitumen droplets in water[J].Langmuir,1999,15(16):5244 -5250.
[8]劉尚樂.乳化瀝青及其在道路、建筑工程中的應(yīng)用[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2008.
LIU Shang-le.The emulsified asphalt and its application in road and architectural engineering[M].Beijing:China Building Industry Press,2008.
[9]侯偉林.水泥瀝青砂漿用SBS改性瀝青乳液的穩(wěn)定性研究[D].長沙:中南大學(xué)土木工程學(xué)院,2011.
HOU Wei-lin.Stability study on CA mortar using SBS modified asphalt emulsion[D].Changsha:School of Civil Engineering,Central South University ,2011.
[10]王補(bǔ)宣,盛文彥,彭曉峰,等.剪切力作用下顆粒的絮凝與破碎[J].熱科學(xué)與技術(shù),2007,6(3):189-192.
WANG Bu-xuan,SHENG Wen-yan,PENG Xiao-feng,et al.Aggregation and breakup under shear flow [J].Journal of Thermal Science and Technology,2007,6(3):189-192.
[11]王 紅,王翠紅,王子軍.乳化劑體系對乳化瀝青儲存穩(wěn)定性影響研究[J].石油瀝青,2008,22(4):10-12.
WANG Hong,WANG Cui-hong,WANG Zi-jun.The influence of emulsifier system on the storage stability of emulsified asphalt[J].Petroleum Asphalt,2008,22(4):10-12.
[12]王麗娜,范維玉,南國枝,等.瀝青乳化劑及瀝青乳液性能研究[J].石油大學(xué)學(xué)報,2002,26(6):99-109.
WANG Li-na,F(xiàn)AN Wei - yu,NAN Guo-zhi,et al.Study on asphalt emulsifiers and the properties of emulsified asphalt[J].Journal of the University of Petroleum,2002,26(6):99 -109.
The influence of mixing emulsifier on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion
LIU Bao-ju,CHEN Huan,NING Shao-ying
(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)
The standard test method was adopted in order to investigate the influence of mixing emulsifier on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion.The influence of stirring rate,the type and dosage of emulsifier,the mixing way and the pH value or storage stability of SBS modified asphalt emulsion was investigated,and their internal relationship was analyzed.The experimental results indicate that the stirring rate would have greatly effect on storage stability if it was greater than 1 000 r/min,and even cause breaking phenomenon.The improvement effect of mixing emulsifier on the storage stability was not obvious no matter what mixing way we used.The pH would influence the emulsifier molecular activity whether it was too large or too small,and then impacted on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion.The storage stability of emulsion is the best when the pH is 4.
SBS modified asphalt emulsion;storage stability;stirring rate;emulsifier
TV442+.2
A
1672-7029(2011)05-0026-05
2011-05-30
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50978256)
劉寶舉(1970-),男,安徽全椒人,博士,副教授,從事瀝青、粉煤灰、高性能混凝土的研究