乳化瀝青的流變行為初步研究

賈少磊， 劉國祥， 郭 寧， 王廣兵

（中國石油大學(xué)（華東）山東石大科技集團(tuán)有限公司，山東東營257061）

常用的乳化瀝青主要由瀝青、水、乳化劑組成，根據(jù)需要，有時含有某些添加劑，水為連續(xù)相，瀝青為分散相。由于可以在較低溫度下使用，乳化瀝青在環(huán)境友好、節(jié)能和安全方面具有很大的優(yōu)勢［1］。流變學(xué)是研究材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件下與時間因素有關(guān)的變形和流動規(guī)律的學(xué)科，其主要研究對象是非牛頓流體［2］。研究表明，乳化瀝青的黏度與瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［3－5］、平均顆粒直徑的大小與分布［3－4，6］、界面膜的流變性［7－8］以及加入的電解質(zhì)［9］和增稠劑［10－11］、溫度［12－13］等因素相關(guān)。非牛頓型乳化瀝青的黏度為剪切速率的函數(shù)。在乳化瀝青的施工與輸送過程中，需要其具有合適的流變學(xué)性質(zhì)［3］，乳化瀝青的流變性常常與其用途相關(guān)。然而，迄今已發(fā)表的相關(guān)研究并不是很多。

瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.66，是乳化瀝青由純黏性行為轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥孕袨榈呐R界點［14］。為了研究和比較常規(guī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與近臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳化瀝青的流變學(xué)性質(zhì)，分別制備了瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60和0.70的陽離子型乳化瀝青。采用旋轉(zhuǎn)黏度計研究了其流變學(xué)行為。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

瀝青：軟化點47.0℃；針入度75（0.1mm）；135℃下黏度為333mPa·s；乳化劑：十六烷基三甲基溴化銨，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 乳化瀝青試樣制備

采用高速剪切機(jī)，在12 000r／min剪切速率下，按設(shè)計量將熔融的瀝青（135℃）緩慢加入到65℃的十六烷基三甲基溴化銨水溶液中，然后繼續(xù)剪切5min。制備的乳化瀝青在室溫下密閉存放24h后，分別測定黏度。為了避免雜質(zhì)的影響，實驗使用蒸餾水，不加入電解質(zhì)和增稠劑等其他任何物質(zhì)。乳化劑質(zhì)量占乳化瀝青總質(zhì)量的1.0%。

1.3 黏度的測定

采用NDJ旋轉(zhuǎn)黏度計，測定溫度為23～51℃，剪切速率為5～50r／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切速率與黏度的關(guān)系

流變性是指溶液承受的剪切應(yīng)力與剪切速率的相互關(guān)系［14］。流體流動時，剪切應(yīng)力（τ）與剪切速率（γ）服從冪律關(guān)系，如式（1）所示：

式中：c為復(fù)合流動指數(shù)，反映流體流動的復(fù)雜程度，通常認(rèn)為，牛頓流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之比為常數(shù)，即牛頓流體的流動指數(shù)c＝1；非牛頓流體的流動指數(shù)小于或大于1，如果c＜1，則表觀黏度隨剪切速率增大而下降，如果c＞1，則表觀黏度隨剪切速率增大而增大。

G.A.Nunez等［3］測定了顆粒直徑呈單峰分布、粒徑為20μm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.40、0.70和0.80的乳化瀝青在30℃下的黏度，結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40的乳化瀝青表現(xiàn)為牛頓流體的流變行為，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于0.70的乳化瀝青為非牛頓流體。梁冰瑞等［12］的研究結(jié)果表明乳化瀝青在一定程度上顯示出了假塑型流體的特性。

圖1給出了乳化瀝青在不同剪切速率下的黏度。

圖1 剪切速率對表觀黏度的影響Fig.1 Effect of shere rate on the apparant viscosity

從圖1中可以看出，乳化瀝青的黏度隨剪切速率的改變而變化，因此為表觀黏度。關(guān)聯(lián)乳化瀝青表觀黏度與剪切速率的數(shù)據(jù)可得二者關(guān)系可表示為式（3）：

比較式（2）和式（3）可得c－1＝－n，即c＝1－n。

關(guān)聯(lián)所得n值和相關(guān)性系數(shù)R2見表1。結(jié)合表1中n值可知c＜1。據(jù)此可認(rèn)為，試驗條件下乳化瀝青為非牛頓流體，其特點是黏度隨剪切速率增大而下降。表1中相關(guān)性系數(shù)顯示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60的乳化瀝青的相關(guān)性0.984 9，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70的乳化瀝青的相關(guān)性僅為0.764 8，表明式（3）可很好地描述質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60的乳化瀝青的剪切速率與表觀黏度的關(guān)系，對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70的乳化瀝青則稍差。

表1 關(guān)聯(lián)乳化瀝青的流變學(xué)性質(zhì)的參數(shù)Table1 The parameters associating the rheological properties of emulsified asphalt

2.2 溫度對黏度的影響

隨著溫度的升高，乳化瀝青的表觀黏度有不同程度的下降。D.V.Lyttleton［13］的研究結(jié)果顯示乳化瀝青的表觀黏度隨溫度的變化較小，乳化瀝青的感溫性小。

圖2顯示采用NDJ旋轉(zhuǎn)黏度計，測定溫度為23～51℃，剪切速率為5～50r／min時乳化瀝青的表觀黏度。

圖2 溫度對表觀黏度的影響Fig.2 Influence of temperature on apparent viscosity

由圖2可見，隨著溫度的升高，乳化瀝青的表觀黏度下降，但研究所用的兩種濃度的乳化瀝青黏度下降程度顯然不同。在相同的溫度下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70的乳化瀝青的黏度明顯高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60的乳化瀝青的黏度。

關(guān)聯(lián)圖2中表觀黏度與溫度數(shù)據(jù)可以得到乳化瀝青表觀黏度與溫度的關(guān)系如式（4）所示：

式中：ηa為表觀黏度，A、B 為常數(shù)。由式（4）可見，B值的大小反映溫度對表觀黏度的影響，B值越大則溫度對表觀黏度的影響越大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70時，B值為1.439 3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60時，B 值為0.981 0，二者之比為1.467 2，可見較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化瀝青的表觀黏度對溫度的變化更敏感。

2.3 乳化瀝青的表觀流動活化能

Arrhenius公式（5）可用于反映流體流動所需活化能：

式中：Ea為活化能，kJ／mol；A 為指前因子，由lnηa與1／Tk的關(guān)系得到；Tk為絕對溫度，K；R＝8.314 J／（mol·K），為氣體速率常數(shù)。

由圖2中的數(shù)據(jù)計算得到lnηa與1／Tk數(shù)據(jù)，根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)作圖3，由圖3中直線的斜率與R之積得表觀活化能Ea，結(jié)果見表1。計算所得表觀活化能數(shù)據(jù)顯示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70時，Ea＝31.363 7kJ／mol，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60時，Ea＝22.607 4kJ／mol，這表明較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化瀝青不易流動，流動所需能壘較高，反之亦然。上述結(jié)果與 M.Ahmed［7］所計算的非離子乳化瀝青的活化能相近。

圖3 lnηa與1／Tk 的關(guān)系Fig.3 Relationship of lnηaand 1／Tk

3 結(jié)論

乳化瀝青的流變性受瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的影響。在試驗條件范圍內(nèi)，乳化瀝青試樣的表觀黏度隨剪切速率變化，屬于非牛頓流體。表觀黏度隨溫度的升高按乘冪規(guī)律下降，較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化瀝青，表觀黏度受溫度變化的影響較大，流動時需要克服較高的能壘。

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