高速剪切機(jī)制備乳化瀝青的試驗(yàn)研究

弓銳　彌海晨

摘 要：針對(duì)膠體磨和剪切機(jī)加工的乳化瀝青在性能上的差異，對(duì)剪切機(jī)的加工工藝提出了3種改進(jìn)方案，從中選取了最佳方案并通過(guò)變化乳化劑用量、乳化劑類型和瀝青品牌，對(duì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，得出結(jié)論：采用膠體磨生產(chǎn)的乳化瀝青比剪切機(jī)生產(chǎn)的乳化瀝青性能更優(yōu)，改進(jìn)后的工藝可以使剪切機(jī)生產(chǎn)的乳化瀝青性能與膠體磨生產(chǎn)的乳化瀝青接近。

關(guān)鍵詞：乳化瀝青加工工藝；高速剪切機(jī)；膠體磨；乳化劑

中圖分類號(hào)：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Experimental Study on Emulsified Asphalt Produced by Highspeed Shearing Machine

GONG Rui， MI Haichen

（Xian Highway Institute， Xian 710065， Shaanxi， China）

Abstract： Given that emulsified asphalt produced by colloid mill and shearing machine varies in performance， three schemes were proposed to improve the processing of shearing machine， among which the optimum one was chosen. The scheme was verified by different content and types of emulsifiers and various asphalt brands. The following conclusion was drawn： emulsified asphalt produced by colloid mill is superior to that processed by shearing machine in performance， while the improvement measure can close the gap.

Key words： emulsified asphalt processing； highspeed shearing machine； colloid mill； emulsifier

0 引 言

近些年，乳化瀝青的市場(chǎng)需求量逐年加大，中國(guó)對(duì)乳化瀝青及其相關(guān)材料的試驗(yàn)研究迅速展開(kāi)。目前，各企業(yè)、學(xué)校及科研單位在進(jìn)行乳化瀝青試驗(yàn)時(shí)，都離不開(kāi)乳化瀝青的室內(nèi)小型加工設(shè)備[12]。本文就2種常見(jiàn)設(shè)備的加工原理及乳化瀝青質(zhì)量進(jìn)行比較，針對(duì)剪切機(jī)加工乳化瀝青時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題提出改進(jìn)措施，為提高室內(nèi)乳化瀝青的質(zhì)量提供參考。

1 乳化瀝青的室內(nèi)加工工藝

1.1 膠體磨加工工藝

1.1.1 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

膠體磨加工工藝的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)出來(lái)的乳化瀝青顆粒小，乳化劑與瀝青充分反應(yīng)，乳化瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足要求。

膠體磨加工工藝的缺點(diǎn)：加工過(guò)程中，一般需要2～3人協(xié)同工作，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，并且加工設(shè)備體積較大，不易搬運(yùn)和攜帶。

1.1.2 工作原理

目前，膠體磨是制備乳化瀝青使用最多的乳化設(shè)備，主要包括轉(zhuǎn)子和定子2部分。膠體磨的作用原理主要是通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子之間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切力對(duì)物料起到研磨、分散的作用[34]。轉(zhuǎn)子在定子中高速旋轉(zhuǎn)，兩者的間隙約為0.2～0.5 mm，可以調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)甚至上萬(wàn)轉(zhuǎn)。

首先將一定濃度的乳化劑水溶液加入膠體磨中，隨后緩慢加入熱融瀝青，瀝青液經(jīng)高速剪切后成細(xì)小微粒，均勻的分散在溶液中，溶入溶液的乳化液分子會(huì)立即被瀝青微粒界面吸附[5]，當(dāng)吸附的乳化劑分子達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，完成充分乳化，最終制成乳化瀝青。

1.1.3 試驗(yàn)操作要點(diǎn)

首先，用90 ℃以上的熱水進(jìn)行清洗，并將膠體磨預(yù)熱、保溫；再把瀝青鍋置于恒溫鼓風(fēng)烘箱中加熱至140 ℃～145 ℃，準(zhǔn)確稱取所需瀝青，溫度保持在130 ℃～140 ℃。

用500 ml的燒杯在電子天平上準(zhǔn)確稱量所需乳化劑。稱好后在燒杯中加入60 ℃～70 ℃的熱水，用攪棒攪拌均勻，使乳化劑完全溶解，在60 ℃～70 ℃下保溫15～30 min。有些乳化劑需要用工業(yè)鹽酸將皂液調(diào)至所需pH值。

打開(kāi)膠體磨電源開(kāi)關(guān)，將設(shè)備中預(yù)熱時(shí)所用的熱水全部放出，之后依次加入乳化劑溶液和熱瀝青。隨著熱瀝青的逐漸加入，乳化劑和瀝青的混合物逐漸變稠，對(duì)該混合物進(jìn)行循環(huán)操作，使其均勻。繼續(xù)剪切10 s后，將穩(wěn)定的乳化瀝青收集。

最后，用熱水沖洗設(shè)備，并加入柴油對(duì)設(shè)備進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2 高速剪切機(jī)加工工藝

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

高速剪切機(jī)加工工藝的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備體積小，便于攜帶，一個(gè)人即可完成乳化瀝青的生產(chǎn)。

高速剪切機(jī)加工工藝的缺點(diǎn)：所生產(chǎn)的乳化瀝青顆粒較大，穩(wěn)定性不佳；操作工序繁多，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速不易控制，對(duì)操作人員的熟練程度要求較高，且乳化瀝青的合格率不高

[67]。

1.2.2 工作原理

高速剪切機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組合而成，轉(zhuǎn)子上有多把刀片，轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)，定子固定不動(dòng)，定子周?chē)_(kāi)有很多孔槽，而轉(zhuǎn)子和定子間的間隙很小，大約為1 μm[8]。轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)底部產(chǎn)生負(fù)壓，形成負(fù)壓區(qū)，處于負(fù)壓區(qū)的物料被轉(zhuǎn)子吸入，并加速向轉(zhuǎn)子刀片的邊緣運(yùn)動(dòng)；物料在1 μm間隙中受到強(qiáng)力作用，被剪切、研磨、粉碎后，迫使它穿過(guò)定子孔槽噴射而出，碰到容器壁后返回到混合物中；再次受到轉(zhuǎn)子底部負(fù)壓的吸引，被吸入轉(zhuǎn)子和定子間受到強(qiáng)力作用，從而形成連續(xù)循環(huán)，使不相容的瀝青和水等溶液相溶在適宜的乳化劑作用下，瞬間均勻精細(xì)地分散乳化，最終得到穩(wěn)定的乳化瀝青產(chǎn)品。

1.2.3 試驗(yàn)操作要點(diǎn)

安裝并檢查、調(diào)整好剪切機(jī)。把瀝青鍋置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上，加熱至140 ℃～145 ℃；稱取的瀝青置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，溫度保持在130 ℃～140 ℃。把漏斗用長(zhǎng)柄鐵夾夾緊，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中溫?zé)?、保溫。在乳化杯中?0 ℃的水，把高速剪切機(jī)的剪切頭浸入熱水中，調(diào)整攪拌頭和升降架的高度，用手轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活后，打開(kāi)電源試機(jī)，預(yù)熱并保溫[9]。

用500 ml燒杯在電子天平上準(zhǔn)確稱量所需的乳化劑及穩(wěn)定劑。稱好后在燒杯中加入60 ℃～ 70 ℃熱水，用攪棒攪拌均勻，使乳化劑溶解，置于電熱恒溫水浴中，在60 ℃～70 ℃下保溫15～30 min。有些乳化劑需要用工業(yè)鹽酸將皂液調(diào)至所需pH值。

把乳化杯從高速剪切機(jī)頭下取出，迅速倒去杯中水，再把皂液倒入乳化杯中，調(diào)整升降架高度，使剪切頭處于最佳位置。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)并控制速度在3 000～ 4 000 r·min-1，以不起泡沫為準(zhǔn)。在瀝青溫度達(dá)到130 ℃～140 ℃時(shí)，將瀝青通過(guò)漏斗加入到乳化杯內(nèi)的皂液中，瀝青立即被高速剪切分散、乳化。隨著瀝青的加入，容器內(nèi)乳液的粘度不斷升高，應(yīng)逐漸提高攪拌速度，速度的大小以不起泡沫為準(zhǔn)[10]。繼續(xù)加入瀝青，直至瀝青加完為止。攪拌速度在6 000～7 000 r·min-1時(shí)剪切1～2 min，然后逐漸減小剪切速度直至停機(jī)，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，取出乳化杯，即得到乳化瀝青成品。

最后用70 ℃～ 80 ℃皂液清洗剪切頭。清洗時(shí)打開(kāi)高剪切機(jī)約1 min，然后用干布輕擦攪拌頭，再用溶劑（汽油等）浸泡擦洗至完全干凈。使用7～8次后應(yīng)拆開(kāi)剪切頭，進(jìn)行徹底清洗。

2 乳化瀝青質(zhì)量比較

分別用膠體磨和剪切機(jī)生產(chǎn)乳化瀝青，材料比例見(jiàn)表1，所生產(chǎn)的乳化瀝青檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，使用剪切機(jī)生產(chǎn)的乳化瀝青的均勻性和穩(wěn)定性不佳，主要表現(xiàn)在篩余量和穩(wěn)定度值。

3 剪切機(jī)生產(chǎn)乳化瀝青的改善措施

3.1 試驗(yàn)方案

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)剪切機(jī)的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，具體提出了3個(gè)方案。

方案1：將瀝青加熱到140 ℃～150 ℃，皂液加熱到65 ℃；先將皂液通過(guò)剪切機(jī)打出泡沫后，緩慢加入熱瀝青，并加大轉(zhuǎn)速至11 000 r·min-1，持續(xù)剪切10 min。

方案2：將瀝青加熱到140 ℃～150 ℃，皂液加熱到65 ℃；同時(shí)將皂液和瀝青緩慢混合，并加大轉(zhuǎn)速至11 000 r·min-1，持續(xù)剪切10 min。

方案3：將瀝青加熱到140 ℃～150 ℃，皂液加熱到65 ℃；先加入瀝青，之后將皂液緩慢加入到熱瀝青中，并加大剪切機(jī)的轉(zhuǎn)速至11 000 r·min-1，持續(xù)剪切10 min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

材料比例見(jiàn)表3，主要對(duì)乳化瀝青的篩余量和穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

在不改變?nèi)榛瘎┯昧?、乳化劑溶液和瀝青溫度的條件下，變化乳化劑溶液和瀝青的添加工藝生產(chǎn)了3組乳化瀝青，通過(guò)檢測(cè)篩余量和穩(wěn)定性，可知方案3的效果最佳。

4 結(jié)果驗(yàn)證

在確定乳化劑和瀝青添加方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)變化乳化劑用量、乳化劑類型和瀝青品牌，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)方案

分別變化乳化劑用量、乳化劑類型和瀝青品牌生產(chǎn)乳化瀝青，如表5所示，乳化工藝同方案3。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用表5的材料生產(chǎn)出12組乳化瀝青，分別對(duì)這12組乳化瀝青的篩余量、標(biāo)準(zhǔn)粘度、蒸發(fā)殘留物3大指標(biāo)及貯存穩(wěn)定度值進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，使用經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的剪切機(jī)加工工藝所生產(chǎn)的乳化瀝青性能均有明顯改善，乳化瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均可與膠體磨所生產(chǎn)的乳化瀝青指標(biāo)相媲美。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)膠體磨和剪切機(jī)室內(nèi)加工乳化瀝青性能的差異，對(duì)剪切機(jī)的加工工藝提出了3種改進(jìn)方案，并從中選取了最佳方案。采用最佳的剪切機(jī)加工工藝方案，變化乳化劑用量、乳化劑類型和瀝青品牌，對(duì)乳化瀝青進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

（1）推薦采用的剪切機(jī)生產(chǎn)乳化瀝青的生產(chǎn)工藝為：將瀝青加熱到140 ℃～150 ℃，皂液加熱到65 ℃后；先將瀝青加入，之后將皂液緩慢加入到熱瀝青中并加大剪切機(jī)的轉(zhuǎn)速至11 000 r·min-1，持續(xù)剪切10 min。

（2）采用膠體磨生產(chǎn)的乳化瀝青比剪切機(jī)生產(chǎn)的乳化瀝青的性能更優(yōu)。改進(jìn)后的剪切機(jī)加工工藝使生產(chǎn)的乳化瀝青性能與膠體磨生產(chǎn)的乳化瀝青性能接近。今后對(duì)于只有剪切機(jī)的單位，可以按照文中提出的方案3進(jìn)行生產(chǎn)，可保證質(zhì)量。

（3）結(jié)合對(duì)剪切機(jī)加工工藝驗(yàn)證部分的試驗(yàn)內(nèi)容可以得出，使用改進(jìn)后的剪切機(jī)加工乳化瀝青，對(duì)于不同的乳化劑、不同的乳化劑用量和不同品牌的瀝青，生產(chǎn)乳化瀝青時(shí)都適用。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]