乳化剂对改性乳化沥青性能影响及机理研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2008年 　　9 月 郑 州 大 学 学 报 ( 工 学 版 ) Sep1　2008 第 29卷 　第 3期 Journal of Zhengzhou University ( Engineering Science) Vol129　No13 　　收稿日期 : 2008 - 05 - 14;修订日期 : 2008 - 07 - 01 　　基金项目 :国家“十一五 ”科技支撑计划资助项目 (2006BAJ18B05) 　　作者简介 :肖晶晶 (1982 - ) ,女 ,湖北武汉人 ,长安大学博士研究生 ,研究方向为改性乳化沥青 , E - mail: xiaojj029@ sina. com. 　　文章编号 : 1671 - 6833 (2008) 03 - 0005 - 05 乳化剂对改性乳化沥青性能影响及机理研究 肖晶晶 1 , 郑南翔 1 , 宋哲玉 2 (1. 长安大学 特殊地区公路 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 教育部重点实验室 ,陕西 西安 710064; 2. 长安大学 理学院 ,陕西 西安 710064) 摘 　要 : 采用 3种不同的乳化剂 AE、BE、CE,变化其剂量与 SBR胶乳共同作用制备改性乳化沥青 ,并对 乳液乳化效果及蒸发残留物性能进行试验研究. 结果表明 :当 AE、BE、CE的剂量分别达到 210%、 112%、115%时 ,三者对 SK - 90均有良好的乳化效果. 残留物 5 ℃延度指标表明 ,三者对沥青材料性能 的影响依次为提高、保持、降低. 残留物弹性恢复、黏韧性及韧性、60 ℃动力黏度等指标的检验 ,对于微 表处用原材料的质量控制具有重要意义. 研究表明 ,当乳液其它指标均满足规范 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 时 ,其残留物 60 ℃ 动力黏度难以达到国外 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 “≮800 Pa·s”的要求 ,建议我国将弹性恢复、黏韧性、韧性、动力黏度等技 术要求逐步列入相关规范. 关键词 : 改性乳化沥青 ;乳化剂 ;延度 ;弹性恢复 ;黏韧性 ;动力黏度 中图分类号 : U 416. 217　　　文献标识码 : A 0　引言 改性乳化沥青因具有常温态施工 ,节省能源 , 减少环境污染 ,降低工程造价等一系列优点 ,从而 在公路养护工程中得到广泛应用. 事实上 ,沥青乳 液只是在使用过程中的一种暂存形式 ,即过渡状 态. 沥青在乳化剂作用下被分散在水中 ,当破乳 之后 ,水分被析出 ,沥青又恢复自身的原有状态. 然而值得注意的是在破乳之后 ,乳化剂仍然残留 在沥青材料中. 残留在沥青中的乳化剂以何种形 式存在 ,对沥青材料有何种作用 ,对沥青材料路用 性能有何种影响 ,是研究和应用改性乳化沥青材 料部门普遍关注的问题 [ 1 ] . 针对以上问题 ,笔者选用了目前公路工程中 较常用的 3种沥青乳化剂 (分别用 AE、BE、CE表 示 )和 SBR胶乳制备改性乳化沥青 ,对乳液的乳 化效果及蒸发残留物性能进行检测 ,深入研究了 乳化剂对改性乳化沥青性能的影响规律 ,并对我 国现行规范提出了相关建议. 1　原材料与试验方案 1. 1　试验原材料 沥青 : SK - 90基质沥青 ,各项性能指标满足相 关规范要求 ;改性剂 :阳离子 SBR胶乳 PC - 1468, 剂量 3% ;乳化剂 : AE、BE、CE;稳定剂 :氯化钙 CaCl2 和聚乙烯醇 PVA 各 011% ; pH 值调节剂 : 盐酸 ,质量分数为 36% ～38%. 主要试验仪器为高剪切乳化机 (最高转速 11 000 r/m in)和酸度计 ( pH测量精度 ±0105). 采用改性乳化同时进行的工艺制备改性乳化沥 青 ,主要技术参数如下 :油水比 60 /40; 皂液 pH 值 210;皂液温度 55 ～60 ℃; 沥青温度 135 ～ 140 ℃;剪切速度 8 000 r/m in;剪切时间 10 m in. 1. 2　试验方案 在其他试验条件不变的情况下 ,采用不同的 乳化剂种类 (AE、BE、CE)及不同的乳化剂剂量 (AE: 018%、112%、116%、210%、214% ; BE: 018%、110%、112%、114%、116% ; CE: 019%、 112%、115%、118%、211% )制备改性乳化沥青 , 并对所得乳液的筛上剩余量、标准黏度、储存稳定 性、蒸发残留物的延度、弹性恢复、黏韧性、动力黏 度等性能指标进行了测试 ,考察乳化剂对改性 乳化沥青性能的影响 , 试验方法严格按照规 范进行. © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 6　　　　 郑 州 大 学 学 报 ( 工 学 版 ) 2008年 2　乳化剂对改性乳化沥青性能的影响 2. 1　乳化剂对沥青乳化效果的影响 2. 1. 1　乳化机理 乳化剂之所以能将常温下呈半固态的沥青制 备成常温下呈液态的沥青乳液 ,是因为乳化剂由 亲水的极性基和亲油的非极性基所构成. 当乳化 剂水溶液与沥青混合后 ,乳化剂分子的亲油基迅 速插入沥青微粒中 ,而亲水基则插入水中. 每个沥 青微粒表面层被许多个乳化剂分子包围 ,形成一 层界面膜. 包围沥青微粒的乳化剂分子越多 ,界面 膜越致密 ,膜的强度越高 ,对界面张力的降低作用 越强. 同时 ,界面膜外层排布的乳化剂分子亲水基 可以与水分子以氢键的方式缔合 ,在界面膜表面 形成一层牢固的水合层 ,亲水基越多 ,亲水性越 强 ,则结合的水分子数目越多. 界面膜外层乳化剂 分子亲水基在水中电离后带有相应的电荷 ,又形 成界面电荷层. 乳化剂分子电离度越高 ,所带电荷 数目就越多 ,界面电荷层就越强 ,同性相斥 ,加大 了沥青聚结的阻力 [ 2 ] . 界面膜、水合层、界面电荷 层使沥青在水中乳化、分散并保持相对稳定. 2. 1. 2　试验研究 采用乳液筛上剩余量、标准黏度及储存稳定 性 3项指标 ,评价乳化剂对沥青的乳化效果 ,试验 结果如图 1～图 3所示. 筛上剩余量表征了乳液中沥青微粒的粒径大 小及均匀程度 ,是衡量乳液质量好坏的重要指标. 如图 1所示 ,当乳化剂剂量较小时 , 3种沥青乳液 的筛上剩余量均不满足要求 ,其值远大于规范允 许的最大值 011% ;相同剂量下 ,乳液 BE的筛上 剩余量最小 , CE次之 , AE最大 ;随着乳化剂剂量 的增加 , 3种沥青乳液的筛上剩余量值明显减小 , AE下降的速度最快 ;达到一定剂量后 ,各乳液的 筛上剩余量均能满足规范要求 [ 3 ] . 可见 ,当乳化 剂剂量较小时 , 3种乳化剂均难以将沥青分散成 细小、均匀、稳定的沥青微粒 ,乳液质量差 ,乳化效 果不好 ;待达到一定剂量后 , 3种乳化剂均发挥出 优越的乳化性能. 制得筛上剩余量符合要求的沥 青乳液 ,所需要的最少乳化剂剂量各不相同 , BE 最少 , 为 110% ; CE 次之 , 115% ; AE 最多 , 为 210% ,当然这与乳化剂的浓度、活性物含量及价 格均有较大的关系 ,用量最少并不代表乳化效果 就最好 ,乳化力最强. 　　改性乳化沥青必须具有合适的黏度. 黏度过 高 ,流动性差 ,不利于撒布和与集料的均匀拌和 , 也不利于施工设备的精确计量 ;黏度太低 ,与集料 拌和时稠度往往不够理想 ,容易造成离析和乳液 流失 ,施工和易性差. 规范规定微表处用改性乳化 沥青的标准黏度值应在 12～60 s之间. 如图 2所 示 , 3种沥青乳液的标准黏度均满足规范要求 ;随 着乳化剂剂量的增加 , 3种乳液的黏度值明显降 低 ,乳液变稀 ,流动性增强. 试验过程中发现 ,当乳 化剂剂量较低时 ,所得乳液颗粒性较强 ,流动性较 差 ,偶有小的沥青微粒堵赛流孔 ,出孔乳液的连续 性较差 ;当乳化剂剂量较大时 ,乳液较稀 ,流动性 很强 ,流速较快 ;只有在乳化剂剂量适宜的情况 下 ,乳液才能均匀连续匀速的通过流孔. 相较而 言 ,乳液 AE具有较好的流动性 ,其标准黏度值多 在 20～40 s之间. 　　改性乳化沥青制备过程中 ,乳化沥青与胶乳 在机械的作用下 ,破坏了原来各自的平衡 ,重新建 立起一种新的平衡 ,如果这种平衡不能稳定存在 , 将会严重影响改性乳化沥青的生产、储存和使用. 储存稳定性指标反映的是乳化沥青在静置情况下 的沉降情况. 我国规范要求 24 h储存稳定性不超 过 1%. 乳液稳定性试验结果如图 3所示. 试验过 程中发现 ,当乳化剂 AE、BE剂量分别为 018%和 019%时 ,乳液发生严重的结皮现象 ,无法测得具 体稳定性试验数值. 继续增加乳化剂剂量以后 ,乳 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　第 3期 肖晶晶等 　乳化剂对改性乳化沥青性能影响及机理研究 7　　　　 液稳定性明显改善 ,其中 AE改善效果最明显. 能 使乳液储存稳定性达到要求所对应的最小乳化剂 剂量分别为 : AE 为 210% , BE 为 112% , CE 为 112%. 图 3　乳化剂对乳液稳定性的影响 F ig. 3　F ig. 3 Influence of em ulsif ier on em ulsion’s stab ility 2. 2　乳化剂对乳液蒸发残留物延度的影响 改性乳化沥青蒸发破乳后 ,沥青微珠间相互 融合 ,沥青恢复原有状态. 如果乳化剂分子在沥青 分子间起剪切作用 ,则沥青微珠间的融合就会受 到影响 ,乳化剂分子就像一道隔墙一样 ,把沥青微 珠相互隔开 ,沥青恢复不到原有状态 ,沥青材料性 能下降. 如果乳化剂分子在沥青分子间起凝聚作 用 ,则对沥青微珠间的融合有所促进 ,乳化剂分子 就像桥梁一样 ,使沥青微珠顺利通过 ,并把它们牵 拉到一起 ,促使沥青微珠间相互融合 ,沥青不但可 恢复到原有状态 ,而且比原有状态融合更紧密 ,沥 青材料性能提高. 如果乳化剂分子对沥青无剪切 也无凝聚作用 ,则沥青可恢复到原来状态 ,保持原 有性能不变 [ 4 ] . 而乳化剂对沥青材料的性能影响 最明显地体现在沥青的延度指标上. 试验结果表 明 ,乳化剂对沥青材料性能尤其是延度有较大的 影响 ,对针入度和软化点的影响不明显. 图 4　乳化剂对乳液蒸发残留物延度的影响 F ig. 4　 Influence of em ulsif ier on evapora ted residue’s ductility of the a spha lt em ulsion 　　从图 4可以看出 :随着乳化剂剂量的增加 ,乳 液 AE蒸发残留物的 5 ℃延度值逐步呈现先增大 后减小的趋势 ;而乳液 BE蒸发残留物的 5 ℃延度 值变化趋势不明显 ;乳液 CE蒸发残留物的 5 ℃ 延度值则出现减小的趋势. 由此可见 ,在乳化剂剂 量不过量的情况下 ,乳化剂 AE提高了材料性能 ; 而乳化剂 BE对材料性能影响不大 ;乳化剂 CE则 降低了材料的性能. 2. 3 　乳化剂对乳液蒸发残留物非常规指标 的影响 2. 3. 1 　乳化剂对乳液蒸发残留物弹性恢复 的影响 材料在受到外力作用时的抗变形能力及其变 形恢复能力是道路沥青高温抗车辙能力、低温柔 韧性和延展性的集中体现. 微表处技术常用于车 辙修复 ,通过弹性恢复性能考察改性乳化沥青残 留物的高温抗车辙能力 ,对于微表处技术原材料 的质量控制具有重要意义.《AASHTO 快凝型聚 合物改性阳离子乳化沥青技术要求 》[ 5 ]规定改性 乳化沥青蒸发残留物弹性恢复不得小于 50%. 弹性恢复试验结果如图 5所示 , 3种乳液蒸 发残留物均有一定的弹性恢复能力 ,相比之下 ,乳 液 AE、BE蒸发残留物的弹性恢复能力较强 ,能够 满足上述 AASHTO规范要求 ;乳液 CE蒸发残留 物的弹性恢复性能则稍差 ,难以满足以上规范要 求. 随着乳化剂剂量的增加 ,三者的弹性恢复值有 所浮动 ,但变化趋势不明显 , BE有所下降 ,而 AE、 CE的规律性不强. 总体来说 ,乳液 AE的蒸发残 留物弹性恢复性能最佳 ,具有理想的弹性特性 ,可 有效抵抗外力作用 ,填补车辙 ,延缓沥青路面 的老化. 图 5　乳化剂对乳液蒸发残留物弹性恢复的影响 F ig. 5　 Influence of em ulsif ier on evapora ted residue’s ela stic recovery of the a spha lt em ulsion 2. 3. 2 　乳化剂对乳液蒸发残留物 (黏 )韧性 的影响 黏韧性指标反映了沥青材料的抗冲击能力及 握裹能力 ,而韧性指标反映了沥青材料的黏结力 大小.《日本 JEAAS协会对微表处专用改性沥青 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 8　　　　 郑 州 大 学 学 报 ( 工 学 版 ) 2008年 乳液的技术要求 》[ 6 ]规定改性乳化沥青蒸发残留 物“黏韧性 > 310 N·m; 韧性 > 215 N·m ” 的要求. 从图 6可以看出 , 3种乳液蒸发残留物的黏 韧性及韧性指标均满足上述日本规范要求 ,乳液 CE略差. 随着乳化剂剂量的增加 , 3种乳液蒸发 残留物黏韧性及韧性指标的变化趋势与 5 ℃延度 相近 :乳液 AE蒸发残留物的黏韧性及韧性指标 先增大后减小 ;乳液 BE变化幅度不大 ;乳液 CE 则缓慢降低. 研究表明 ,黏韧性试验实质上是一定 条件下材料的单向拉伸试验 ,黏韧性和韧性是表 征最大拉伸变形能力和之后的较长时间的变形能 力的两个参数 , 与延度指标具有一定的相 关性 [ 7 ] . 图 6　乳化剂对乳液蒸发残留物 (黏 )韧性的影响 F ig. 6　 Influence of em ulsif ier on evapora ted residue’s toughness and tenac ity of the a spha lt em ulsion 2. 3. 3　乳化剂对乳液蒸发残留物动力黏度的 影响 从流变学角度考虑 ,黏度是反映沥青流动能 力的物理参数 ,沥青的黏度大小与其分子结构及 组成密切相关. 60 ℃恰好处于夏季路面的高温条 件下 ,因此 , 60 ℃动力黏度值能真实的反映路面 的实际使用情况 ,是评价沥青路面高温稳定性的 重要指标之一. 黏度大的沥青说明在载荷作用下 产生较小的剪切变形 ,弹性恢复性能好 ,残留的永 久塑性变形小 ,抗车辙能力好 ,沥青路面的稳定 性大 [ 8 ] . 如图 7所示 ,随着乳化剂剂量的增加 ,乳液 AE蒸发残留物动力黏度先增大后减小 ,最小值 为 401 Pa·s,逐步增至峰值 486 Pa·s,随后降至 455 Pa·s. 然而 ,动力黏度试验过程较为复杂 ,重 复性试验的允许误差为平均值的 7%. 这样看来 , 乳化剂 AE剂量对乳液蒸发残留物动力黏度的影 响并不明显 ,乳液 BE蒸发残留物动力黏度随乳 化剂剂量的变化趋势不明显 ;而乳化剂 CE剂量 的增加则降低了乳液蒸发残留物的动力黏度. 3 种乳液蒸发残留物的 60 ℃动力黏度均不能达到 国际上某些国家或地区对于此项指标的要求 ,如 美国俄克拉荷马州要求微表处用改性乳化沥青蒸 发残留物 60 ℃动力黏度不得小于 800 Pa·s. 图 7　乳化剂对乳液蒸发残留物动力黏度的影响 F ig. 7　 Influence of em ulsif ier on evapora ted residue’s dynam ic v iscosity of the a spha lt em ulsion 3　对规范的一点建议 改性乳化沥青由于结合了改性技术 ,其性能 较普通乳化沥青有了较大的改变 ,用常规的试验 方法不能完全表示出来. 我国微表处用改性乳化 沥青技术要求中 ,仅对乳液蒸发残留物的针入度、 软化点、延度等沥青的基本性能指标做出规定 ,而 对于残留物的弹性恢复、黏韧性、韧性、动力黏度 等针对改性沥青特点开发的性能指标则未做出相 应要求 ,这对于评价改性乳化沥青的性质显然是 不够全面的. 笔者通过大量的试验发现 ,制得的改 性乳化沥青在满足我国微表处用改性乳化沥青技 术要求中所有检测项目的情况下 , 60 ℃动力黏度 均难以达到 800 Pa·s. 当然 ,我国地域广阔 ,气候 差异大 ,与文中提到的美国俄克拉荷马州气候条 件也不同 , 60 ℃动力黏度值定在 800 Pa· s也不 一定合理 ,但是这个问题值得注意 ,有待更深入的 调查研究. 建议我国将弹性恢复、动力黏度、黏韧性、韧 性等技术要求逐步列入相关规范. 4　结论 (1) 3种乳化剂 AE、BE、CE对沥青均有良好 的乳化效果 ,与 3%的阳离子 SBR胶乳共同作用 , 可以制得均匀、分散、稳定性良好的改性乳化沥青 乳液. (2)乳化剂对沥青材料性能尤其是延度有较 大的影响 ,对针入度和软化点的影响不明显. 在乳 化剂剂量不过量的情况下 ,随着乳化剂剂量的增 加 ,乳化剂 AE提高了材料性能 ;乳化剂 BE对材 料性能影响不大 ;乳化剂 CE则降低了材料的 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　第 3期 肖晶晶等 　乳化剂对改性乳化沥青性能影响及机理研究 9　　　　 性能. (3)检验改性乳化沥青残留物的弹性恢复、 黏韧性及韧性、60 ℃动力黏度等指标 ,对于微表 处用原材料的质量控制具有重要意义. 乳液 AE、 BE蒸发残留物的弹性恢复能力较强 , CE较差 ; 3 种乳液蒸发残留物黏韧性及韧性指标均满足日本 规范要求 ; 3种乳液蒸发残留物 60 ℃动力黏度均 难以达到国际上某些国家或地区对于此项指标的 要求 (4)改性乳化沥青由于结合了改性技术 ,其 性能较普通乳化沥青有了较大的改变 ,用常规的 试验方法不能完全表示出来. 建议我国将弹性恢 复、动力黏度、黏韧性、韧性等技术要求逐步列入 相关规范. 参考文献 : [ 1 ]　ANDREW C. Slurry surfacing around the world [ R ]. W ashington DC: ISSA, 2006. [ 2 ]　贾汉东 ,卫世乾 ,鲍改玲 ,等. 加入阴阳离子对高铁 酸盐溶液稳定性的影响 [ J ]. 郑州大学学报 :理学 版 , 2006, 38 (1) : 101 - 104. [ 3 ]　肖晶晶 . 微表处改性乳化沥青及混合料性能研究 [D ]. 西安 :长安大学 , 2007. [ 4 ]　DUANE C, ALAN J. Chem ical em ission from asphalt emulsion app lications[ R ]. W ashington DC: ISSA /AE2 MA, 2000. [ 5 ]　AASHTO M316 - 98,Modified cationic emulsified as2 phalt[ S ]. [ 6 ]　日本 ‚ ™ µ Ë ¨乳剂协会. 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The results show that, when the three emulsifiers’dosage reached 2. 0% , 1. 2% , 1. 5% respectively, they emulsified and dispersed the asphalt SK - 90 very well. The residue’s 5 ℃ ductility showed that the three emulsifiers reflected different in2 fluence on the asphalt material, in sequence of imp roving, keep ing and decreasing. Testing the residues’e2 lastic recovery, toughness and tenacity as well as 60 ℃ dynam ic viscosity is meaningful for controlling the raw material quality which is used for m icro - surfacing. Research results indicated, when the other p roperties of modified emulsified asphalt satisfied the specification requirementwell, the evaporation residues’dynam ic vis2 cosity is difficult to reach the international’s requirement in some other countries or areas. The related specifi2 cation should bring the elastic recovery, dynam ic viscosity, toughness and tenacity into the regulation require2 ments step by step. Key words: modified emulsified asphalt; emulsifier; ductility; elastic recovery; toughness and tenacity; dynam ic viscosity