高铁用阴离子乳化沥青工艺配方优化的研究.pdf

2 0 1 1 年 l 2月 石 油 沥 青P E T R O L E U M A S P H A L T 第2 5卷第 6期 高铁用阴离子乳化沥青工艺配方优化的研究 田翠芳 ，马庆丰 ，时敬涛 ，赵品晖。 1 中油燃料油股份有限公司技术研发中心，青岛2 6 6 5 0 0 ； 2 中油燃料油股份有限公司规划计划处，北京1 0 0 0 2 5 ； 3 中国石油大学 ( 华东)重质油加工国家重点实验室，青岛2 6 6 5 5 5 摘要：以乳化沥青的储存稳定性为指标，通过正交试验考察 了乳化剂 L F 、助剂 T和助 剂c的用量对乳化沥青体系稳定性的影响。结果表明，影响乳化沥青稳定度大小的因素排 列顺序为：乳化剂用量大于助剂 c用量大于助剂 T用量。乳化剂 L F 、助剂 c和助荆 T的较 佳用量分别为：4 0 ，0 0 6 和 0 4 。 关键词：乳化沥青储存稳定性正交试验配方优化 C A砂浆 ( c e me n t a s p h a l t mo r t a r )是板式轨 道中轨道板与混凝土道床之问的结构层材料，它 是由水泥、乳化沥青、砂和多种外加剂组成，经 水泥与沥青共同作用胶结硬化而成的一种新型有 机无机复合材料。 C A砂浆用乳化沥青 除 了具有普通沥青乳 液所具有的性能外 ，还要求与水泥相容性好 、粘 度较大、破乳速度慢 、抗冻性 、耐候性能优异， 凝固后沥青形成连续层 ，能与水泥、细骨料形成 具有 温 度依存 关 系和滞 弹性 体特 性 的复合 材 料。 在乳化沥青的生产应用 中，乳液的稳定性是 影响乳化沥青性质的最重要 因素之一 ，其稳定性 的好坏直接影响到施工的难易程度和道路的路用 性能。离析严重的乳化沥青 内部的颗粒粒径分布 较宽 ，甚至出现凝聚的块状 ，用于施工会导致路 面摊铺 不均 ，易 松 散，甚 至 出现 不 成形 等 病 害 j ，因此有必要对影 响乳化 沥青 的储存稳定 性的因素进行深入的考察研究。 本研究在大量的试验基础上筛选出了适用于 高铁专用乳化沥青生产的慢裂型阴离子乳化剂 L F ，考察了 L F与助剂 C 、助剂T按照一定比例 使用时乳化沥青的稳定性情况 ，并就相互影响机 理进行了解析 ，从而为乳化沥青的生产和应用提 供一定的理论指导。 1 试验部分 I 1 试验原料 基质沥青 ：昆仑 A H一 7 0 ； 乳化剂：高铁专用阴离子乳化剂 L F ；助剂 T ；助剂 C；盐酸 ：化学纯。 I 2 试验设备 1 )胶体磨：美国 D A L WO R T H道维施型实 验室改性沥青 乳化沥青组产设备 ； 2 )界面张力仪：美国 C N G公司 T X一 5 0 0 C 全量程旋转滴界面张力测量仪； 3 )激光粒度仪 ：MS 2 O O O M i e r o 激光粒度仪 ； 4 )针入度测试仪：无锡市华南试验仪器有 限公司S Y D一 2 8 0 1 E型全自动针人度仪； 5 )延度测试仪 ：北京中科路达试验仪器有 限公司 L Y Y一 7 C智能沥青延伸度测定仪； 6 )软化点测试仪：上海昌吉地质仪器有限 公司 S Y D一 2 8 0 6 E全 自动沥青软化点试验器 ； 7 )颗粒极性测试仪 ：上海 昌吉地质仪器有 限公司 S Y D一0 6 5 3乳化沥青微粒离子 电荷试验 器 ； 8 )乳化沥青储存稳定性试验仪 ：上海昌吉 收稿 日期 ：2 0 1 1 一l 01 2 。 作者简介 ：田翠芳 ，女 ，助 理工 程师 ，硕 士研究 生 ，中国 石油大学 ( 华东)化学工程与技术专业毕业， 现在中油燃 料油股份有 限公司青岛技术研发 中心从 事沥青产 品研发及 油品分 析 评价方 面 的工作 。Em a i l ：t i a ne l p e t r o c h i 第 6期 田翠芳等高铁用阴离子乳化沥青工艺配方优化的研究 3 1 地质仪器有限公司生产，型号 S Y D一 0 6 5 5 。 1 3 乳化沥青的制备方法 1 )将乳化剂和助剂按照比例配成皂液，放 入皂液罐加热至一定温度备用； 2 )将沥青注入原料罐，升温至预定温度备 用 ； 3 )启动沥青泵和皂液泵，使管路处于循环 状态， ， 并调节两者的流量至预定值； 4 )开启胶体磨，通入皂液，2 s 后通人沥 青，观察乳化沥青质量，质量合格后将试样阀转 到试样容器开始取样，试样冷却至室温即可； 5 )试验完毕 ，清洗胶体磨，关闭电源。 2 高铁专用阴离子乳化剂 L F用量的选择 图 l 是乳化剂 L F的用量与沥青模拟油水体 系的界面张力图。 吕 V 巨 乳化 tJ L F 浓度， 图 1 阴离子乳化剂 L F与体系界面张力关系曲线 乳化剂作为一种表面活性剂，其分子结构中 包含亲水基和亲油基两部分 ，并且在溶液中存在 临界胶束浓 度。当乳化剂溶液 与基质 沥青混合 后 ，乳化剂分子移动于沥青与水界面间，其分子 的憎水基团吸附于沥青表面，并使其带有电荷， 而亲水基团则进入水相，从而将沥青颗粒与水连 结起来 ，降低 了两者之间的界面张力。每个沥青 微粒表面都吸附了大量的乳化剂分子，形成了一 层界面膜 ，当体系中乳化剂浓度较低即未达到临 界胶束浓度时 ，油水界面上的吸附乳化剂 尚未达 到饱和 ，界面膜上的乳化剂分子排列稀松，膜强 度较差 ，乳化沥青的稳定性也较差 ；当浓度增大 至一定浓度即临界胶束浓度后 ，界面膜上吸附的 乳化剂增多 ，分子之间排列紧密，界面膜的强度 也相应 的增大 ，乳化 沥青 微粒间 的聚集 阻力增 大，稳定性提高。同时由于乳化剂分子还带有一 定的电荷， 形成界面电荷层， 进一步增加了微粒间 凝聚的阻力， 也有利于维持乳化体系的稳定度。 由图l可知， 当乳化剂的用量大于 3 O 以后 ， 体系界面张力值才趋于平缓， 说明乳化剂达到临界 胶束浓度。本研究考察了 L F 在 3 O 一 4 O 浓 度范围变化时乳化沥青体系的稳定性情况。 3 稳定剂的选择 乳化沥青是高度分散的热力学不稳定体系， 具有较大的比表面和较高的能量，因此分散相有 自动聚结的趋势。为了在较低生产成本下维持较 高的乳液体系稳定度，采用添加一定量的稳定剂 是可取的，常用的稳定剂分为无机盐和高聚物两 类 。 高聚物的作用机理一方面是可在沥青颗粒表 面形成一层坚固的胶体膜，起到保护作用，从而 避免沥青颗粒在运动碰撞中聚集、沉降 ；另 一 方面是通过增加乳液连续相的粘度，阻碍微粒 运动以减少微粒碰撞凝聚从而提升了体系的稳定 度 。 2 ， 、 根据 S t o k e s 公式 = 玉 叼 式中： 颗粒沉降速度，m s ； J D 分散相 ( 沥青)的密度 ，k g m 。 ； p 0 连续相 ( 水 )的密度，k g m。 ； g 重力加速度 ，r n s ； ，7 连续相 ( 水)粘度，P a s ； 一分散相 ( 沥青)的颗粒半径，m。 由公式可知，减小两相间的密度差、增加连 续相的粘度，可提高乳液的稳定性。粘度大则颗 粒运动的阻力增大 ，乳液的稳定性也就越好 ，粘 度可以通过 向体系 中加入某些增稠剂来进行控 制，例如肖进新通过研究指出在水中添加 3 的 甲基纤维素可将水的粘度提高近 1 0 0 0 0倍l 5 j 。 本研究所用助剂 C为羧 甲基纤维素钠是一 种阴离子型高聚物， 其分子中的疏水链与水分子 通过氢键缔合，聚合物的体积膨胀减少了体系中 微粒的自由活动空间，达到了增稠的效果 ，起到 稳定的作用。表 1是助剂 C的用量对乳化沥青 性能的影响。由以上分析可知，助剂 C的很小 的加入量就能够明显改善乳液的储存稳定性，而 其对乳化沥青的其他性能影响较小。综合考虑， 助剂 C的用量范围为 0 0 2 一 0 0 6 。 3 2 石 油 沥 青 2 0 1 1 年第 2 5卷 注i 乳化沥青制备工艺条件：乳化剂L F 用量3 5 ，油温1 3 5 C，皂液温度5 0 C。 皂液p H值1 1 5 ， 油水比6 ： 4 。 助剂 T为含有聚乙二醇结构 的聚氨酯类高 聚物 ，其分子结构中同时具有亲水基团和亲油基 团，因此呈现出一定的表面活性，当其浓度超过 一 定值时，在水中形成胶束，与聚合物缔合形成 网状结构，使得体系的粘度变大，稳定性增强， 同时由于其具有表面活性因此与乳化沥青微粒之 间也存在着相互作用，通过实验室考察发现当助 剂 T在一定 的浓度范围 内增 大时，乳化沥青 的 稳定性呈现出先变差后变好的趋势，蒸发残留物 的延度呈现逐渐变差 的趋势，见表 2所示 。但助 剂 T与助剂 C复合后可使得稳定性得到改善， 具体原因尚未明确，有待进一步研究。 表 2 助剂 T用量与乳化沥青性质关系 注：乳化沥青制备工艺条件：乳化剂 L F 用量3 5 ，油温 1 3 5 ，皂液温度5 0 q E ，皂液p H值 1 1 5 ，油水比6 ： 4 。 4 高铁专用乳化沥青的配方优化设计 储存稳定度是评定乳化沥青在储存过程中产 生沉淀、分离程度的一个重要指标。将乳化沥青 注入规定的储存管中储存一定时间，分别从上部 和下部取样测其蒸发残留物。以上下部所得蒸发 残留物的差值，表示乳化沥青的储存稳定度。 在前期试验工作的基础上，设计了正交试 验 ，优化考察了高铁专用乳化沥青 的配方。乳化 沥青制备采取的工艺条件如下：油温 1 3 5，皂 液温度 5 5 ，皂液p H值 1 1 5 ，油水比6 ： 4 。正 交试验设计如表 3所示 ，乳化沥青性 能见表 4 ， 表 5和表 6分别是三 因素对乳化沥青 1 d和 5 d 储存稳定度影响的正交试验数据 。 表 3 正 交试验设计 表4 正交试验配方下的乳化沥青性能数据 第6期 田翠芳等 高铁用阴离子乳化沥青工艺配方优化的研究 3 3 表5 三因素对乳化沥青1 d 储存稳定度影响的正交试验数据表 表 6 三因素对乳化沥青5 d储存 稳定度影 响的正交试验数据 表 表 5 、表 6中： ( 1 ) ， ， ，表示每个 因素所进行 的 3次试验所得稳定性的平均值；极差为 中最大 值与最小值之差， 极差愈大表明变化幅度大， 说 明该因素的水平变化对试验结果的影响愈大，该 因素即为最大因素； ( 2 )针对每个因素，其哪个水平的K值小， 该水平即为该因素的最优水平。 通过表 5 和表 6 中的极差值可以看出，影响 乳化沥青稳定度的因素大小排列顺序为：乳化剂 用量，其次是助剂 C用量，最后是助剂 T 用量。 图2 是乳化沥青稳定度和乳化剂浓度关系 图，由此可知，在考察浓度范围内乳化剂浓度为 4 时稳定性最好；图3 是乳化沥青稳定度和助 剂 C浓度关系图，由此可知，稳定度对助剂 C 用量的变化比较敏感，助剂 c的浓度在较窄的 范围变化时 ，稳定度波动较大 ，从图 3可 以看 出，在浓度为0 0 2 和0 0 6 时，稳定性较好； 图4 是人乳化沥青稳定度和助剂 T浓度关系图， 由此可知，当助剂 T浓度为 0 4 时稳定性最 好 。由此得 出乳化剂 、助剂 C和助剂 T的较佳 浓度为配方 1 ：4 0 ，0 0 2 和0 4 或者配方 2 ：4 O ， 0 0 6 和 0 4 。表 7是上述两个 配 方下乳化沥青的性质数据。 。 - - - 3 乳化剂浓度， 图2 乳化沥青稳定度和乳化剂浓度关系曲线 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 4 4 3 3 2 2 l 1 O 石 油 沥 青 2 0 1 1年第 2 5卷 一 一 助荆c 浓度， 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0三 4 O一 3 0 2 0 】 0 0 一 一 助NT 浓度 ， 图3 乳化沥青稳定度和助剂 c浓度关系曲线 图4 乳化沥青稳定度和助剂 T 浓度关系曲线 表7 较优配方下的乳化沥青性质测试数据 - 一 口 V 注：乳化沥青制备采取的工艺条件：油温 1 3 5 C，皂液温度5 5 C，皂液p H值 1 1 5 ，油水比6 ： 4 。 通过上述试验数据可知 ，最优配方为：乳化 剂 L F、助剂 C和助剂 T的用量分别为：4 O 、 0 0 6 和 0