乳化条件对乳化沥青储存稳定性影响

全秀洁， 许 磊， 雷孟坤， 王昊敏

(1.重庆交通大学， 重庆 400074； 2.交通土建工程材料国家地方联合工程实验室， 重庆 400074； 3.仁寿县交通运输局， 四川 眉山 620500)

乳化沥青是沥青和乳化剂在一定工艺下，生成水包油或油包水的液态沥青[1]，具有节约能源、施工方便等优点[2]，目前多用于道路车辙、裂缝等病害的修复和建筑物的防潮、防水处理[3-4]。但乳化沥青的储存稳定性是目前其应用受限的障碍之一，离析严重的乳化沥青不仅无法均匀裹附集料，无法压实成型，还会导致沥青路面色泽不均匀，沥青膜厚度不均匀[5-6]。乳化沥青在储存和运输过程中，其储存稳定性主要受乳化剂种类、稳定剂种类及用量、生产工艺以及相关设备的影响[7-8]。李纯等[9]研究表明随着固含量和乳化剂用量的增加，阴离子乳化沥青储存稳定性降低，标准粘度增加。崔通等[10]发现在乳化沥青中掺入水性环氧树脂显著影响了改性乳化沥青蒸发残留物的粘度、针入度、软化点、车辙因子等参数。常皓宇等[11]指出适当增加乳化剂用量，降低pH值，复配无机和有机稳定剂等可有效改善乳化沥青储存稳定性。赵品晖等[12]研究发现乳化沥青储存稳定性与外在因素关联度最大的是皂液pH值，其次为储存温度、乳化剂与沥青种类。何靖斌等[13]通过考察沥青各项性质对乳化沥青储存稳定性的影响，发现密度对其有明显影响，沥青与皂液间的密度相差越大，制备得到的乳化沥青稳定性越差。

综上所述，制备乳化沥青的过程中，控制其乳化条件对改善乳化沥青的储存稳定性至关重要。为此，本文以目前市面上常用的2种乳化剂为研究对象，通过控制乳化沥青制备过程中基质沥青温度、皂液温度、皂液pH值、油水比等乳化条件来分析乳化条件对乳化沥青稳定性的影响。

1 原材料

1.1 沥青

基质沥青选用广东茂名70#沥青，其主要技术指标检测结果如表1所示。由表1可知，该基质沥青各项指标符合规范要求[14]，可作为制备乳化沥青的原材料。

表1 广东茂名70#沥青基本参数

1.2 乳化剂

乳化剂选取目前常用的阳离子乳化剂十八烷基三甲基氯化铵(STAC)和阴离子乳化剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，二者主要性质如表2所示，其分子结构式如图1所示，试验中所用乳化剂材料均从阿拉丁网站购得。

表2 乳化剂性质参数

(a) SDBS

(b) STAC

1.3 助剂

试验中所用稳定剂为无水氯化钙、聚乙烯醇，2种稳定剂的掺量均为0.2%，pH值调节剂为氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)。

2 制备工艺

使用小型胶体磨(德国Herbert Rink胶体磨)制备乳化沥青，工艺流程如图2所示，制备步骤如下：

1) 将广东茂名70#基质沥青倒入搪瓷杯中，并在烘箱中加热至135 ℃左右，备用。

2) 将2种乳化剂(SATC、SDBS)和2种助剂(无水氯化钙、聚乙烯醇)分别溶于55 ℃左右的水中，按照一定的比例配制成皂液，并调节皂液的pH值。

3) 将皂液经过胶体磨剪切1 min，之后将称量好的70#基质沥青(温度维持在135 ℃左右)加入含有皂液的胶体磨中进行剪切，剪切8 min后得到乳化沥青，并冷却，最后密封保存乳化沥青成品。

图2 胶体磨制备乳化沥青工艺流程

3 结果与讨论

对制备好的乳化沥青按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合科试验规程》[15]进行1 d和5 d的储存稳定性试验，然后按式(1)[15]计算乳化沥青的储存稳定性。

Sa=|PA-PB|

(1)

式中：Sa为试样的储存稳定性，%；PA为储存后上支管部分试样蒸发残留物含量，%；PB为储存后下支管部分试样蒸发残留物含量，%。其中蒸发残留物的含量计算如式(2)[15]：

(2)

式中：P为乳化沥青的蒸发残留物含量，%；m1为试样容器、玻璃棒合计质量，g；m2为试样容器、玻璃棒及乳液的合计质量，g；m3为试样容器、玻璃棒及残留物的合计质量，g。

3.1 基质沥青温度的影响

制备乳化沥青时，乳化效果和稳定性较好的乳化沥青需将沥青加热至适宜的温度，从而保证沥青有适宜的粘度和流动性。为了探究沥青温度对STAC乳化沥青和SDBS乳化沥青稳定性能的影响，对STAC乳化沥青设置4组温度，分别为120 ℃、125 ℃、130 ℃、135 ℃；由于阴离子乳化沥青不易乳化，对SDBS乳化沥青设置4组温度，分别为130 ℃、135 ℃、140 ℃、145 ℃。随基质沥青温度的增加，2种乳化沥青储存稳定性的变化情况如图3所示。

由图3可知，随基质沥青温度的增加，2种乳化剂沥青1 d和5 d的储存稳定性值均呈先减小后增大的趋势，但当温度达到一定值后，其储存稳定性趋于稳定。当基质沥青温度分别达到135 ℃和125 ℃时，SDBS乳化沥青和STAC乳化沥青1 d和5 d的储存稳定性值最小，说明当基质沥青温度达到135 ℃和125 ℃时，制备得到的SDBS乳化沥青和STAC乳化沥青的稳定性最好。当基质沥青温度分别大于135 ℃和125 ℃时，SDBS乳化沥青和STAC乳化沥青的储存稳定性值有所增加，但增加幅度较小；当基质沥青的温度小于135 ℃和125 ℃时，SDBS乳化沥青和STAC乳化沥青的储存稳定性值偏差较大。为此，后期制备乳化沥青时，对于SDBS乳化沥青，基质沥青的温度需达到135 ℃以上；对于STAC乳化沥青，基质沥青的温度需达到125 ℃以上。

(a) SDBS

(b) STAC

3.2 乳化剂掺量的影响

为了解乳化剂掺量对乳化沥青储存稳定性的影响，分别选取2%、3%、4%、5%的STAC乳化剂和SDBS乳化剂含量来制备STAC和SDBS乳化沥青，2种乳化沥青的储存稳定性随乳化剂掺量增加的变化情况如图4所示。

从图4可见，2种乳化沥青的储存稳定性值随着乳化剂掺量的增加而降低，即随着乳化剂掺量的增加，2种乳化沥青的储存稳定性增强，乳化效果改善明显。当2种乳化剂掺量达到4%时，2种乳化沥青的储存稳定性达到稳定，掺量增加至5%后，其储存稳定性值并未有明显变化。因此，后期制备SDBS乳化沥青和STAC乳化沥青时，选取4%的乳化剂掺量为最佳掺量。

(a) 1 d

(b) 5 d

3.3 油水比的影响

为探究油水比对STAC乳化沥青和SDBS乳化沥青储存稳定性的影响，分别按照4∶6、5∶5、5.5∶4.5、6∶4的油水比制备SDBS乳化沥青和STAC乳化沥青。随油水比的增大，2种乳化沥青储存稳定性的变化情况如图5所示。

由图5可知，随着油水比的增大，2种乳化沥青的储存稳定值先减小后增大，即2种乳化沥青的储存稳定性随油水比的增大先降低再升高。当油水比为5.5∶4.5时，SDBS乳化沥青储存稳定性最好；当油水比达到5∶5时，STAC乳化沥青储存稳定性最好。

3.4 皂液温度的影响

为探究皂液温度对STAC乳化沥青和SDBS乳化沥青储存稳定性的影响，分别设定SDBS皂液和STAC皂液的温度为50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃。STAC乳化沥青和SDBS乳化沥青储存稳定性随皂液温度的变化情况如图6所示。

(a) 1 d

(b) 5 d

(a) 1 d

(b) 5 d

从图6可见，随皂液温度的升高，2种乳化沥青的储存稳定性呈先减后增的趋势，当皂液温度达到55 ℃时，STAC乳化沥青的储存稳定性最好；当皂液温度达到60 ℃时，SDBS乳化沥青的储存稳定性最好。

3.5 皂液pH值的影响

为探究皂液pH值对STAC乳化沥青和SDBS乳化沥青储存稳定性的影响，分别对STAC乳化沥青和SDBS乳化沥青设置了4组不同的皂液pH值，STAC皂液所用pH调节剂为盐酸，4组pH值分别为pH=2、pH=3、pH=4、pH=5；SDBS皂液所用pH调节剂为氢氧化钠溶液，4组pH值分别为pH=9、pH=10、pH=11、pH=12。2种乳化沥青储存稳定性随皂液pH值的变化情况如图7所示。

(a) SDBS

(b) STAC

由图7可见，随皂液pH值的增大，SDBS乳化沥青的储存稳定性逐渐降低，STAC乳化沥青的储存稳定性逐渐增强，当SDBS皂液的pH值为2时，SDBS乳化沥青的储存稳定性最好；当STAC皂液的pH值为12时，STAC乳化沥青的储存稳定性最好。

综上分析可知，对于这2种乳化沥青，乳化剂掺量、油水比对储存稳定性的影响较大，基质沥青温度、皂液温度以及皂液pH值对储存稳定性的影响较小。结合工程实际，在制备乳化沥青时，应严格控制乳化剂掺量和乳化沥青的固含量，以制备得到更为稳定的乳化沥青。

4 结论

通过控制2种乳化沥青制备过程中的乳化条件，探究了乳化条件对乳化沥青储存稳定性的影响，得到如下结论：

1) 对于SDBS乳化沥青，当基质沥青温度达到135 ℃，SDBS皂液温度为60 ℃，皂液pH值为2，油水比为5.5∶5，乳化剂用量为4%时，制备得到的SDBS乳化沥青稳定性最好。

2) 对于STAC乳化沥青，当基质沥青温度达到125 ℃，STAC皂液温度为55 ℃，皂液pH值为12，油水比为5∶5，乳化剂用量为4%时，制备得到的STAC乳化沥青稳定性最好。

3) 乳化剂掺量为4%时，2种乳化沥青的储存稳定性最好。STAC乳化沥青1 d和5 d的储存稳定性均比SDBS乳化沥青1 d和5 d的储存稳定性好。