实验室制备乳化沥青方案.docx
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实验室制备乳化沥青方案
实验室制备乳化沥青技术方案
一、实验的目的及意义
通过将沥青热融，经机械的作用以细小的微滴状态分散于含有乳化剂的水溶液之中，形成水包油状的沥青乳液。
使用这种沥青乳液修路时，不需加热，可以在常温下进行喷洒、贯入或拌和摊铺，铺筑各种结构路面的面层及基层，也可以用作透层油、粘层油以及用于各种稳定基层的养护。
在提高道路质量、扩大沥青使用范围、节约能源、节省材料、环保安全等方面有其独特的优越性。
二、实验理论原理及技术要求
a）沥青乳化的基本原理
将沥青分散到水相中，必然需要做功，所做的功（W）等于沥青表面积的增大值（△A）乘以表面张力γ，即：
W=△A•γ
从上式可以看出，降低界面张力，可以使机械功明显减小。
在实际生产过程中，乳化前将沥青加热融化；乳化时加入乳化剂（降低表面张力）；使用胶体磨研磨（机械能）；三者结合起来才能使沥青乳化。
乳化剂、乳化设备、乳化工艺是乳化沥青生产的三要素，此外基质沥青、水、添加剂等也对沥青的乳化和性能产生影响。
b）乳化剂的作用
在乳化沥青中，水是分散介质，沥青是分散相。
单纯的将水和沥青混合是做不到的，为了使乳状液稳定，必须加入物质使两相不聚集，降低两相间的界面张力，这种物质就是乳化剂。
乳化剂所起的作用有：
i.降低水和沥青之间的界面张力差。
使体系总表面能降低，热力学稳定性提高。
ii.使沥青微粒界面产生界面膜，界面膜的强度和紧密程度是乳化沥青存在的重要因素。
iii.使沥青微粒表面形成带电离子基团，电荷间的静电斥力阻碍了沥青微粒的聚集。
乳化剂是生产乳化沥青的关键，直接关系着沥青能否乳化，和乳化沥青的稳定性、破乳速度等使用性能。
生产时应根据原材料、用途、成本等因素综合考虑使用什么乳化剂，并做好生产小试来确定是否使用该乳化剂。
c）沥青乳化剂的类型、应用
沥青乳化剂大致可分为合成乳化剂、天然产物乳化剂、无机粉末乳化剂等类型，而合成乳化剂是目前应用最多、性能最好的类型，因此一般所讲的沥青乳化剂都是指一类有机合成的可以乳化沥青的表面活性剂。
沥青乳化剂从化学结构上讲是一种“两亲性”分子，分子的一部分具有亲水性质，一部分具有亲油性质。
亲油部分一般由碳氢原子团，特别是由长链烷基构成，差别较小。
亲水部分原子团则种类繁多，结构差异大。
按照亲水基在水中是否可以电离，沥青乳化剂可以分为离子型和非离子型两大类。
离子类根据离子电性的不同又可以分为阴离子型、阳离子型和两性离子型。
1、阴离子乳化剂
阴离子乳化剂是在溶于水中时能电离成为离子或者离子胶束，亲水基团带有负电荷的乳化剂。
人们最早就是使用阴离子乳化剂制作乳化沥青的。
由于原料易得，来源广泛，阴离子乳化剂在相当长的一段时间内作为最主要的乳化剂类型，在世界范围内得到了广泛应用。
阴离子乳化剂最主要的亲水基团有羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐等三种类型。
常用的阴离子乳化剂类型包括：
（1）高级脂肪酸盐类
高级脂肪酸盐类的化学式为R—COOM，R为C14~C18的烃基，M为Na、K元素。
高级脂肪酸盐类是最古老而又大量应用的表面活性剂类型，该类乳化剂的缺点是R—COO-羧酸根离子会与硬水中的钙、镁离子发生反应生成沉淀物，降低了乳化剂的作用。
（2）磺酸盐类
磺酸盐的化学式为R—SO3Na，碳链中的碳数在8~20之间。
以造纸黑夜为原料，从中提取木质素，经磺化处理得到的木质素磺酸盐可以用于沥青的乳化。
（3）硫酸酯盐类
硫酸酯盐的化学通式为R—OSO3M，M为Na、K元素，烃基中的碳数为8~18。
这类乳化剂在硬水中稳定，在水溶液中呈中性或微碱性。
阴离子乳化剂是乳化沥青出现后在最初的40年内广泛应用的乳化剂。
随着20世纪50年代阳离子乳化剂的出现，阴离子乳化沥青逐渐被阳离子乳化沥青取代，目前在世界范围内的用量已经很小。
这是因为，阴离子乳化剂虽然价格便宜，但其使用性能往往不及阳离子乳化剂：
阴离子乳化沥青中微粒表面带负电荷，潮湿状态下大多数石料表面同样为负电荷，由于同性电荷的静电斥力，两者接触后沥青微粒不能尽快、牢固的粘附到石料表面，影响乳化沥青的路用性能。
阳离子乳化沥青的微粒带正电荷，湿矿料表面带负电荷，两者在有水膜的情况下仍可以吸附结合，阳离子乳化剂可以增强沥青与石料表面的粘附力，同时它对酸性矿料和碱性矿料都有很好的粘附力，提高路面的早期强度，铺后可以较快地开放交通。
因而阳离子乳化剂弥补了阴离子乳化剂的缺点。
阴阳离子乳化沥青性能比较
性能
乳化沥青
阴离子型
阳离子型
路面成型
低温阴湿气候施工
遇雨损失
适于粘附的骨料
适应的沥青品种
对水质要求
冷拌冷铺
制作高浓乳化沥青
较慢
较差
较大
石灰石
环烷基沥青较好
软水
差
差
较快
较好
较小
石灰石、花岗岩石英石
石蜡基、环烷基均可
软、硬水均可
好
好
2、阳离子乳化剂是在溶于水中时能电力为离子或离子胶束，亲水基带有正电荷的乳化剂。
按化学结果主要有季铵盐类、烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、环氧乙烷二胺类、胺化木质素类等。
（1）季铵盐
季铵盐类乳化剂由于乳化能力强，使用时无需调酸，受到我国广大乳化沥青生产企业的青睐，是我国中裂、快裂乳化剂应用最多的类型之一。
（2）烷基胺类
烷基胺类使用时需要调酸，使其成为胺盐，常为烷基二胺、烷基多胺乳化剂。
这类乳化剂乳化力良好，对集料粘附性也好。
烷基胺类乳化剂是国外用于沥青乳化的主要乳化剂之一。
N-十八烷基-丙撑二胺
（3）木质素胺类
木质素胺类乳化剂是由造纸废液中的主要成分之一，木质素为原料合成的，可用于慢裂乳化剂的生产。
该类乳化剂有效成分低、质量不稳定、破乳速度慢。
但由于成本低廉，还为造纸工业减轻了污染，有一定的应用价值，在我国使用比较普遍。
（4）咪唑啉类
咪唑啉型乳化剂的亲水基部分为含有杂环基咪唑啉的基团，通过咪唑啉基团的变化可制成慢裂到快裂的各类型乳化剂。
（5）酰胺基胺类
酰胺基胺类乳化剂有脂肪酸和多乙烯多胺缩合而成，通过合成材料的选择和值得快、中、慢裂各型，适合于不同用途。
3、乳化剂的复配
单一的乳化剂在使用过程中可能不能很好的满足乳化沥青生产和使用的需要，如乳化沥青的储存稳定性不理想，乳化沥青的生产成本太高，乳化沥青的破乳、成型情况不能满足要求等。
为此，经常需要将不同的乳化剂配合使用，或者掺加其它的助剂，以起到改善乳化沥青的加工性能、经济性、路用性能的作用。
乳化剂之间的复配可以有不同的形式，同类离子乳化剂间的复配，如阳离子乳化剂与阴离子乳化剂间的复配，阳离子乳化剂与非离子乳化剂间的复配，阴离子乳化剂与非离子乳化剂间的复配等。
最常用的是相同离子类型乳化剂间或离子型与非离子型乳化剂间的复配。
阳离子与阴离子乳化剂间的复配，常常由于电性中和而失效。
d）我国《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004对乳化沥青的种类及技术要求如下：
乳化沥青品种及适用范围
分类
品种及代号
适用范围
阳离子乳化沥青
PC-1
表处、贯入式路面及下封层用
PC-2
透层油及基层养生用
PC-3
粘层油用
BC-1
稀浆封层或冷拌沥青混合料用
阴离子乳化沥青
PA-1
表处、贯入式路面及下封层用
PA-2
透层油及基层养生用
PA-3
粘层油用
BA-1
稀浆封层或冷拌沥青混合料用
非离子乳化沥青
PN-2
透层油用
BN-1
与水泥稳定集料同时使用（基层路拌或再生）
道路用乳化沥青技术要求表4.3.2
试验项目
单位
品种及代号
试验
方法
阳离子
阴离子
非离子
喷洒用
拌和用
喷洒用
拌和用
喷洒用
拌和用
PC-1
PC-2
PC-3
BC-1
PA-1
PA-2
PA-3
BA-1
PN-2
BN-1
破乳速度
快裂
慢裂
快裂或中裂
慢裂或中裂
快裂
慢裂
快裂或中裂
慢裂或中裂
慢裂
慢裂
T0658
粒子电荷
阳离子（+）
阴离子（-）
非离子
T0653
筛上残留物（1.18mm筛）不大于
%
0.1
0.1
0.1
T0652
粘度
恩格拉粘度计E25
2-10
1-6
1-6
2-30
2-10
1-6
1-6
2-30
1-6
2-30
T0622
道路标准粘度计C25.3
s
10-25
8-20
8-20
10-60
10-25
8-20
8-20
10-60
8-20
10-60
T0621
蒸发残留物
残留分含量不小于
％
50
50
50
55
50
50
50
55
50
55
T0651
溶解度，不小于
％
97.5
97.5
97.5
T0607
针入度（25℃）
dmm
50-200
50-300
45-150
50-200
50-300
45-150
50-300
60-300
T0604
延度（15℃）,不小于
cm
40
40
40
T0605
与粗集料的粘附性，裹附面积不小于
2/3
—
2/3
—
2/3
—
T0654
与粗、细粒式集料拌和试验
－
均匀
－
均匀
－
T0659
水泥拌和试验的筛上剩余不大于
%
－
－
－
3
T0657
常温贮存稳定性：
1d不大于
5d不大于
%
1
5
1
5
1
5
T0655
三、实验试剂
乳化沥青由一些三种主要物质组成：
沥青、水、乳化剂，除此之外可以含有其他添加剂，如稳定剂、特殊助剂、改性剂等。
（1）沥青
沥青是乳化沥青中的最主要组成部分，一般占到乳化沥青总质量的50%~65%。
当乳化沥青喷洒或拌和使用后，其中的水分蒸发最终留在路面的是沥青，乳化沥青的各项检验指标的高低沥青是一项决定性因素。
石油沥青是由碳、氢等复杂有机物组成的混合物，其化学组成及胶体结构随油源不同、加工工艺不同，沥青的路用性质、乳化的难易程度、改性的方法都会有所区别。
因此生产乳化沥青首先考虑的是选择适宜的沥青品牌和标号，除了满足最终的应用要求外，还应满足乳化生产的要求。
芳香份和胶质含量多的容易乳化，饱和份和沥青质含量越多越不易乳化。
从胶体结构来讲，溶胶型沥青比凝胶型沥青容易乳化。
随着改性沥青的出现，改性沥青用于乳化的现象也随之出现。
由于改性沥青的粘度大幅度增加、且改性剂大部分是高分子聚合物，其可乳化性大大降低，因此在生产乳化沥青时应充分试验。
（2）水
水是沥青分散的介质，水的洁净度和硬度会对乳化沥青产生影响。
钙、镁离子的存在对阳离子型乳化剂来说有利有弊，一方面需要消耗一定酸来中和，一方面中和产物CaCl2作为乳化沥青稳定剂存在。
对阴离子型乳化剂来说有弊，可溶性的钙、镁离子与阴离子型乳化剂的阴离子反应生产不溶性物质，消耗了乳化剂。
水中杂质微粒也会影响沥青的乳化，所以生产乳化沥青的水最好是洁净的硬度低的水。
（3）乳化剂
乳化剂在乳化沥青中的比例很小，一般在0.2%~1.8%之间（占沥青乳液的质量），乳化剂的作用使得乳化沥青可以以稳定的乳状液的形式存在，实现了从沥青到沥青乳液的转变。
除了起乳化作用外，乳化剂对乳化沥青的路用性能影响巨大。
1乳化剂是乳化沥青破乳速度的主要影响因素
乳化剂品种的不同，决定了乳化沥青破乳速度的本质不同。
例如，使用木质素胺类乳化剂的破乳速度很慢，而使用脂肪酸胺类的乳化剂破乳速度会较快。
对于同一类型的乳化剂化学结构的不同也影响破乳速度。
乳化剂剂量越大，乳化沥青中游离的乳化剂就越多，破乳速度就越
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