1、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 ，即： W= A 从上式可以看出，降低界面张力，可以使机械功
2、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
3、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
4、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
5、脂肪酸盐类 高级脂肪酸盐类的化学式为 R COOM， R 为 C14C18 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 820 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 818。这类乳化剂在硬水中稳定，在水溶液中呈中性或微碱性。
6、 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，沥青乳化剂 离子型乳化剂 非离子型乳化剂 阴离子乳化剂 阳离子乳化剂 两性离子乳化剂 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
7、，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
8、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。
9、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
10、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
11、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 T
12、0658 粒子电荷 阳离子 (+) 阴离子 (-) 非离子 T 0653 筛上残留物 (1.18mm 筛 ) 不大于 % 0.1 0.1 0.1 T 0652 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 T 0622 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 T 0621 蒸 发残留残留分含量 不小于 50 50 50 55 50 50 50 55 50 55 T 0651 溶解度，不小于 97.5 97.5 9
13、7.5 T 0607 物 针入度 (25 ) dmm 50-200 50-300 45-150 50-200 50-300 45-150 50-300 60-300 T 0604 延度 (15 ),不小于 cm 40 40 40 T 0605 与粗集料的粘附性，裹附面积 不小于 2/3 2/3 2/3 T 0654 与粗、细粒式集料拌和试验 均匀 均匀 T 0659 水泥拌和试验的筛上剩余 不大于 % 3 T 0657 常温贮存稳定性： 1d 不大于 5d 不大于 % 1 5 1 5 1 5 T 0655 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
14、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。
15、 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
16、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。 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，破乳速度就越慢。 乳化剂对沥青指标的影响 在乳化沥青破 乳、水分蒸发后，乳化沥青中的乳化剂、酸等留在了沥青中。乳化剂的存在使沥青的极性增强，有
17、利于改善沥青与石料的粘结，对于沥青针入度、软化点、延度等指标则有不同增减，使用时应具体分析。 我国各种不同乳化剂的类型 类 型 沥青乳化剂 代 号 快裂型 烷基二甲基羟乙基氯化铵 烷基羟基酰胺基多胺 十六烷基三甲基溴化铵 十八烷基三甲基氯化铵 1621 JSA 3 1631 DT 中裂型 牛脂烷基酰胺基多胺 N 烷基三甲基氯化铵 N 烷基丙撑二胺 JSA 2 NDT 辽 ASF DDA 慢裂型 硬脂酸烷基酰胺基 多胺 木质素胺类 双季铵盐 JSA 1 RH C01 HY （ 3）添加剂 在乳化沥青生产中 , 如果能加人少量的化学添加剂 , 既可以减少乳化剂用量 , 降低生产成本 ,又可以提高乳
18、化剂的活性 , 改善乳化沥青的贮存稳定性。根据经验 , 加入以下添加剂有不同的作用 加入卤素无机盐能增强乳化沥青颗粒之间的双电子层效应 , 增加电势电位 , 阻止乳化沥青微粒的相互聚集。 加入水溶性高分子聚合物能在乳化沥青中以网状、线状的形式存在 , 对乳化沥青微粒起到隔离作用 , 同时还能增强乳化沥青的粘附性。 加人一些非离子表 面活性剂 , 能降低水的表面张力 , 同时当它与乳化剂混溶于水后 , 能起到复合乳化的效果 , 使乳化能力大大的增强。 如果能同时选用多种化学添加剂 , 并将其用量的比例调节到最佳点 , 则可将乳化剂的用量降至最低点 , 同时又能制备出稳定性良好的乳化沥青。 各类化
19、学添加剂的典型代表物 , 及其在生产中的用量 , 节省乳化剂效果如表所示。 四、实验步骤 生产流程可以分为以下四个过程：沥青的准备、皂液配制、沥青乳化、乳液储存。 (1)沥青的准备 沥青的准备过程主要是将沥青加热并保持在适宜的温度的过程。沥青准备过程中温度的控制十分重要，如果沥青温度过低，会造成沥青粘度大，流动困难，从而乳化困难；如果沥青温度过高，一方面会造成沥青老化，同时也会使乳化沥青的出口温度过高，影响乳化剂的稳定性和乳化沥青质量。 普通沥青在进入乳化设备时的温度一般在 130左右。 (2)皂液的制备 根据所需乳化沥青的不同和实际乳化 效果，选择适宜的乳化剂种类和剂量以及添加剂种类和剂量，
20、配制乳化剂水溶液（皂液）。乳化剂使用时现将其溶解于水中配置成乳化剂皂液，确定其溶解是必要的，因为只有溶解于水中的乳化剂才真正起作用。调节皂液温度和酸碱度能改变乳化剂溶解的难易程度，并影响着乳化剂的活性。有的皂液需要调节 PH 值，有些常温固态的乳化剂需要在热水中搅拌较长时间使其溶解。乳化剂的用量和皂液 PH 值调节应参考乳化剂生产厂家提供的数据，在实际生产中合理掌握。乳化剂用量不足将造成乳化不完全稳定性差，PH 值不合适将会出现同样的情况。 对于一般的半连续式或间 歇式生产设备，需要按照配方要求人工配制皂液。 乳化剂皂液在进入乳化设备前的温度一般控制在 5575之间。 (3)沥青的乳化 将合理
21、配比的沥青和皂液一起进入乳化机，经过增压、剪切、研磨等机械作用，使沥青形成均匀、细小的颗粒，稳定均匀地分散在皂液中，形成水包油的沥青乳状液。 添加剂类别 代表物 生产用量 卤素无机盐 氯化钙、氯化铵 0.1 % 无机凝胶 水玻璃 0.3% 水溶性高分子 PVA、纤维素类 0.2 % 非离子表面活性剂 OP-10、 TX-10 0.1 % 合适的乳化沥青出口温度应在 85左右。 (4)乳化沥青的储存 乳化沥青从乳化机中出来，直接进入储罐或经换热器冷却后进入储罐，冷却的目的在于利用余热，热的乳化沥青粘度比冷的乳化沥青粘度小，更有利于喷洒使用。大型的储罐中应配置 搅拌装置，定期进行搅拌，以减缓乳化沥
22、青的离析。 研究方案路线 一、 原材料的优选及检测 1、沥青。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。本实验初步选用道路石油 沥青 sk90# 进行实验 检测的指标及方法 指标 检测方法 指标 检测方法 针入度 (25 ) T0604 闪 点 T0611 针入度指数 PI T0604 溶解度 T0607 软化点 T0606 密度 T0603 延度 (10 ) T0605 蜡含量 T0615 动力粘度 (60 ) T0602 RTFOT 后 质量变化 T0609 残留 针入度 (25 ) T0604 残留 延度 (10 ) T0605 2、 乳化剂 乳化剂品种的不同，决定了乳化沥青破乳速度的本质不同。本实验选用了阳离子快裂、慢 裂、中裂等来自五个厂家的沥青乳化剂。分别是 1、美德维实伟克 2、漯河天龙 3、 天津康泽威 4、山东派尼 5、 镇江金阳道路材料 3、 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、镁离原材料的优选及检测 提出初步配方 确定生产工艺 乳化沥青制备 乳化沥青检测 掺量确定
