（材料学专业论文）透层乳化沥青贮存稳定性的研究.pdfVIP

r e s e a r c ho ns t o r a g es t a b i l i t yo ft h ee m u l s i f i e da s p h a l tu s i n gf o r p r i m e c o a t b y g o n gt a o r a n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 m s ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 11 at h e s iss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m a t e r i a ls c i e n c e c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uq i c h e n g m a y , 2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：1 毫砜兰l 日期： 2 。11 年5 月31 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、) 7 爱氓主支日期：砂。，年r 月弓j 日 钏和一日期：驯年厂月日 l。一 摘要 透层油乳化沥青是众多沥青产品中的一种，用于道路透层的铺设，因其具有 可常温施工、操作方便、安全节能等优点，作为一种新型的筑路材料在现代筑路 工程中应用广泛。我国公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) q b 规定， 道路基层上必须设置下渗透深度达到5 1 0 r a m 的沥青透层。因此，性能优良的 透层乳化沥青有着很广的应用前景和经济价值【l j 。 本文通过测定乳液的粒度分布、z e t a 电位、标准粘度等手段，着重探讨了乳 化剂种类、乳化剂用量、p h 值和稳定剂对乳化沥青贮存稳定性的影响机理，得 到了稳定性达到规范要求的透层乳化沥青。 探讨了乳化剂含量对乳化沥青贮存稳定性的影响。选用3 种不同离子类型的 复合乳化剂：阳离子季铵盐乳化剂( 简写为q a 6 0 ) 、阴离子烷基磺酸钠乳化剂 ( 简写为s d s ) 、非离子o p 1 0 乳化剂。采用激光粒度仪、z e t a 电位测试仪等仪 器对乳化沥青的粒度分布和z e t a 电位情况进行表征，通过分析乳化剂含量对乳 化沥青粒度分布情况和z e t a 电位的影响机理，探讨了不同类型乳化剂的用量对 透层乳化沥青贮存稳定性的影响。结果表明：阳离子季铵盐乳化沥青贮存性能最 稳定，其最佳含量为质量分数1 4 1 6 ，阴离子十二烷基磺酸钠乳化沥青贮存 稳定性一般，其最佳含量为质量分数1 8 2 o ，：非离子型o p 1 0 乳化沥青稳 定性介于季铵盐乳化沥青和十二烷基磺酸钠乳化沥青稳定性之间，其最佳含量为 质量分数4 0 。 探讨了p h 值对乳化沥青贮存稳定性的影响。通过对乳化沥青粒度分布和 z e t a 电位情况进行测试，分析了p h 值对不同种类乳化沥青粒度分布和z e t a 电位 的影响机理，探讨了p h 值对不同乳化剂类型透层乳化沥青贮存稳定性的影响。 结果表明：阳离子型季铵盐类乳化沥青最佳p h 范围为3 4 ，l d 稳定性可以达到 0 3 ；阴离子型十二烷基磺酸钠乳化沥青最佳p h 范围为1 1 1 2 ，1 d 稳定性可以 达到o 6 ；非离子型o p 1 0 乳化沥青最佳p h 范围为6 9 ，l d 稳定性可以达到 o 5 。 探讨了不同稳定剂对阳离子季铵盐乳化沥青贮存稳定性的影响。选用无机盐 c a c l 2 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、n h 4 c l 和有机物羧甲基纤维素钠( 英文缩写c m c ) 作为稳定剂， 通过对乳液z e t a 电位和标准粘度的研究发现，无机盐和羧甲基纤维素钠对乳化 沥青稳定性的主要作用机理不同，无机盐主要作用于乳化沥青的z e t a 电位，而 羧甲基纤维素钠主要作用于乳化沥青的标准粘度。 关键词：透层；沥青；稳定性；粒度；z e t a 电位 i a bs t r a c t e m u l s i f i e da s p h a l tu s i n gf o rp r i m ec o a ti sak i n d o fa s p h a l t p r o d u c t i o n e m u l s i f i e da s p h a l th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s oi th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi nr o a d b u i l d i n ga san e wc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l ( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) e x p r e s s l yp r o v i d e dt h a t i tm u s tl a y5 - 10 m ma s p h a l to v e r l a yo nt h er o a d b e d s ot h eg o o dp e r f o r m a n c e e m u l s i f i e da s p h a l th a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n de c o n o m i cv a l u e i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so ft h ee m u l s i f i e rc o n t e n t ，p hv a l u ea n ds t a b l i z e i so nt h e s t o r a g es t a b i l i t yw e r ed i s c u s s e d ，a n di ts u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dak i n do fe m u l s i f i e d a s p h a l tw i t hg o o ds t a b i l i t y t h ee f f e c t so fe m u l s i f i e rc o n t e n to ns t o r a g es t a b i l i t yw a ss t u d i e d t h e r ew e r et h r e e k i n d so f e m u l s i f i e r s ，i n c l u d i n ga l lq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l tc a t i o n i ce m u l s i f i e r ( q a 6 0 ) ，t h e s o d i u md o d e c y ls u l f a t ee m u l s i f i e r ( s d s ) a n do p 一1 0 t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dz e t a p o t e n t i a lw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h e e f f e c t so ft h ea m o u n to fe m u l s i f i e ro nt h es t o r a g e s t a b i l i t yw e r ed i s c u s s e d a st h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eo p t i m u mc o n t e n to ft h eq a 6 0w a s 1 6w t ，t h eo p t i m u mc o n t e n to ft h es d sw a s2 0 w t ，a n dt h eo p t i m u mc o n t e n to fo p 一10 w a s4 0 w t t h ee f f e c t so fp hv a l u eo ns t a b i l i t yw a sd i s c u s s e db yi n v e s t i g a t i n gt h ep a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o na n dz e t ap o t e n t i a l t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tp hv a l u eh a sa no b v i o u s i n f l u e n c eo ns t o r a g es t a b i l i t y ，a n dd i f f e r e n tk i n d so fe m u l s i f i e r sh a v ed i f f e r e n to p t i m u mp h v a l u e m o r e o v e r , t h eo p t i m u mp hv a l u ef o rq a 6 0w a s4 ，f o rs d sw a s11 - 1 2 ，f o ro p - 1 0 w a s6 9 e f f e c t so fd i f f e r e n ts t a b l i z e r so nt h es t o r a g es t a b i l i t yw e r ed i s c u s s e db yi n v e s t i g a t i n gt h e z e t ap o t e n t i a la n dn o r m a lv i s c i d i t yo ft h eq u a t e r n a r ya m m o n i u m c a t i o n i c ( q a 6 0 ) e m u l s i f i e d a s p h a l t a st h er e s u l t ss h o w e d ，c a c l 2 ，a 1 2 ( s 0 4 ) 3a n dn h 4 c 1h a v et h em a i ne f f e c to nz e t a p o t e n t i a lt oi n c r e a s et h es t a b i l i t y ，a n ds o d i u mc a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ( c m c ) h a st h e d i f f e r e n ti n f l u e n c eo nn o r m a lv i s c i d i t yt oi m p r o v ei t m o r e o v e r , w h e nm i x u s eo fb o 吐l c a c l 2a n dc m c ，t h es t o r a g es t a b i l i t yi sb e t t e rt h a nu s i n gt h es i n g l eo n e k e y w o r d s ：p r i m ec o a t ；a s p h a l t ；s t a b i l i t y ；p a r t i c l e - s i z e ；z e t ap o t e n t i a l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 前言l 1 2 乳化沥青的研究进展1 1 2 1 乳化沥青的发展历程1 1 2 2 乳化沥青结构组成2 1 2 3 稳定因素一3 1 2 4 乳化剂的分类：4 1 2 5 乳化沥青稳定剂5 1 2 6 制备工艺技术研究进展6 1 3 乳化沥青的应用及发展趋势6 1 3 1j 直用6 1 3 2 透层简介一7 1 3 3 发展趋势8 1 4 本文研究的目的、意义和内容8 1 4 1 研究的目的和意义8 1 4 2 本课题的研究内容8 第二章乳化沥青乳化及贮存稳定性的理论基础 2 1 沥青乳化机理9 2 2 乳化剂影响乳化沥青稳定性的理论基础1 0 2 2 1 影响乳液粒度大小1 0 2 2 2 电荷作用1 1 2 3 稳定剂对乳化沥青稳定性影响机理1 2 2 3 1 无机盐类稳定剂作用机理1 2 2 3 2 有机物稳定剂作用机理一1 3 2 a 谍罱性毹参数、3 第三章实验原料与测试 3 1 实验原料1 5 3 2 乳化沥青制备设备及工艺1 5 3 2 1 乳化沥青制备主要设备1 5 3 2 2 乳化沥青制备工艺1 6 3 3 乳化沥青性能测试仪器及方法1 6 3 3 1 主要性能测试仪器g 1 6 3 3 2 性能测试及分析方法1 6 第四章乳化剂含量对乳化沥青贮存稳定性的影响 4 1 前言18 4 2 乳化剂含量对乳化沥青稳定性的影响1 9 4 2 1 阳离子乳化剂q a 6 0 含量对贮存稳定性的影响一1 9 4 2 2 阴离子乳化剂s d s 含量对乳化沥青贮存稳定性影响2 1 4 2 3 非离子乳化剂o p 1 0 含量对乳化沥青贮存稳定性影响一2 2 4 3 本章小结2 3 第五章p h 值对乳化沥青稳定性的影响 5 1 前言2 5 5 2p h 值对乳化沥青贮存稳定性的影响一2 5 5 2 1 p h 值对阳离子季铵盐乳化沥青稳定性影响2 5 5 2 2p h 值对阴离子型s d s 乳化沥青稳定性的影响2 7 5 2 3p h 值对非离子型o p 1 0 乳化沥青稳定性的影响2 9 5 3 本章小结2 9 第六章稳定剂对乳化沥青贮存稳定性的影响 6 1 前言31 6 2 实验准备及表征方法3 l 6 2 1 乳化沥青的准备3 1 6 2 2 实验表征方法31 6 3 无机盐稳定剂对乳化沥青贮存稳定性影响3 2 6 3 1 无机盐稳定剂对乳化沥青贮存稳定性影响测试3 2 6 3 2 无机盐稳定剂对乳化沥青平均粒度和z e t a 电位的影响3 3 6 3 3 无机盐稳定剂对乳化沥青稳定性影响分析3 5 6 4 有机稳定剂对乳化沥青稳定性影响3 6 6 4 1 有机稳定剂对乳化沥青稳定性能影响测试3 6 6 4 2 有机稳定剂对乳化沥青标准粘度和z e t a 电位的影响3 7 l 6 4 3 有机稳定剂对乳化沥青稳定性能影响分析一3 9 6 5 有机、无机混合稳定剂对乳化沥青贮存稳定性影响3 9 6 6 章小结4 0 第七章结论4 1 参考文献4 3 致谢4 6 附录a 攻读学位期间发表的学术论文4 7 1 1 前言 第一章绪论 乳化沥青的正式应用已有近八十年的历史了，但是刚开始的约四十年受制于 所使用的原料性能不佳和当时技术条件，其效果不甚理想。近三十年来，随着界 面化学和胶体化学的发展，乳化剂的品种日益增多，性能也随之大大提高，再者 机电技术的发展使加工和施工设备日臻完善，乳化沥青的优越性开始得以充分的 发挥，世界上许多国家开始大量使用乳化沥青进行道路的修筑和养护【2 。4 1 。与热 沥青和稀释沥青相比，作为道路胶结材料的乳化沥青，因其具有多种优点而应用 得越来越多。然而，各种乳化沥青的路用性能也不尽相同。 常用的乳化沥青应用类型有：稀浆封层、雾封层、拌和式路面、碎石封层、 贯入式路面、微表处、粘层油、透层油等【5 。】。 所谓透层是指在基层上喷洒液体石油沥青、乳化沥青或者煤沥青而形成的渗 入基层表面一定深度的沥青薄层。主要起防止基层透水、固结基层表面，使基层 与沥青面层粘附良好等作用哺j 。 1 2 乳化沥青的研究进展 1 2 1 乳化沥青的发展历程 乳化沥青的发展主要经历了三个阶段： 第一个阶段，早在1 9 0 6 1 9 1 4 年期间乳化沥青开始被使用，最早是被用于喷 洒以减少路面灰尘。n - 十世纪2 0 年代，乳化沥青开始在道路和建筑中被普遍 应用。 第二个阶段是乳化沥青早期发展，主要是在上世纪2 0 至6 0 年代，由于受制 于当时可利用的乳化剂种类，这个阶段主要发展的是阴离子型乳化沥青。这种乳 化沥青虽然具有使用方便、乳化剂较廉价且来源广、节约能源等优点，但是缺陷 同样明显，一是乳化效果不佳，由于沥青来源于混合基与石蜡基原油较多，当时 的阴离子乳化剂对于此类沥青难以进行乳化。二是因为阴离子乳液与矿料的粘附 性不太好，这是因为阴离子乳化沥青中沥青的微粒表面带有阴离子电荷，当乳液 与矿料表面接触时，由于湿润矿料表面普遍也带有阴离子电荷，同性相斥的原理 导致沥青与脊料的粘附性不好。若在施工中遇上阴湿或低温季节，乳液的水分蒸 发缓慢，其与脊料的粘附性就更差，严重影响了早期路面成型，延缓施工进度。 所以，乳化沥青虽然在这一时期发展，但是在这一时期发展较慢。 第三个阶段，随着近代胶体化学和材料表界面学的发展，人们对乳化剂的研 究以及对乳化沥青作用方面认识的提高，通过设备改进和不断实践，乳化沥青的 等级和型号迅速发展。在5 0 年代初期，欧洲率先研制出了阳离子型沥青乳液。 由于阳离子乳化沥青凝结快，且与大多数脊料的粘结性好，施工环境要求简单， 因而开始取代阴离子乳化沥青成为各国研究重点，并迅速在筑路工程中广泛应 用。近几十年来，乳化沥青发展速度越来越快，又陆续出现了非离子型和两性离 子型乳化沥青1 9 d 引。 我国是在建国初期开始将乳化沥青用于筑路，当时乳化沥青的种类只有阴离 子。1 9 5 6 年我国引进“捷罗克”，即冷沥青悬浮液。19 6 7 年山西建筑科学研究所 成功研制出性能更加优良的非离子型乳化沥青。之后，直到1 9 8 5 年，我国才自 行研制出阳离子型乳化沥青，但性能方面还存在很大的缺陷 1 4 , 1 5 。近些年来， 国家大力发展交通事业，交通事业迅猛发展，性能优良的乳化沥青已经成为国家 重点发展项目。 1 2 2 乳化沥青结构组成 乳化沥青是沥青在热溶状态下，经过剪切、搅拌等外力作用，在乳化剂作 用下，与水形成的一种高分子分散胶体乳液。一般主要由沥青、水、乳化剂、稳 定剂四个组分组成，其中沥青质量分数约占5 0 7 0 。由于透层乳化沥青要求乳 液的流动性和渗透性较好，所以一般使用针入度大，软化点低的石油沥青。再者， 由于一些石油沥青中含蜡成分比较高，而蜡成分有碍沥青乳化，故常常选用含蜡 量低的石油沥青或对沥青进行脱蜡处理，再作为基质沥青使用。我国大多数原油， 像华北地区、大庆油田所得原油基本为石蜡基原油，含蜡量较高，不适合作为生 产乳化沥青的原料，而胜利油田原油含蜡量低，利于作为乳化沥青原料【16 1 。 乳化沥青属于普通乳液( 粒径范围l 2 0 u m ) ，主要有水包油( o w ) 和油包 水( w o ) 两种类型。透层用乳化沥青基本都属水包油型，即连续相为水、分散相 为沥青微粒的高分子分散系统，如图1 1 所示。成品乳化沥青一般呈棕褐色，常 温下具有很好的流动性，如图1 2 所示。 沥 青 颗 粒 图1 1 乳化沥青分散系统示意图图1 2 制备出的成品乳化沥青 2 1 2 3 稳定因素 影响乳化沥青贮存稳定性的原因有很多，主要的有三个：沉降速度、电荷作 用、界面膜作用，其中微粒沉降速度与电荷作用是最主要的因素。 微粒沉降速度： 乳化沥青是一种高分子分散系统，分散相( 沥青微粒) 均匀分散于连续相( 水) 中，形成稳定的乳液。但沥青微粒会在重力作用下发生沉降、团聚，乳液的平衡 就被打破。所以沥青微粒沉降速度越快，乳液的稳定性越差。根据s t o k e s 重力 沉降公式( 2 2 ) 可以看出，g 为定值，p ，p o 、可、，都可以决定沥青颗粒沉降速 度的快慢，从而影响乳液稳定性的好坏。减小分散相的密度p 、增大连续相得密 度p 口、增大连续相的粘度叩以及减小乳液粒度，都可以降低沥青微粒的沉降速度， 提高乳化沥青的稳定性。 电荷作用：根据热力学与界面学理论，乳液z e t a 电位的大小决定了乳液 颗粒间排斥力的大小。排斥力越大，微粒在乳液中热运动越困难，微粒问团聚越 少；反之，排斥力越小，沥青微粒越容易团聚。所以电荷作用也是影响乳化沥青 贮存稳定性的重要因素。 界面膜的作用：制备乳化沥青时加入的乳化剂，一方面起降低表面能和增 加电荷斥力的作用，另一方面使足够量的乳化剂分子吸附在沥青水界面上，形 成界面膜，阻碍了胶团的靠近越过势垒。有的界面膜具有很高的界面粘弹性，这 种粘弹性使得界面膜具有扩张性和可压缩性。当界面膜遭到破损时，它能使膜重 新愈合，防止沥青微滴的聚并，使乳化沥青具有很高的稳定性1 7 。2 0 】。 在实际过程中，这三种因素并非相互独立的，而是相互影响并和其它一些次 要因素共同作用，所以乳化沥青贮存稳定性实际上是一个复杂的高分子胶体体系 的稳定性问题。 1 2 4 乳化剂的分类： 乳化剂的分类方法有很多，目前工程应用中最常用的是按离子类型来分类， 主要分为：阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型。 阳离子型是指乳化剂在水中电离后亲水基带正电荷，按其不同结构及性能， 主要分为六类： 咪唑啉类； 胺化木质素类； 烷基胺类； 环氧乙烷二胺类； 酰胺类； 季铵盐类。 阳离子乳化沥青顾名思义是制备出的沥青乳液微粒上带有正电荷，当与骨料 表面接触时，由于集料大多是带负电荷的，所以根据异电相吸的原理，沥青微粒 与骨料的结合性能好，即使两者在有水膜的情况下，仍可以较好吸附结合。因而， 在阴湿或低温季节( 5 以上) ，阳离子乳化沥青仍可照常施工。目前，世界上绝 大多数国家均大量应用阳离子乳化沥青铺筑道路。所以，阳离子乳化剂是今后沥 青乳化剂的主要发展方向【2 。 阴离子乳化剂同理是指亲水基带负电荷的乳化剂。阴离子乳化剂是最早的沥 青乳化剂类型，根据亲水性基团，主要分为羧酸盐( 一c o o 一) 、硫酸酯盐( - - o s 0 3 一) 和磺酸盐( - s 0 3 一) 等几种。阴离子乳化剂的特点是材料来源较广泛、造价低， 但制成乳化沥青易凝聚，对水要求不宜太硬( 每升水中c a 0 2 含量不超过8 0r a g ) 【4 】。同时，由于其制备出的沥青微粒上带有负电荷，与润湿骨料表面带有的负电 荷产生排斥作用，使沥青微粒不能很好的粘附到骨料表面上，即使一定时间后沥 青乳液与骨料裹覆，也只是简单的粘附，容易遭受水侵蚀而剥落，严重影响路面 的成型。因此，阴离子乳化沥青在道路施工中的应用已经越来越少，特别作为透 层用乳化沥青基本已经不再使用阴离子型乳化沥青【2 2 1 。 非离子型乳化剂在水中溶解时，不电离成离子，而是靠分子本身所含有的羟 基、醚基等作为弱水性亲水基。常见的非离子型乳化剂有聚乙二醇、o p 1 0 等。 非离子型乳化剂对水的硬度及p h 要求不高，在工程施工中会被用到【2 3 1 。 两性离子型乳化剂在水中电离成离子或离子胶团，其亲水基团既带正电荷， 又带负电荷。按其