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硕士论文:乳化沥青技术特点及其稳定性研究现状

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作者:原作原创  来源:网络转载  发布时间:2017-07-25 09:39:00

【摘要】本文结合我国公路建设现状,分析了乳化沥青组成、稳定性机理及稳定性影响因素,包括乳化沥青组成、分类、作用机理、存储稳定性等,最后结合乳化沥青冷再生的工程实践及现阶段面临的主要问题,提出了从集料酸碱性和铣刨料洁净程度两个方面对乳化沥青破乳速度影响的研究。 
  【关键词】道路工程;沥青路面;乳化沥青;冷再生;破乳速度 
  【Abstract】In this paper, the composition of the emulsified asphalt, the mechanism of stability and the influencing factors of emulsified asphalt, including the composition, classification, mechanism and storage stability of emulsified asphalt, are analyzed in combination with the present situation of highway construction in China. Finally, combined with the engineering practice of emulsified asphalt The effect of emulsification and asphalt on the demulsification rate of emulsified asphalt was studied. 
  【Key words】Road engineering;Asphalt pavement;Emulsified asphalt;Cold regeneration;Demulsification rate 
  1. 引言 
  (1)近30年来,我国交通基础设施建设始终保持高速发展,截止到2016年底,我国高速公路已突破12.5万公里,超过美国成为世界第一,公路网总里程也已突破450万公里。自2015年后,我国新建公路里程数量已经远远少于公路的养护里程数量,标志着我国已经从重建设开始转向建养并重,并逐步向养护市场过度的阶段。众所周知,对于新建公路,热沥青是大量被采用,乳化沥青往往作为封层和透层油等辅助材料使用;而对于养护市场而言,乳化沥青则变成了主要采用的材料,尤其是在冷再生方面,乳化沥青更是被广泛采用。 
  (2)乳化沥青是将热熔的石油沥青,经过机械作用,以细小的微粒分散到含有乳化剂、助剂的水溶液中形成的水包油乳状液。使用这种沥青乳液修路时,无需加热,可以在常温状态下进行喷洒、灌入或拌合铺筑,铺筑各种结构路面的面层和基层。乳化沥青可冷态施工,具有节约能源,便利施工、节约沥青,保护环境等许多的优越性。尤其是高聚物改性乳化沥青的性能比乳化沥青的性能又有了本质的提高,有使路面沥青高温不发软和低温不脆裂、防止高温车辙和低温裂缝的效果,不仅能大幅度改善沥青路面层间结合状况,减少使用过程中各种病害的发生,在道路养护中,特别是对高等级路面的养护具有较大的经济和社会效益。 
  2. 乳化沥青组成 
  2.1沥青材料在常温下一般以半固体粘稠状的形态存在,如果应用在公路和铁路工程中,就必须改变它的形态使其成为液态物质,只有这样才能便于在施工中喷洒或者与集料拌和。目前,使用沥青成有三种方法:(1)将沥青加热(2)用溶剂稀释沥青(3)使用乳化沥青。 
  2.2沥青乳液是将沥青加热熔融,经过胶体磨或剪切机的机械作用,沥青被分散到含有乳化剂和稳定剂的水溶液中形成细小的微粒。乳化沥青在常温条件下以呈液态形式存在。 乳化沥青主要由沥青、水和乳化剂三种物质组成[5],有时为了满足乳化沥青的一些特殊用途,仍需加入某些助剂以调整乳化沥青的性能。此外,在制备过程中,适宜的乳化温度,良好的乳化设备等都是不可或缺的条件[6]。 
  (1)沥青。乳化沥青的主要原料是沥青,也是乳化沥青用到铺路等方面的最终形式。生产乳化沥青用沥青,除满足满足乳化要求,还必须应用的要求外。目前各种标号的道路沥青,都可用于制备乳化沥青,但硬沥青乳化比较困难,工艺要求较高。 
  (2)水。水是沥青分散的连续相。水质对于乳化沥青的性能有较大的影响。钙、镁离子的存在对生产阳离子乳化沥青有利。若需制备更稳定的乳液,可选CaCl2作为稳定剂。相反钙、镁离子的存在对阴离子乳化沥青是有害的,将导致乳液不稳定破乳。 
  (3)乳化剂。虽然乳化剂在沥青乳液中所占的比例很小,但是它对乳化沥青的制备、性能及施工均有较大的影响。故乳化剂的选择是生产乳化沥青最重要的一步。 
  (4)乳化温度。流动状态好的沥青才能满足生产乳化沥青要求。热沥青温度一般在110~150℃之间,标号高温度较低,标号低温度较高。由于沥青与皂液乳化混和时沥青放热,若沥青温度过高,可能使皂液发泡、沸腾,造成乳化不良。为了防止这一现象的发生,需根据以下公式计算出沥青和乳化剂的温度: 
  A·Ca(Ta- T)

  (2)按照使用用途分类。乳化沥青按用途可分为:道路用、建筑用、农用乳化沥青等。每一大类的使用领域中,又可细分。 
  (3)按照破乳速度分类。按照破乳速度,乳化沥青可以分为:快裂型、慢裂型和中裂型。每种乳化沥青的应用范围都不同。 
  (4)按照工程用途分类。乳化沥青按照工程用途可以分为拌和用和喷洒用乳化沥青,如表1所示: 
  4. 乳化沥青稳定性机理分析 
  4.1乳化沥青之所以能够形成一种相对稳定共存的共混体,其机理通常有四种理论来解释,包括:(1)降低界面张力作用、(2)DLVO理论、(3)扩散双电层理论、(4)界面膜作用。其中,降低界面张力作用和界面膜作用理论常被提及。 
  4.2降低界面张力作用理论分为,在制备乳化沥青时,沥青分散到水中需要克服很大的界面张力。比如100℃下水的表面张力是58.6mN·m-1,而胜利100#沥青(125℃)的表面张力是27.8mN·m-1,即沥青与水的间界面张力大约是30.8mN·m-1,可见将沥青分散到水中确实要克服相当大的界面张力,加之沥青被分散成很小的颗粒时其比表面积增加,使得产生的沥青乳液具有很高的能量状态,乳液不稳定。能较大地降低水的表面张力、用于沥青乳化时的添加剂叫做沥青乳化剂,加入沥青乳化剂可以极大的降低水与沥青的界面张力,降低乳液的能量状态。 
  4.3界面膜作用理论则认为,在油/水体系中加入乳化剂后,界面张力降低,同时,必然在界面发生吸附,形成界面膜。界面膜有一定的强度,对分散的沥青液滴有保护作用,使得液滴在相互碰撞时不宜聚结。界面膜的强度和紧密度取决于乳化剂的性能和用量。乳化剂用量适宜时,界面膜为比较紧密的、定向的吸附分子组成,膜强度较大,沥青乳液液滴在聚结时受到的阻力较大,故形成的沥青乳液稳定性较好。一般而言,吸附分子相互作用大,则形成的界面膜强度较大;相互作用较小时,则膜强度较小。 
  5. 乳化沥青稳定性影响因素及其研究现状 
  5.1乳化沥青在制备过程中,沥青要适宜乳化,制备的乳化沥青具有较好的稳定性,在工程应用中乳化沥青与集料接触以后要有合适的破乳速度,满足开放交通的要求,对于使用者来说要较好的平衡两者之间的关系。对于乳状液的形成和稳定性,研究人员大多局限在特殊物系的研究,很多情况下一种物系得到的结论对于其他物系未必适用,因而还没有形成一个比较完整的理论,在一定程度上,乳状液的理论研究还处在解释性质阶段。从乳化剂作用的角度,可将乳状液的形成和稳定原因分为以下方面[19]:(1) 降低了油水之间的界面张力;(2) 形成了扩散双电层结构;(3)形成了具有一定强度的界面层膜; (4) 使乳液的黏度增加;(5)具有了一定的润湿吸附作用。 
  5.2王红等以中东原油生产的90号沥青为原料,考察了乳化剂体系对乳化沥青储存稳定性的影响,结果表明,乳化剂的分子结构不同,对稳定性的影响不同。由于乳化剂的影响沥青颗粒表面带有一定的电荷,由于电荷的排斥作用而形成稳定的沥青乳液。而且,乳化沥青的粘度越大,其稳定性较好。朱莉通过对乳液及混合料中存在的各种物质形态及相互间作用机理的分析,着重从电荷方面论述了骨料及各种添加剂对阳离子乳化沥青破乳速度计混合料早期强度的影响。宋哲玉等根据乳化剂分子化学组成和结构特点对阳离子乳化沥青和阴离子乳化沥青的破乳机理分别进行了初步研究和探讨。阴阳离子乳化剂结构的不同决定了使用其制备乳化沥青机理的不同。肖晶晶等研究了乳化剂剂量、外加水量、水泥、温度等因素对可拌合时间的影响。结果表明,随着乳化剂剂量、外加水量的增加,混合料可版和时间延长;随着温度的升高,混合料可拌和时间缩短;而水泥对混合料可拌合时间的影响较为复杂,可以促破,也可以缓破。 
  5.3综上,影响乳化沥青稳定性、破乳速度等的因素很多,目前国内外的研究主要集中在乳化剂、助剂的类型及用量,乳化沥青制备工艺条件,集料的类型和性质,温度、湿度、搅拌工艺等施工条件等。 
  6. 结语 
  笔者认为,今后我国大量采用乳化沥青的领域在于公路路面冷再生项目,对于这类项目而言,乳化沥青的破乳速度和强度形成时间至关重要,是冷再生项目成败的关键。因此,应该从原材料(集料和铣刨料)特性出发,加强集料酸碱性和铣刨料洁净程度等对乳化沥青破乳速度及其早期强度的影响研究是十分必要的。 
  参考文献 
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  [2]郑云鹏,马晓谦,沙龙. 乳化沥青的形成机理及发展[J]. 山西建筑,2008,34(4):177~178. 
  [3]姚德宏.乳化沥青[J]. 石油沥青,2006,20(2):71. 
  [4]罗伟,赵永鸿,林梅欣,等.固体颗粒对油水界面性质及乳状液稳定性的影响[J].应用化工,2009,38(4):483~487. 
  [5]肖晶晶,郑南翔,宋哲玉.乳化剂对改性乳化沥青性能影响及机理研究[J].郑州大学学报(工学版),2008,29(3):5~9. 
  [6]王红,王翠红,王子军.乳化剂体系对乳化沥青储存稳定性影响研究[J].石油沥青,2008,22(4):10~13. 
  [7]才洪美,张玉贞,王涛.SBS改性乳化沥青稳定性研究[J].石油沥青,2008,22(3):20~23. 
  [8]朱莉.论材料因素对阳离子乳化沥青破乳速度及混合料早期强度的影响[J].河南机电高等专科学校学报,2004,12(5):62-62-63,67. 


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