孔令云，唐樊龍，徐 燕，趙品暉

(1.重慶交通大學(xué)　土木建筑學(xué)院，重慶　400074；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東　青島　266555；3.四川省內(nèi)江市交通運(yùn)輸局，四川　內(nèi)江　641000；4.中國(guó)科學(xué)院生物能源與過(guò)程研究所，山東　青島　266555)

?

集料酸堿性對(duì)乳化瀝青破乳速度影響

孔令云1，2，唐樊龍1，4，徐 燕3，趙品暉4

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266555；3.四川省內(nèi)江市交通運(yùn)輸局，四川內(nèi)江641000；4.中國(guó)科學(xué)院生物能源與過(guò)程研究所，山東青島266555)

為了研究集料的酸堿性對(duì)乳化瀝青破乳速度的影響，提出了集料酸堿性的測(cè)定方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖、石英巖4種集料進(jìn)行了酸堿性表征；同時(shí)進(jìn)行了陽(yáng)離子和陰離子乳化瀝青的重力場(chǎng)和離心場(chǎng)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，基于試驗(yàn)結(jié)果分析，建立了乳化瀝青離心場(chǎng)-重力場(chǎng)換算模型，并根據(jù)該模型利用離心電導(dǎo)率法，考察了4種不同酸堿性的集料對(duì)乳化瀝青破乳速度的影響。研究結(jié)果表明：采用離心場(chǎng)和重力場(chǎng)換算模型建立的離心-電導(dǎo)法能夠有效快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)乳化瀝青的破乳速度，并得出對(duì)于陰離子乳化瀝青，集料酸堿性對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響較??；對(duì)于陽(yáng)離子乳化瀝青，堿性集料更容易加速陽(yáng)離子乳化瀝青的破乳速度。

道路工程；乳化瀝青；離心電導(dǎo)率；破乳速度；集料酸堿性

0　引言

乳化瀝青是一種熱熔的石油瀝青，其穩(wěn)定性能與破乳速度直接關(guān)系到乳化瀝青的使用效益[1]。影響乳化瀝青穩(wěn)定性的因素很多，為此前人做了大量的研究工作[2-3]。主要集中在乳化劑、助劑的類型及用量，乳化瀝青制備工藝條件，集料的類型和性質(zhì)，溫度、濕度、攪拌工藝等施工條件等[4-6]。才洪美等[7]通過(guò)SBS乳膠為改性劑，采用二次熱混合法制備改性乳化瀝青，通過(guò)考察乳化劑用量及其水溶液的pH值、穩(wěn)定劑的種類及其用量對(duì)乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，并得出了乳化劑最佳用量為1%，pH值為5～6，無(wú)機(jī)類和有機(jī)類穩(wěn)定劑復(fù)配后對(duì)體系的穩(wěn)定效果好的結(jié)論。王長(zhǎng)安等[8]通過(guò)SYD-0655乳化瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)針對(duì)影響乳化瀝青乳液穩(wěn)定性的主要因素，如乳化劑及助劑的選擇、溶液中離子的種類和濃度等，進(jìn)行了系統(tǒng)的考察。王紅、王子軍等[9]以中東原油生產(chǎn)的90#瀝青為原料，考察了乳化劑體系對(duì)制備的乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，乳化劑的分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)穩(wěn)定性的影響不同，采用復(fù)合乳化劑可以提高乳化瀝青的穩(wěn)定性；適當(dāng)調(diào)配乳化劑溶液的濃度和pH值能夠改善乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性。龐興亮等[10]分析了影響乳化瀝青和乳化瀝青混合料的穩(wěn)定性影響因素，并得出了乳化瀝青的穩(wěn)定度同油與水的界面膜有關(guān)，乳化劑的濃度也是關(guān)鍵影響因素之一，同時(shí)乳化瀝青的黏度越大，其穩(wěn)定性越好。

綜上所述，目前關(guān)于集料特別是集料的酸堿性對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響研究較少，乳化瀝青與不同類型的集料結(jié)合后破乳速度有較大的差別。因此，本文選用組成及性能不同的幾種集料，分別與具有代表性的陰、陽(yáng)離子乳化瀝青混合，測(cè)定乳化瀝青的破乳速度，考察集料的酸堿性能與乳化瀝青破乳速度之間的關(guān)系。

1　試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1乳化瀝青的選取

瀝青選用昆侖AH-70瀝青為基質(zhì)瀝青；乳化劑選用陽(yáng)離子乳化劑SD-1M和陰離子乳化劑SD-E；pH調(diào)節(jié)劑為HCl和NaOH，兩者均為分析純。制備4種乳化瀝青(EM1，EM2，ED1，ED2)為研究對(duì)象，乳化瀝青性能如表1所示。

表1　4種乳化瀝青的性能測(cè)試Tab.1　Performance test on 4 emulsified asphalts

1.2集料的選取及酸堿性表征

試驗(yàn)選取的集料為國(guó)內(nèi)代表性路用集料(有研究表明，集料的酸堿性與粒徑并無(wú)直接關(guān)聯(lián)，為了本文試驗(yàn)需要，因此選用粒徑0.075 mm礦粉作為研究對(duì)象)，依次為石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、石英巖，然后采用四分法對(duì)4種集料進(jìn)行取樣，并進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，磨耗值試驗(yàn)，黏附試驗(yàn)以及表觀密度試驗(yàn)，其基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2　集料的基本性能測(cè)試Tab.2　Basic performance test of aggregate

表2表明以上4種集料的基本性能均滿足規(guī)程要求，可以作為試驗(yàn)使用。研究集料的酸堿性對(duì)乳化瀝青破乳速度的影響，集料的酸堿性測(cè)試方法及表征指標(biāo)如下。

1.2.1集料的pH值測(cè)定

使用直接測(cè)量法測(cè)量4種集料的pH值，如表3所示。

表3　4種集料的pH值Tab.3　pH values of 4 aggregates

從表3看出4種集料pH值由大到小順序?yàn)榛◢弾r、玄武巖、石灰?guī)r、石英巖，4種集料的pH值均大于7，表明4種集料都呈堿性，但是通常情況下石灰?guī)r和玄武巖是堿性，而花崗巖和石英巖是酸性，主要的原因在于硅酸鹽與水發(fā)生了下面的反應(yīng)生成了羥基離子。

顯然這是造成集料的pH不準(zhǔn)確的重要原因。鑒于試驗(yàn)過(guò)程中硅酸鹽溶液要與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使溶液的堿性增強(qiáng)，為了避免這一問(wèn)題，將蒸餾水溶液換成丙三醇溶液，具體試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　4種集料的pH值Tab.4　pH values of 4 aggregates

1.2.2集料的堿值測(cè)定

測(cè)定了4種集料的堿值，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　4種集料的堿值Tab.5　Alkali values of 4 aggregates

從表5看出 4種集料的堿值由大到小的順序?yàn)椋菏規(guī)r、玄武巖、花崗巖、石英巖。堿值越大堿性越強(qiáng)，拿石灰?guī)r和花崗巖進(jìn)行分析，石灰?guī)r的主要成是CaCO3，花崗巖的主要成分是SiO2。CaCO3是堿性化合物，在酸溶液的作用下是強(qiáng)烈反應(yīng)；而SiO2則是酸性化合物，在酸溶液的作用下不反應(yīng)。

1.2.3集料的Zeta電位測(cè)定

按照集料表面Zeta電勢(shì)法測(cè)量4種集料Zeta電勢(shì)，如表6所示。

表6　4種集料的Zeta電勢(shì)Tab.6　Zeta potentials of 4 aggregates

由表6所示，4種集料中石灰?guī)r和玄武巖帶正電荷，而花崗巖和石英巖帶有負(fù)電荷。以Zeta電勢(shì)來(lái)看，電勢(shì)為正值時(shí)，數(shù)值越大其堿性越強(qiáng)，電勢(shì)為負(fù)值時(shí)，數(shù)值越小其酸性越強(qiáng)，這可間接表明集料的酸堿性，故石灰?guī)r和玄武巖應(yīng)當(dāng)屬于堿性集料，花崗巖和石英巖屬于酸性集料。

1.3離心-電導(dǎo)法評(píng)價(jià)乳化瀝青穩(wěn)定性的模型建立

理想狀態(tài)下，在濃度很小且粒徑分布均一的微粒分散體系中，粒子間相互作用可忽略。倘若將微粒視為硬球，利用重力和擴(kuò)散力之間的平衡，由Stokes方程可計(jì)算重力場(chǎng)下粒子的沉降/分層速率vg：

(1)

式中，ηc為連續(xù)相的黏度；r為液滴的半徑；g為重力加速度；(ρ2-ρ1)為油/水兩相密度差。Hadamard針對(duì)乳狀液中液滴易變形的特點(diǎn)，對(duì)式(1)做了修正：

(2)

式中，r1，r2為微粒的變形前后半徑；hc，h0分別為沉降后和沉降前微粒的深度；ng為修正后的沉降/分層速率。當(dāng)乳狀液中分散相濃度較大時(shí)，可得：

(3)

式中，η0為內(nèi)相(分?jǐn)?shù)相)的黏度；φ為分散相的體積分?jǐn)?shù)；φp為最大的分散相體積分?jǐn)?shù)，即乳狀液的黏度達(dá)到無(wú)窮大時(shí)，分散相的體積分?jǐn)?shù)。將式(3)用于離心場(chǎng)中，得：

(4)

式中，R為離心半徑；ω為離心角速度。結(jié)合式(3)和式(4)，得：

(5)

假設(shè)乳狀液在離心場(chǎng)中穩(wěn)定時(shí)間為tc，那么乳狀液在重力場(chǎng)中的穩(wěn)定時(shí)間tg為：

(6)

由于式(6)模型是建立在理想狀態(tài)，考慮到人為因素、儀器、環(huán)境影響，需對(duì)其進(jìn)行修正添加修正參數(shù)，得出：

(7)

(8)

2　試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1乳化瀝青失穩(wěn)試驗(yàn)

由分析可知，當(dāng)乳化瀝青完全破乳后，乳化瀝青重力場(chǎng)作用下的貯存穩(wěn)定性指標(biāo)與離心場(chǎng)作用下的電導(dǎo)率指標(biāo)均達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，不再隨時(shí)間變化而變化，此時(shí)乳化瀝青完全失穩(wěn)，油水分離。因此，本文選擇上述兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)上述配置的ED1，ED2兩種陰離子乳化瀝青和EM1，EM2兩種陽(yáng)離子乳化瀝青的穩(wěn)定性。

重力場(chǎng)作用下的貯藏穩(wěn)定性指標(biāo)：室溫條件下放置不同時(shí)間，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(T0655—1993)[11]進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。

離心場(chǎng)作用下的電導(dǎo)率指標(biāo)：采用離心-電導(dǎo)率法，取30 mL乳狀液于離心管中,在室溫條件下以3 000 r /min離心。離心不同時(shí)間后用注射器抽取下層富水相液體1.5 mL于試管中,在25 ℃測(cè)其電導(dǎo)值。結(jié)果如圖1所示。

圖1　乳化瀝青在重力場(chǎng)和離心場(chǎng)中的貯存穩(wěn)定性Fig.1　Storage stability of emulsified asphalt in gravity field and centrifugal field

由圖1可知，對(duì)于所選用的4種乳化瀝青，在重力場(chǎng)中，隨著貯存時(shí)間的增加，乳化瀝青貯存穩(wěn)定性值逐漸增加，即乳化瀝青的穩(wěn)定性變差，當(dāng)貯存時(shí)間達(dá)到一定值后，貯存穩(wěn)定性值保持不變，此時(shí)對(duì)應(yīng)的乳化瀝青的油水兩相可能完全分離，乳化瀝青破乳。在離心場(chǎng)下，4種乳化瀝青的離心電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化規(guī)律與重力場(chǎng)下貯存穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。而對(duì)于不同的乳化瀝青，油水完全分離所需要的時(shí)間有所不同，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　4種乳化瀝青分別在重力場(chǎng)、離心場(chǎng)中穩(wěn)定時(shí)間 (單位：min)Tab.7　Stability time of 4 kinds of emulsified asphalt in gravity field and centrifugal field(unit：min)

由表7可知，對(duì)于試驗(yàn)選用的4種乳化瀝青，陰離子乳化瀝青的穩(wěn)定性好；對(duì)于同種離子類型的乳化瀝青來(lái)說(shuō)，乳化劑含量越高，乳化瀝青的初始穩(wěn)定性(1 d，5 d)越好，油水完全分離所需時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)在離心場(chǎng)中油水兩相完成分離時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重力場(chǎng)。而且對(duì)于不同的乳化瀝青在重力場(chǎng)和離心場(chǎng)中油水兩相完全分離所需時(shí)間有非常好的線性關(guān)系，如圖2所示。

圖2　4種乳化瀝青在離心場(chǎng)重力場(chǎng)中穩(wěn)定關(guān)系Fig.2　Stability relation of 4 kinds of emulsified asphalt in centrifugal field and gravity field

對(duì)乳化瀝青在重力場(chǎng)和離心場(chǎng)中的穩(wěn)定進(jìn)行線性回歸，得出的回歸方程為：

y=1 604.6x-538.34，

(9)

代入1.3節(jié)所建的穩(wěn)定性模型式(7)中， 即:

tg=1 604.6tc-538.34。

(10)

由式(10)可以看出乳化瀝青在離心場(chǎng)和重力場(chǎng)中的穩(wěn)定時(shí)間具有良好的線性關(guān)系，說(shuō)明采用離心-電導(dǎo)法評(píng)價(jià)乳化瀝青在重力場(chǎng)中的穩(wěn)定性是可行的。

2.2乳化瀝青破乳速度離心電導(dǎo)試驗(yàn)

由于集料的酸堿性不同對(duì)乳化瀝青的破乳速度影響也不同[12]，為此采用4種集料花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英巖對(duì)ED1，EM1乳化瀝青進(jìn)行離心電導(dǎo)試驗(yàn)(試驗(yàn)方法與2.1節(jié)中相同)，試驗(yàn)所用油石比為20∶1，結(jié)果如圖3所示。

圖3　4種集料下乳化瀝青破乳速度Fig.3　Demulsification speeds of emulsified asphalt with 4 aggregates

對(duì)比圖1(a)與圖3(a)、圖1(b)與圖3(b)可以看出，隨著4種集料的加入，ED1，EM1乳化瀝青的破乳速度明顯快于在離心場(chǎng)中ED1，EM1乳化瀝青達(dá)到破乳的時(shí)間。且對(duì)于不同的集料，ED1，EM1乳化瀝青破乳速度也不一致，ED1，EM1乳化瀝青在加入4種集料后達(dá)到完全破乳的時(shí)間，如表8所示。

表8　乳化瀝青ED1、EM1在4種集料下完全破乳時(shí)間(單位：min)Tab.8　Completely demulsification time of emulsified asphalt ED1, EM1 with 4 aggregates (unit：min)

由表8可以看出，對(duì)于ED1乳化瀝青石灰?guī)r集料達(dá)到完全破乳時(shí)間最長(zhǎng)，玄武巖最短。而對(duì)于EM1乳化瀝青，則是花崗巖集料達(dá)到完全破乳時(shí)間最長(zhǎng)，石灰?guī)r最短。這說(shuō)明對(duì)于不同的集料，乳化瀝青破乳速度不一致。

2.3集料的酸堿性與乳化瀝青破乳速度之間的關(guān)聯(lián)性研究

將表8中離心場(chǎng)下所得的破乳時(shí)間代入式(10)中，可得4種集料拌和下的陽(yáng)離子乳化瀝青和陰離子乳化瀝青在重力場(chǎng)中的破乳時(shí)間，詳見(jiàn)表9。

表9　4種集料拌和下的乳化瀝青重力場(chǎng)中破乳時(shí)間(單位：h)Tab.9　Demulsification time of emulsified asphalt mixture with 4 aggregates in gravity field(unit：h)

將集料的pH值，堿值和Zeta電勢(shì)分別與E1乳化瀝青和M1乳化瀝青進(jìn)行相關(guān)性分析，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表10所示。

表10　集料酸堿性與乳化瀝青破乳速度之間的相關(guān)性Tab.10　Correlation between aggregate acid-base property and demulsification speed of emulsified asphalt

陰離子乳化瀝青ED1與pH值、堿值、Zeta電勢(shì)的相關(guān)性系數(shù)分別為0.398，0.255，0.325，相關(guān)性均較差?？赡艿脑蚴荅D1乳化瀝青自身的穩(wěn)定性較好，集料對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響較小。

陽(yáng)離子乳化瀝青EM1與pH值、堿值、Zeta電勢(shì)的相關(guān)性系數(shù)分別為0.437，0.972，0.781，陽(yáng)離子乳化瀝青穩(wěn)定性與堿值和Zeta電勢(shì)具有較好的相關(guān)性，說(shuō)明堿性集料更容易加速陽(yáng)離子乳化瀝青的破乳速度。

3　結(jié)論

(1)考察了乳化瀝青在重力場(chǎng)下不同貯存時(shí)間的穩(wěn)定度，研究發(fā)現(xiàn)乳化瀝青的初始穩(wěn)定性與其貯存穩(wěn)定性具有較好的關(guān)聯(lián)性。

(2)選用石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖和石英巖4種集料，探索了集料酸堿性的測(cè)定方法，結(jié)果表明：相比于直接測(cè)量集料的pH值，集料的堿值更能反映集料的酸堿性，而Zeta電勢(shì)在一定程度上能夠反映集料表面電荷的性質(zhì)。

(3)對(duì)乳化瀝青破乳速度的測(cè)定方法進(jìn)行了研究，離心-電導(dǎo)法能夠有效快速準(zhǔn)確地測(cè)定乳化瀝青的破乳速度。

(4)用建立起的離心-電導(dǎo)率法評(píng)價(jià)了不同集料對(duì)乳化瀝青破乳速度的影響。研究表明，對(duì)于陰離子乳化瀝青，集料對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響較??；對(duì)于陽(yáng)離子乳化瀝青，堿性集料更容易加速陽(yáng)離子乳化瀝青的破乳速度。

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KONG Ling-yun1,2, TANG Fan-long1,4, XU Yan3，ZHAO Pin-hui4

(1.School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. School of Chemical Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong 266555, China;3. Neijiang Transport Bureau of Sichuan Province, Neijiang Sichuan 641000, China;4. Institute of Biomass Energy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao Shandong 266555, China)

In order to study the influence of pH value of aggregate on demulsification speed of emulsified asphalt, the method and evaluation index for determination of acid-base property are put forward. The acid-base property of 4 kinds of aggregate, including granite, limestone, basalt and quartz are characterized. At the same time, the experimental study of the gravity field and centrifugal field stability of the cationic and anionic emulsified asphalt are carried out, the conversion model of the centrifugal field and gravity field of the emulsified asphalt is established based on test result analysis. According to the model and using centrifugation conductivity method, the effects of the aggregates with different acid-base properties on emulsified asphalt demulsification speed are investigated. The research result shows that (1) the centrifugal-conductance method based on centrifugal field and gravity field conversion model can evaluation of emulsified asphalt demulsification speed effectively, rapidly and accurately; (2) the influence of the acid-base property on the stability of emulsified asphalt is small for the anionic emulsified asphalt, while alkaline aggregate is easier to accelerate the demulsification speed of cationic emulsified asphalt.

road engineering；emulsified asphalt；centrifugal conductivity；demulsification speed；acid-base property

2016-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508062)；交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(LHSYS-2014-001)

孔令云(1976-)，女，江蘇如皋人，副研究員，博士.(43112443@qq.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.001

U414.1

A

1002-0268(2016)10-0001-06