乳化瀝青破乳過程熱效應(yīng)分析

申華杰, 侯曙光

(南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 南京 210009)

瀝青是一種物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分較為復(fù)雜的體系, 隨溫度的變化,瀝青中的物質(zhì)狀態(tài)隨之改變．Tinsley等[1]研究發(fā)現(xiàn)因瀝青質(zhì)導(dǎo)致蠟晶沉降, 在溫度環(huán)境相同時,蠟晶從混合液中分離出來的難度大．乳化瀝青則是在瀝青的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出的一種更為復(fù)雜多變的體系, 通過熱熔的瀝青與含有乳化劑的皂液一起經(jīng)過膠體磨的機械作用,使瀝青以微小的顆粒分散在含有乳化劑的水溶液中,形成水包油(O/W)的乳狀液．乳化瀝青內(nèi)部組分存在固液兩種相態(tài), 因不同相中物質(zhì)的分子間相互作用力不同, 導(dǎo)致物理性質(zhì)存在較大差異,而乳化瀝青的實際性質(zhì)是其中眾多組分性質(zhì)的綜合體現(xiàn)[2-4]．Taylor[5]研究了水包油型乳化瀝青的熱不穩(wěn)定性, 指出水包油乳化瀝青的溫度達(dá)到乳化劑的濁點時可實現(xiàn)有效分解; Dalmazzone等[6-7]應(yīng)用高壓差式量熱掃描分析法, 研究了不同溫度下水包油乳液中甲烷水合物形成的動力學(xué); Ronald等[8]利用DSC分析儀研究了深海鉆井液中分散于穩(wěn)定乳液的甲烷水合物形成的動力學(xué)．如果乳化瀝青在某一溫度下發(fā)生聚集態(tài)轉(zhuǎn)變的組分越多,則乳化瀝青吸收(或釋放)的熱量越多,乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性越好,更不容易發(fā)生破乳現(xiàn)象[9]．在溫度升高的過程中,各組分性質(zhì)改變的細(xì)微影響集中在一起會對乳化瀝青的宏觀性能(特別是熱穩(wěn)定性)產(chǎn)生影響, 同時伴有吸熱現(xiàn)象,因而會形成吸熱峰;當(dāng)溫度降低時,聚集狀態(tài)從液態(tài)變化為固態(tài), 此時會形成放熱峰[10-11]．本文擬利用差示掃描量熱法通過測定慢裂慢凝型、慢裂快凝型、中裂型和快裂型4種不同類型乳化瀝青的熱量變化, 以期定性評價不同乳化瀝青的破乳性能．

1 試驗部分

1.1 樣品與儀器

70號基質(zhì)瀝青(中海公司, 泰州), 主要性能指標(biāo)如表1所示; 陽離子乳化劑KZW-803C慢裂慢凝型(MM)、KZW-801U慢裂快凝型(MK)、KZW-802中裂型(ZL)、KZW-802K-1快裂型(KL)乳化劑(康澤威科技有限公司, 天津)．瀝青乳化采用JM-5乳化瀝青試驗機(江陰鑫路公司,江陰)．

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 樣品制備方法

1) 加熱瀝青. 嚴(yán)格控制瀝青加熱溫度,若加熱溫度不夠高,瀝青流動性較低,則生產(chǎn)的乳化瀝青顆粒過大;但溫度過高,會使皂液蒸發(fā)過快．本文加熱溫度設(shè)為140℃．

2) 制備皂液. 將乳化劑加入到60～65 ℃水中,并用稀鹽酸(無錫凈潔科技有限公司,AR)將溶液pH值調(diào)至2～3, 同時不斷攪拌,直至乳化劑完全溶解,備用．

3) 乳化瀝青制備. 按油水質(zhì)量比為60∶40, 慢裂慢凝型(MM)和慢裂快凝型(MK)乳化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,中裂型(ZL)和快裂型(KL)乳化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%, 與60 ℃皂液一起加入預(yù)熱好的膠體磨中, 并使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)4 000 r·min-1, 待空氣排凈后緩慢加入預(yù)熱好的瀝青,運行1 min, 得到乳化瀝青, 其性能指標(biāo)見表2．

表2 乳化瀝青性能指標(biāo)

1.3 測試條件

采用德國NETZSCH公司的DSC-204型差示掃描量熱分析儀, 取樣量為5～10 mg, 測定溫度為-60～180 ℃, 升溫速率10 ℃·min-1, 氮氣流速20 mL·min-1．

2 結(jié)果與分析

圖1 乳化瀝青DSC曲線Fig.1 DSC curve of emulsified asphalt

圖1為4種乳化瀝青樣品的DSC曲線, 表3為乳化瀝青的吸熱峰數(shù)據(jù)．由圖1和表3可見, 4種乳化瀝青分別在-0.2～6.2, -1.6～5.4, -1.8～3.8, -1.6～3.6 ℃出現(xiàn)第一個較明顯的吸熱峰, 此時乳化瀝青中的水由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)．第二個吸熱峰代表瀝青乳液的破乳過程,臨界溫度和吸收熱量隨乳化劑的不同而變化; KL和ZL的峰值溫度較MM和MK低, 說明KL和ZL瀝青乳液破乳快于MM和MK,故KL和ZL在工程中多應(yīng)用于噴灑,而MM和MK多應(yīng)用于拌合．根據(jù)熱力學(xué)原理,體系在溫度變化過程中內(nèi)部會產(chǎn)生變化,如化學(xué)反應(yīng)或者聚集狀態(tài)改變,使體系吸收或釋放能量[12]．由于乳化瀝青是惰性物質(zhì),故乳化瀝青在溫度升高的過程中出現(xiàn)的吸熱峰暗示體系的聚集狀態(tài)發(fā)生改變,說明此時乳化瀝青發(fā)生了破乳現(xiàn)象且部分組分完成了聚集狀態(tài)的轉(zhuǎn)變．具有較高吸熱量的瀝青乳液需要更多的能量用于破乳過程,這意味著瀝青乳液具有更高的熱穩(wěn)定性．此外,慢裂快凝及中裂型乳化瀝青在90 ℃以后出現(xiàn)了一個較小的吸熱峰,這是樣品中殘留的乳化劑及瀝青中部分組分發(fā)生了反應(yīng)所致．乳化瀝青的破乳會發(fā)生在某一溫度區(qū)間,通過對吸熱峰的起止時間的觀察,能夠分析出乳化瀝青破乳過程發(fā)生的溫度區(qū)間,同時吸熱峰的大小也能較好地反映乳化瀝青的熱性能．

表3 乳化瀝青DSC吸熱峰數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1) 4種不同乳化劑的乳化瀝青在-0.2～6.2, -1.6～5.4, -1.8～3.8, -1.6～3.6 ℃以及51.9～80.2, 60.5～92.8, 40.1～71.9, 39.3～69.5 ℃之間均會發(fā)生聚集態(tài)轉(zhuǎn)化,雖然很難根據(jù)差式量熱掃描曲線中出現(xiàn)的吸放熱峰定量計算物質(zhì)組分發(fā)生改變的量,但根據(jù)吸放熱量及臨界溫度對乳化瀝青進行定性評價是可行的．

2) 可根據(jù)吸熱峰值來表征乳化瀝青的熱穩(wěn)定性, 吸熱峰值越大,說明需要更多的能量用于破乳過程,則乳化瀝青的熱穩(wěn)定性越高, 故可利用DSC方法來驗證和判斷乳化瀝青的高溫性能,并指導(dǎo)路用乳化瀝青的選擇．