乳化沥青

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摘要乳化沥青是指石油沥青与水在乳化剂等的作用下经乳化加工制得的均匀沥青产品(亦称沥青乳液),其外观为茶褐色,在常温下具有较好的流动性。 乳化沥青特点 1)可冷态施工,节约能源。乳化沥青可以在常温下进行喷洒,贯入或拌和摊铺,现场无需加热,简化了施工程序,操作简便,节省能源。 2)可在潮...

乳化沥青

乳化沥青是指石油沥青与水在乳化剂等的作用下经乳化加工制得的均匀沥青产品(亦称沥青乳液),其外观为茶褐色,在常温下具有较好的流动性。

乳化沥青特点

1)可冷态施工,节约能源。乳化沥青可以在常温下进行喷洒,贯入或拌和摊铺,现场无需加热,简化了施工程序,操作简便,节省能源。

2)可在潮湿基层上使用,能直接与湿集料拌和,具有足够的黏结力。

3)无毒、无嗅、不燃、施工安全,可保护环境,减少污染。

4)稳定性差,贮存期不能超过半年,如贮存期过长容易引起凝聚分层,贮存温度在0℃以上。

5)乳化沥青修筑路面成型期较长,最初应控制车辆行驶速度。

基于乳化沥青以上的特点,乳化沥青不仅适用于铺筑路面,而且在路堤的边坡保护、层面防水、金属材料表面防腐等工程中得到广泛应用。

乳化沥青组成材料

乳化沥青主要由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组分组成。

1)沥青

沥青是乳化沥青组成的主要材料,占55%~70%。沥青的性质直接决定乳化沥青成膜性能和路用性质,在选择作为乳化沥青用的沥青时,首先要考虑它的易乳化性。一般来说,相同油源和工艺的沥青,针入度较大者易于形成乳液。但针入度的选择,应根据乳化沥青在路面工程中的用途来决定。另外,沥青中活性组分的含量对沥青乳化难易性有直接关系,通常认为沥青中沥青酸总量大于1%的沥青,易于形成乳化沥青。对高速公路和一级公路应满足道路石油沥青A、B级的要求,其他情况可采用C级沥青。

2)乳化剂

乳化剂是乳化沥青形成的关键材料。沥青乳化剂是表面活性剂的一种类型,从化学结构上看,它是一种“两亲性”分子,分子的一部分具有亲水性质,而另一部分具有亲油性质,这两个基团具有使互不相溶的沥青与水连接起来的特殊功能。在沥青、水分散体系中,沥青微粒被乳化剂分子的亲油基吸引,此时以沥青微粒为固体核,乳化剂包裹在沥青颗粒表面形成吸附层。乳化剂的另一端与水分子吸引,形成一层水膜,它可机械地阻碍颗粒的聚集。

3)稳定剂

为了保证乳液具有良好的贮存稳定性,以及在施工中喷洒或拌和机械作用下的稳定性,必要时应加入适量的稳定剂。稳定剂可分为两类:①有机稳定剂。常用的有聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、糊精、MF废液等。这类稳定剂可提高乳液的贮存稳定性和施工稳定性。②无机稳定剂。常用的有氯化钙、氯化镁、氯化铵和氯化铬等。这类稳定剂可提高乳液的贮存稳定性。

4)水

水是乳化沥青的主要组成部分。水在乳化沥青中起着润湿、溶解及化学反应的作用。因此要求乳化沥青中的水应当纯净,不含其他杂质,通常要求每升水中氧化钙含量不得超过80mg的洁净水,否则对乳化性能会产生很大的影响,并且需要多消耗乳化剂。通常水的用量一般为30%~70%。

乳化沥青形成机理

根据乳状液理论,因沥青与水这两种物质的表面张力相差较大,将沥青分散于水中,则会因表面张力的作用使已分散的沥青颗粒重新聚集结成团块。欲使已分散的沥青能稳定均匀地存在(实际上是悬浮)于水中,必须使用乳化剂,以降低沥青与水之间的表面张力差。沥青能够均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中的原因主要体现在以下几个方面:

1)乳化剂降低界面能的作用

由于沥青与水的表面张力相差较大,在一般情况下是不能互溶的。当加入一定量的乳化剂后,乳化剂能规律地定向排列在沥青和水的界面上。因乳化剂是一种表面活性物质,具有不对称的分子结构,分子一端是极性基因,是亲水的;另一端是非极性基因,是亲油的,故当乳化剂加入沥青与水组成的溶液中,乳化剂分子吸附在沥青-水界面上,形成吸附层,从而降低了沥青和水之间的表面张力差。

2)界面膜的保护作用

乳化剂分子的亲油基吸附在沥青微滴的表面,在沥青-水界面上形成界面膜。此界面膜具有一定的强度,对沥青微滴起保护作用,使其在相互碰撞时不易聚结。界面膜的紧密程度和强度,与乳化剂在水的浓度有密切关系。当乳化剂在最适宜的用量时,界面膜为密排的定向分子组成,此时界面膜的强度最高,沥青微滴聚结需要克服较大的阻力,因而保证沥青-水体系的稳定性。

3)界面电荷稳定作用

乳化剂溶于水后发生离解,当亲油基吸附于沥青微滴表面时,伸入水中的亲水基团电离,而使沥青微滴带有电荷,若采用的是阳离子乳化剂,则沥青微滴带上的是正电荷。此时在沥青-水界面上形成扩散双电层,第一层称为吸附层,基本上固定在界面上,这层电荷与沥青微滴的电荷相反;第二层称为扩散层,由吸附层向外,电荷向水介质中扩散。因每个沥青微滴都带相同电荷,且有扩散双电层的作用,故沥青-水体系成为稳定体系。

乳化沥青技术要求

乳化沥青在使用中,与砂石集料拌和成型后,在空气中逐渐脱水,水膜变薄,使沥青微粒靠拢,将乳化剂薄膜挤裂而凝成连续的沥青黏结膜层。成膜后的乳化沥青具有一定的耐热性、黏结性、抗裂性、韧性及防水性。

根据我国行业标准《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定,乳化沥青的技术要求应符合表的规定。

试验项目 单位 品种及代号
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
粒子电荷 阳离子(十) 阴离子(一) 非离子
筛上残留物(1.18mm筛),≤ % 0.1 0.1 0.1

恩格拉黏度计
E25
2~10 1~
6
1~6 2~30 2~10 1~
6
1~
6
2~30 1~
6
2~30
道路标准黏
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




残留分含量
% 50 50 50 55 50 50 50 55 50 55
溶解度,
% 97.5 97.5 97.5
针人度
(25℃)
0.1
mm
50~
200
50~
300
45~
150
50~
200
50~
300
45~
150
50~
300
60~
300
延度(15℃),
cm 40 40 40
与粗骨料的黏附性,裹覆面积,≥ 2/3 2/3 2/3
与粗、细粒式骨料拌合试验 均匀 均匀
水泥拌合试验
的筛上剩余,≤
% 3
常温贮存稳定性

1d,≤

5d,≤

%  

1
5

 

1
5

 

1
5

注:

1.P为喷洒型,B为拌和型,C、A、N分别表示阳离子、阴离子、非离子乳化沥青。

2.黏度可选用恩格拉黏度计或沥青标准黏度计之一测定。

3.表中的破乳速度与集料和粘附性、拌和试验的要求、所使用的石料品种有关,质量检验时应采用工程上实际的石料进行试验,如仅进行乳化沥青产品质量评定时可不要求此三项指标。

4.贮存稳定性根据施工实际情况选用试验时间,通常采用5d,乳液生产后能在当天使用时也可用1d的稳定性。

5.当乳化沥青需要在低温冰冻条件下贮存或使用时,尚需进行-5℃低温贮存稳定性试验,要求没有粗颗粒、不结块。

6.如果乳化沥青是将高浓度产品运到现场经稀释后使用时,表中的蒸发残留物等各项指标是指稀释前乳化沥青的要求。

乳化沥青适用范围

1)乳化沥青适用于沥青表面处治路面、沥青贯入式路面、冷拌沥青混合料路面,修补裂缝,喷洒透层、黏层与封层等。

2)在高温条件下宜采用黏度较大的乳化沥青,在寒冷条件下宜使用黏度较小的乳化沥青。

3)乳化沥青类型应根据骨料品种及使用条件选择。阳离子乳化沥青可适用于各种骨料品种,阴离子乳化沥青适用于碱性骨料。乳化沥青的破乳速度、黏度宜根据用途与施工方法选择。

4)制备乳化沥青用的基质沥青,对于高速公路和一级公路,宜采用符合表9.5道路石油沥青A级、B级沥青的要求,其他情况可采用C级沥青。

5)乳化沥青宜存放在立式罐中,并保持适当搅拌。储存期以不离析、不冻结、不破乳为度。

乳化沥青在集料表面分裂机理

分裂是指从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面聚结成一层连续的沥青薄膜,这一过程称为分裂(俗称破乳)。

路用沥青乳液要有足够的稳定性,以保证在运输和洒布过程中不致过早分裂;同时,当乳液洒布在路面上遇到集料时,则应立即产生分裂。乳液产生分裂的外观特征是它的颜色由棕褐色变成黑色,此时的乳化液还含有水分,需待水分蒸发完后,才能产生黏结力。

路用沥青乳液的分裂速度,与水的蒸发速度、集料表面性质以及洒布和碾压作用等因素有关。

1)乳液与集料表面的吸附作用。在水分逐渐蒸发、乳液分裂凝聚的同时,沥青与矿料表面还存在吸附作用。沥青与矿料的吸附除依靠分子间力产生的物理吸附外,还有两者之间的电性吸附。如前所述,沥青乳液中乳化剂的一端为亲油基与沥青吸附,另一端亲水基则伸入水中。当它与骨料相遇时,由于产生离子吸附,使骨料表面迅速牢固形成一层沥青薄膜,其中水分子立即排除,而且这一反应过程不受气候、湿度和风速等因素的影响,因此能够形成高强度路面。①阴离子乳液(沥青微滴带负电荷)与带正电荷碱性集料(石灰石、玄武石等)具有较好的黏结性;②阳离子乳液(沥青微滴带正电荷)与带负电荷的酸性集料(花岗岩、石英石等)具有较好的黏结性。同时与碱性集料也有较好的亲和力。

由于乳化沥青的分裂需经一定时间才能彻底完成,路面初期强度不高,因此必须限制车辆的行驶速度和行驶路线,以保证路面的整体性和强度的形成。

2)蒸发作用。乳化沥青洒布在路上,随即产生蒸发作用。蒸发快慢与气温、风速及路面环境等条件有关。和普通水的蒸发现象一样,在温度较高及有风的条件下,水分蒸发快;通常在开阔的路面比有树荫遮的路面蒸发快。此外,还与洒布速度和压力有关。一般情况下,当沥青乳液中水分蒸发到沥青乳液的80%~90%时,乳液即开始凝结。而碾压应力也促使了沥青的凝结。

在水分蒸发的初期,乳液的分裂是可逆的,即当遇到雨水时,能使乳液再乳化;遇到大雨时甚至可使乳液从路上冲走。但是在完全分裂后,沥青微粒变成一层沥青膜时,则不再受雨水的影响。

在寒冷潮湿的条件下,分裂不完全的乳液,在行车荷载的作用下,易引起破坏。当乳液完全形成一层黑色的薄膜后,它黏结在集料表面形成一层薄膜,与热拌沥青几乎没有差别。

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