乳化瀝青乳液微粒粒徑變化特征研究

吳勝坤，黃雪林，羅東志，侯曙光

（1.江蘇宿遷交通工程建設有限公司，江蘇 宿遷223800；2.宿遷市高速鐵路建設發展有限公司，江蘇 宿遷223800；3.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京211816）

0 引 言

乳化瀝青是熱融瀝青在剪切作用下以微粒形式分散在含有乳化劑的水溶液中形成的水包油乳狀液。與傳統瀝青熱鋪技術相比，乳化瀝青可在常溫下施工，具有流動性高、施工簡單、污染小等優點，在道路養護中具有極大的實用價值[1，2]。

乳化瀝青顆粒粒徑一般在1～15 μm，顆粒粒徑大小和分布與乳化設備、基質瀝青性質及其溫度、皂液溫度及其酸堿性、乳化劑類型和用量等工藝配方密切相關[3]。微粒粒徑影響乳液中乳化劑的分布，對拌和時間有重要影響；粒徑分布則會影響乳化瀝青與集料接觸，從而影響瀝青對集料的裹附性。由此可見，微粒粒徑大小和分布情況是乳化瀝青生產過程中進行質量控制的重要參數。乳液中瀝青微粒的均細化程度即微粒粒度大小和分布情況同樣是表征乳化瀝青儲存穩定性的一項重要指標。均細化程度越高，表示乳化瀝青的儲存穩定性能越好[4，5]。本文通過試驗研究乳化瀝青的微粒粒徑在儲存過程中隨時間與空間的變化規律，以期為乳化瀝青的生產與施工提供理論參考。

1 瀝青乳化和破乳理論介紹

1.1 界面張力理論

界面張力可定義為作用在單位長度液體界面上的收縮力[6]。通常情況下，石油瀝青和水的界面張力相差的數量級非常大，所以兩者互不相溶，需要靠乳化劑將兩者混合在一起。乳化劑的本質是表面活性劑，其一端為親油基，另一端為親水基。在瀝青與水中加入乳化劑后，乳化劑分子中的親油基附著在油相上，親水基則與水相連接，相當于在油相和水相之間架起了一座“橋梁”，極大地減小了油水兩相之間的界面張力，從而提高了乳液體系的穩定性。所以，界面張力大小是評價乳化瀝青體系是否保持穩定的一個重要性指標[7]。

1.2 乳化瀝青貯存破乳理論

乳化瀝青在貯存過程中，乳液中的瀝青微粒始終在做著無規則的布朗運動，使瀝青微粒之間相互碰撞、接觸。與此同時，微粒分子之間存在的范德華引力進一步促進了瀝青微粒之間的相互靠近，并逐漸黏結在一起，發生絮凝現象。此時瀝青乳液還未發生破乳。隨著時間的增加，這種現象并不會減弱，越來越多的瀝青微粒聚集在一起造成微粒粒徑不斷增大，在重力作用下較大粒徑的顆粒向下沉降，發生聚結現象，直至乳液中的油水分離，發生破乳。

2 乳化瀝青分層微粒粒徑試驗

2.1 試驗過程

（1）乳化瀝青制備

在相同的制備工藝條件下，利用乳化機按60∶40 的油水比分別制備乳化劑含量為1.2%、1.6%、2.0%的乳化瀝青1000 g，乳化劑類型為中裂型乳化劑。

（2）乳液分層

將制備好的乳化瀝青倒入1000 mL 量筒中，并將乳液區域等距劃分為4 層，從上至下依次為A 層、B 層、C 層、D 層，如圖1 所示。

圖1 試驗樣品和區域劃分圖

（3）粒度測量

利用滴管分別從每層乳液中部提取出一定量乳化瀝青樣品，加入蒸餾水將乳化瀝青濃度稀釋至20%后，再用滴管將乳液滴入循環分散進樣系統進行3～5 min 的超聲分散。待溶液均勻后，經過激光粒度儀測量粒徑大小。粒度測量每隔6 h 進行一次，每個樣本平行測量3 次。

2.2 試驗結果分析

（1）不同深度的乳液微粒粒徑變化規律

通過連續86 h 對乳化瀝青儲存過程中乳液微粒粒徑大小的測量，得到不同深度處乳液平均粒徑與時間變化關系，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，隨著儲存時間的增加，每層乳液的平均粒徑均呈上升趨勢，并且乳化瀝青乳液的平均粒徑隨深度的增加而增大。這是由于隨著時間的增加，乳液中的瀝青微粒之間發生絮凝、聚結現象，微粒粒徑不斷增大并向下沉降，導致深度越深處的乳液平均粒徑越大。試驗同樣測定了乳化劑用量為1.6%和2.0%的中裂型乳化瀝青儲存過程中每一分層的粒徑變化情況，所得結果與上述乳化劑用量1.2%的中裂型乳化瀝青一致，說明不同乳化劑含量不影響乳液微粒粒徑隨時間與空間的變化規律。

圖2 1.2%中裂型乳化瀝青不同深度的粒徑變化曲線

（2）不同乳化劑含量的乳液微粒粒徑變化規律

圖3 中裂型乳化瀝青不同乳化劑含量的粒徑變化曲線

圖3顯示了不同乳化劑含量條件下，每一分層乳液的平均粒徑隨時間的變化情況。從中可以看出，乳化劑含量越高，乳液的平均粒徑越小。利用界面張力理論可以很好地解釋這個規律：當乳化劑含量較低時，乳液中油水兩相的界面張力仍然很大，瀝青微粒以較大粒徑分散在乳液中，此時乳液的平均粒徑也較大；當乳化劑含量較高時，乳化劑分子能夠有效降低油水兩相的界面張力，瀝青微粒以較小粒徑分散在乳液中，所以乳液的平均粒徑也較小；當乳化劑含量達到一定值后，油水兩相的界面張力也保持在穩定區間，乳液中的微粒粒徑也不再發生明顯變化。

3 結 語

通過試驗研究，得到如下主要結論：

（1）在乳化瀝青儲存過程中，伴隨瀝青微粒絮凝、聚結現象的發生，乳液微粒的平均粒徑隨時間的增加呈上升趨勢，大顆粒向下沉降導致乳液的平均粒徑隨深度增加遞增。

（2）乳液中乳化劑含量的增加，會降低油水兩相的界面張力，乳液微粒的平均粒徑也隨之減小。乳化劑含量增加到一定值后，微粒粒徑趨于穩定。