使用双十二烷基二甲基氯化铵制备乳化沥青及其性能研究文档格式.docx
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3.3.1试验目的与适用范围11
3.3.2试验仪器和材料12
3.3.3试验步骤12
3.3.4数据处理13
3.4延度试验13
3.4.1试验目的与适用范围13
3.4.2试验仪器和材料13
3.4.3试验步骤14
3.4.4数据处理14
4乳化剂对沥青材料性能的研究15
4.1数据处理与分析15
4.2结论分析15
5结语17
参考文献18
1绪论
1.1沥青与乳化沥青
1.1.1沥青
沥青是一种棕黑色有机胶凝状物质,沥青可以分为天然沥青、石油沥青、页岩沥青和煤焦油沥青。
沥青的主要成分是沥青质和树脂,其次有高沸点矿物油和少量的氧、硫和氯的化合物。
沥青呈液体、半固体或固体状态,因其良好的粘结性、抗老化性和防水能力,长期以来被广泛地用于防水和密封材料、道路修补等。
1.1.2乳化沥青
所谓的乳化沥青,就是将粘稠的沥青加热至流动态,再经机械力的作用形成微滴分散在有乳化剂——稳定剂的水中而形成的均匀、稳定的乳状液[1]。
从热力学的观点看,任何乳状液都不是稳定的,随着时间的推移,环境温度的变化或接触介质的变化,如与石料的混合、摊铺等都可能引起乳状液的分层、絮凝和聚集,最终导致乳状液的破坏。
简而言之,乳化沥青是一种热力学不稳定体系。
其稳定性是由外界所添加的乳化剂、乳液稳定剂等所产生的各种作用而引起的。
如添加的乳化剂能降低乳液表面或界面张力,形成表面或界面上的分子定向排列和吸附,以及所带电荷的不同而产生的相互排斥作用,从而使其具有一定的稳定性[2]。
乳化沥青在常温下可以自由流动,并且可以根据需要做成不同浓度的乳化沥青,做贯入式或透层容易达到所需要的沥青膜厚度,也可用作粘层油以及用于各种稳定层的养护,这是热沥青不能达到的。
乳化沥青可在一定温度下生产,在常温下储存和洒布,具有施工方便、节约能源和资源,减少环境污染,降低工程成本等优点。
因此,在高等级公路施工中常用作透层油、封层油和粘层油洒布,另外乳化沥青在金属防腐、沙漠固沙、边坡稳定等方面的应用亦早有报道根据所用乳化剂电性的不同,分为阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青、非离子乳化沥青和两性乳化沥青。
1.2乳化剂的分类
沥青乳化剂就是能将沥青乳化的表面活性剂[3]。
沥青乳化剂的分类方法很多,现列举以下几种:
(1)按照用途可以分为:
道路用沥青乳化剂、建筑用沥青乳化剂、农用沥青乳化剂等。
在每类的使用领域中,按照具体的使用目的和使用场合,又可以进一步细分,如在道路乳化沥青中,可分为喷洒用沥青乳化剂、拌和用沥青乳化剂。
(2)按照HLB值(亲水基亲油基的平衡值)可以分为:
油包水型沥青乳化剂和水包油型沥青乳化剂。
前者HLB值在4~6之间,亲油基的基数大,亲水基的基数小;
后者HLB值在8~18之间,亲水基的基数大,亲油基基数小。
(3)按照破乳速度可以分为:
快裂型沥青乳化剂;
中裂型沥青乳化剂;
慢裂型沥青乳化剂。
最常用和最简单的方法是按离子的类型分类,主要分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型沥青乳化剂。
1.2.1阴离子型乳化剂
此类乳化剂原料便宜易得,工艺简单,技术成熟,不必调节值就可直接使用,在乳化沥青的发展初期受到了重视此类乳化剂的亲水基主要是阴离子,乳化剂主要有羧酸盐类、磺酸盐类、磷酸盐酚类等。
典型的阴离子型乳化剂是硬脂酸钠CH3(CH2)16COONa,其长链部分为非极性亲油基,只溶于沥青;
带负电荷部分是亲水基,只溶于水,因而在沥青与水的两相界面上就出现了以阴离子为特征的界面保护膜。
阴离子型乳化剂制成的乳化沥青主要的缺点是破乳时间太慢,普遍要在1h以上,对沥青的延度的影响也要超过20%。
1.2.2阳离子型乳化剂
此类乳化剂发展较晚,但实践发现它与各种矿料有更好的粘附性,用量少等优点,得到广泛应用。
此类乳化剂的亲水基是阳离子,主要包括焼基胺类、胺化木质素类、季铵盐类及咪唑啉类等。
比较典型的是季铵盐类:
季铵盐类乳化剂是应用最为广泛的阳离子乳化剂,主要有季铵盐和双季铵盐,这种乳化剂合成简单、原料来源丰富、价格相对较低,已成为我国沥青乳化生产的主要乳化剂之一。
虽然其乳化力和二胺无大差别,但缺点是在集料上形成的沥青膜一般较薄[4]。
1.2.3两性离子乳化剂
它的分子结构与氨基酸相似,即分子中同时存在酸性基和碱性基,易形成“内盐”。
主要有甜菜碱型、氨基酸型、咪唑啉型等,也有杂元素代替N、P的,如S为阳离子基团活性中心的两性表面活性剂。
其耐硬水、钙分散能力较强,与其他各类型的乳化剂有良好的配伍性,但价格较高。
除甜菜碱型乳化剂外,表面活性剂的性质一般与溶液的pH值有关。
其中比较有代表性的是甜菜碱,甜菜碱是具有[N+CH2COO-]结构的化合物,此种表面活性剂性能温和,易于生物降解,作为一种性能优良的两性表面活性剂日益受到重视[5]。
开发性能优良、成本低廉的甜菜碱型乳化剂将是沥青乳化剂的发展方向之一。
所以本人以壬基酚为原料合成了多种甜菜碱型沥青乳化剂。
1.2.4非离子型乳化剂
非离子乳化剂大多是由环氧乙烷与带活泼氢的化合物(如酚、醇、羧酸、胺等)反应得到的,其活性不仅与疏水烷基有关,还与聚氧乙烯链的长短有关。
它具有高表面活性、稳定性,与其它乳化剂及其助剂的配伍性较好,并对金属离子有一定的螯合作用。
它的活性与溶液的pH值无关,在转相点形成的乳液最稳定[6]。
1.3乳化沥青的乳化机理
所谓乳化沥青就是将粘调沥青加热至流动态,经机械作用使之分散为微小液滴后,稳定地分散在乳化剂溶液中,形成水包油(O/W)型的沥青乳液,形成一种均匀稳定的分散体系。
乳化沥青呈茶褐色,常温下具有高度流动性。
乳化沥青中沥青约占总质量的55%~65%,水约占35%~45%,乳化剂的含量仅为千分之几却对沥青能否均匀稳定的分散于水中起着至关重要的作用。
沥青乳化剂是具有亲水基和疏水基的两亲分子如图1-1。
在乳化剂溶液中的乳化剂分子的疏水碳氧链进入水中的沥青微粒靠拢,并插入沥青微粒中,而亲水基则插入水中。
每个沥青微粒表面层有许多个乳化剂分子,一端插入沥青微粒中,一端插入水中,把沥青微粒包围,形成一层界面膜(吸附层)。
包围沥青微粒的乳化剂分子越多,界面膜越致密,膜的强度越高,对界面张力的降低作用越强。
界面膜的形成隔开了沥青与水不直接接触,使界面张力大大降低[7]。
图1-1乳化剂分子结构示意图
在乳化时,界面膜隔开了沥青与水的界面,同时由于在界面膜外层排布的是乳化剂分子的亲水基,它可以与水分子以氢键的方式缔合在一起,从而可以牢固地结合较多的水分子[7]。
这种亲水作用的结果使得在膜表面形成一层牢固的水合层,亲水基越多,亲水性越强,则结合的水分子数目越多,如图1-2所示。
图1-2乳化沥青界面膜、水合层及界面电荷层示意图
2乳化沥青制备
2.1原材料
(1)沥青
本次试验中沥青选用的是90#重交沥青,淄博立森石化有限公司产品,具体的各项技术指标见表2-1。
表2-190#重交沥青的技术指标
技术指标
技术要求
测试结果
试验方法
针入度(25oC,100g,5s)/0.1mm
80-100
82
T0604
软化点(TR&
B)/oC
>
42
47.3
T0606
延度(15oC,5cm/min)/cm
100
1362.4
T0605
(2)去离子水
(3)乳化剂
本次试验使用的双十二烷基二甲基氯化铵属于季铵盐型阳离子表面活性剂,(分析纯)由广汉市荣欣精细化工有限公司生产,其分子式为(C12H25)2(CH3)2NCl,结构式为:
表2-2双十二烷基二甲基氯化铵的技术指标
物理性能双十二烷基二甲基氯化铵
外观(25oC)
白色或微黄色膏体
纯度
≥99.0%
溶解性
微溶于水
pH值(1%水溶液,25oC)
6.0-8.0
双十二烷基二甲基氯化铵有优良的抗静电和防腐蚀性,有较好的分散、乳化、起泡作用;
与阳离子、非离子、两性离子表面活性剂有良好的配伍性;
极易被吸附到带负电荷的表面,可是粘结成球的纤维变得蓬松和柔软;
疏水性好。
其用途可用作沥青乳化剂、矿物浮选剂,杀菌消毒剂、乳化剂、三次采油助剂等。
2.2试验仪器及设备
本次试验中用于进行乳化沥青制备试验的仪器设备规格型号、生产厂家如表2-3所示。
表2-3乳化沥青制备试验主要仪器设备
序号
仪器设备名称
规格型号
生产厂家
1
电子天平
YP10002
余姚市金诺天平仪器有限公司
2
精密增力电动搅拌器
DJ-1C
金坛市成辉仪器厂
3
数显控温电热套
SXKW
北京市永光明医疗仪器厂
4
真空干燥箱
DZ-2BCⅡ
上海贤德实验仪器有限公司
5
全自动沥青软化点试验器
SYD-2806E
无锡华南实验仪器有限公司
6
全自动针入度仪
SYD-2801E
7
自动恒温双数显沥青延伸仪
SY-1.5A
8
细筛
孔径1.18mm
沥江华丰五金仪器有限公司
2.3实验步骤
1.原材料用量的计算
确定沥青、水、乳化剂比例的计算推导公式如下:
(1)沥青用量计算如式2-1。
(2-1)
式中,mb——所需的沥青质量,g;
mE——乳液总质量,g;
Pb——乳液中沥青含量,%。
(2)乳化剂用量计算如式2-2。
(2-2)
式中,me——乳化剂用量,g;
PE——溶液中乳化剂的含量,%;
Pe——乳化剂浓度(乳化剂中有效成分含量),%。
(3)水的用量计算如式2-3。
(2-3)
式中,mw——配制乳液所需水的质量,g。
本次试验根据沥青、水、乳化剂比例的推导公式(2-1)、(2-2)、(2-3)计算得各材料的理论值,沥青为80g,去离子水为80g,双十二烷基二甲基氯化铵(乳化剂)为2.40g。
2.乳化沥青的制备
称取2.41g(理论称取2.40g)双十二烷基二甲基氯化铵做乳化剂,加入80.60ml(理论称取80ml)水,加热到(80±
1)℃,溶解成溶液。
再称取120.94g(理论称取120g)沥青,加热至120℃。
将乳化剂热水溶液注入电动搅拌器中,启动电动搅拌器,先在低速下搅拌,缓慢将热沥青倒入电动搅拌器进行乳化,再转向高速,搅拌60s得到乳化后的乳液,最后将乳液装入塑料瓶,关闭电动搅拌器。
其制备流程如图2-1。
加热至80℃加热至
120℃
图2-1乳化沥青制备流程图
3乳化沥青三大指标的试验[8]
3.1乳化沥青蒸发残留物含量试验
3.1.1仪器与材料技术要求
(1)试样容器:
容量1500mL、高约60mm、壁厚0.5~1mm的金属盘;
(2)天平:
感量不大于1g;
(3)电炉:
有石棉网;
(4)其他:
玻璃棒、温度计、洗液等。
3.1.2试验步骤
(1)将试样容器、玻璃棒等洗净、烘干并称其合计质量m1;
(2)将搅拌均匀的乳化沥青倒入试样容器内,称取容器、玻璃棒及乳液的合计质量m2,准确至1g;
(3)将盛有试样的容器连同玻璃棒一起置于电炉上缓缓加热,边加热边搅拌,其加热温度不应致乳液溅射,直至确认试样中水分已完全蒸发,然后在(163±
3.0)℃温度下加热1min;
(4)取下试样容器冷却至室温,称取容器、玻璃棒及沥青的合计质量m3,准确至1g。
3.1.3数据处理
乳化沥青的蒸发残余含量按式(3-1)计算,以整数表示。
(3-1)
式中,Pb——乳化沥青的蒸发残余含量,%;
m1——试样容器、玻璃棒合计质量,g;
m2——试样容器、玻璃棒及乳液的合计质量,g;
m3——试样容器、玻璃棒及残留物合计质量,g;
本次试验中,测得m1为85.9g,m2为252.3g,m3为219.3g,则根据式(3-1)可得:
=80%
本次试验乳化沥青的蒸发残余含量为80%。
3.2针入度试验
3.2.1试验目的与应用范围
本方法适用于测定道路石油沥青、聚合物改性沥青针入度以及液体石油沥青蒸馏或乳化沥青蒸发后残留物的针入度,以0.1mm计。
其实验标准条件为温度25℃,荷重100g,贯入时间为5s。
3.2.2试验仪器和材料
(1)针入度仪、标准针;
(2)盛样皿:
金属制,圆柱形平底;
(3)恒温水槽:
容量不少于10L,控温的准确度为0.1℃;
(4)平底玻璃皿:
容量不小于1L,深度不小于80mm;
(5)温度传感器:
精度为0.1℃;
(6)计时器:
精度为.1s;
(7)位移传感器、三氯乙烯和石棉垫电炉等。
3.2.3试验步骤
(1)取出达到恒温的盛样皿,并移入水温控制在实验温度(15±
0.1)℃(可用恒温水槽中的水)的平底玻璃皿中的三脚架上,试样表面以上的水层温度不小于10mm。
(2)将盛有试样的平底玻璃皿置于针入度仪的平台上。
慢慢放下连针杆,用适当位置的反光镜或灯光反射观察,使针尖恰好与试样表面接触,将位移指针或刻度盘指针复位为零。
(3)开始试验,按下释放键,这时计时与标准针贯入试样同时开始,至5s时自动停止。
(4)读取位移计或刻度盘指针的读数,准确至0.1mm。
(5)同一试样平行试验至少3次,各次测试点之间及盛样皿边缘的距离不应小于10mm。
每次试验后将盛有盛样皿的平底玻璃皿放入恒温水槽,使平底玻璃皿中水温保持试样温度。
每次试验应换一根干净标准针或将标准针取下用蘸有三氯乙烯溶剂的棉花或布揩净,再用于棉花或布擦干。
(6)测定针入度大于200的沥青试样时,至少用3支标准针,每次试验后将针留在试样中,直至3次平行试验完成后,才能将标准针取出。
3.2.4数据处理
本次试验中在15℃温度下进行,测得3个针入度值/0.1mm分别为100、100、120。
3.3软化点试验(环球法)
3.3.1试验目的与适用范围
本方法适用于测定道路石油沥青、聚合物改性沥青的软化点,也适用于测定液体石油沥青、煤沥青蒸馏残留物或乳化沥青蒸发残留物的软化点。
3.3.2试验仪器和材料
(1)软化点试验仪;
(2)钢球:
直径9.53mm,质量(3.5±
0.05)g;
(3)试样环、钢球定位环:
黄铜或不锈钢等支撑;
(4)金属支架:
由两个主杆和三层平行的金属板组成;
(5)耐热玻璃杯;
(6)温度计:
量程0~100℃,分度值0.5℃;
(7)加热炉具、试样底板、恒温水槽、平直刮刀、甘油、滑石粉隔离剂、蒸馏水和石棉网等。
3.3.3试验步骤
1.试样软化点在80℃以下者:
(1)将装有试样的试样环连同底板置于装有5℃±
0.5℃水的恒温水槽中至少15min;
同时将金属支架、钢球、钢球定位环等亦置于相同的水槽中。
(2)烧杯内注入新煮沸并冷却至5℃的蒸馏水或纯净水,水面略低于立杆上的深度标记。
(3)从恒温水槽中取出盛有试样的试样环放置在支架中层板的圆孔中,套上定位环;
然后将整个环架放入烧杯中,调整水面至深度标记,并保持水温5℃±
0.5℃。
环架上任何部分不得附有气泡。
将0-100℃的温度计由上层板中心孔垂直插入,使端部测温头底部与试样环下面齐平。
(4)将盛有水与环架的烧杯移至放有石棉网的加热炉具上,然后将钢球定位环中间的试样中央,立即开动电磁振荡搅拌器,使水微微振荡,并开始加热,使杯中水温在3min内调节至维持每分钟上升5℃±
在加热过程中,应记录每分钟上升的温度值,如温度上升速度超出此范围,则试验应重做。
(5)试样受热软化逐渐下坠,至与下层底板表面接触时,立即读取温度,准确至0.5℃。
2.试样软化点在80℃以上者:
(1)将装有试样的试样环连同试样底板置于32℃±
1℃甘油的恒温水槽中至少15min;
同时将金属支架、钢球、钢球定位环等亦置于甘油中。
(2)在烧杯内注入预先加热至32℃的甘油,其液面略低于立杆上的深度标记。
(3)从恒温水槽中取出装有试样的试样环,按上述方法进行测定,准确至1℃。
同一试样平行试验两次,当两次测定值的差值符合重复性试验允许误差要求时,取其平均值作为软化点试验结果,准确至0.5℃。
3.3.4数据处理
同一试样平行试验两次,两次测定值的差值符合重复性试验允许误差要求时,取其平均值作为软化点试验结果,准确至0.5℃。
本次试验两侧测量软化点为48.7℃和49.3℃,其平均值为49.0℃。
3.4延度试验
3.4.1试验目的与适用范围
本方法适用于测定道路石油沥青、聚合物改性沥青、液体石油沥青蒸馏残留物和乳化沥青蒸发残留物等材料的延度。
沥青延度的试验温度与拉伸速率可根据要求采用,采用的试验温度为15℃,拉伸速度为5cm/min。
3.4.2试验仪器和材料
(1)延度仪:
延度仪的测量长度不宜大于15cm,仪器应有自动控温、控诉系统;
(2)试模:
黄铜制,由两个端点和两个侧模组成,试模内侧粗糙度Ra0.2μm;
(3)试模底板:
玻璃板或磨光的铜板、不锈钢板;
(4)温度计:
量程0~50℃,分度值0.1℃;
(5)恒温水槽、加热炉具、甘油滑石粉隔离剂、平刮刀和石棉网等。
3.4.3试验步骤
(1)将保温后的试件连同底板移入延度仪的水槽中,然后将盛有试样的试模自玻璃板或不锈钢板上取下,将试模两端的孔分别套在滑板及槽端固定板的金属柱上,并取下侧模。
水面距试件表面不小于25mm。
(2)开动延度仪,并注意观察试样的延伸情况,此时应注意,在试验过程中,水温应始终保持在试验温度规定范围内,且仪器不得有振动,水面不得有晃动,当水槽采用循环水时,应暂时中断循环,停止水流。
在试验中,当发现沥青细丝浮于水面或沉入槽底时,应在水中加入酒精或食盐,调整水的密度至与试样相近后,重新试验。
(2)试件拉断时,读取指针所指标尺上的读数,以cm计,在正常情况下,试件延伸时应成锥尖状,拉断时实际断面接近于零。
如不能得到这种结果,则应在报告中注明。
3.4.4数据处理
同一样品,每次平行试验不少于3个,如3个测定结果均大于100cm,试验结果记作“>
100cm”;
特殊需要也可分别记录实测值。
3个测定结果中,当有一个以上的测定值小于100cm时,若最大值与最小值与平均值之差满足重复性试验要求,则取3个测定结果的平均值的整数作为延调度试验结果,若平均值大于100cm,记作“>
若最大值或最小值与平均值之差不符合重复性试验要求时,试验应重复进行。
当试验结果小于100cm时。
重复性试验的允许误差为平均值的20%,再现性试验的允许误差为平均值的30%。
本次试验中测得15℃下,延度分别为882mm、928mm、974mm.,其试验重复性的误差均在10%以内,所以此次试验3个数据均合格。
4乳化剂对沥青材料性能的研究
4.1数据处理与分析
本试验采用双十二烷基二甲基氯化铵乳化后的乳化沥青,具体的各项技术指标见表4-1。
表4-1未乳化沥青与乳化后沥青的三大指标对比
未乳化沥青
乳化沥青
针入度(15oC,100g,5s)/0.1mm
103.3
49.0
928
实验结果表明:
乳化后的沥青,在对其残留物进行检测,其各项要指标发生的变化主要表现为三种类型:
1)相对乳化前,针入度有所提高,其中提高最多的为26.0%;
2)乳化前后的软化点差不大,基本保持不变;
3)延度在沥青乳化后会有较大的变化,有一定程度的降低,延度降低了31.9%。
综上,双十二烷基二甲基氯化铵乳化剂的加入是影响沥青性能的重要指标,沥青乳化后的软化点较乳化前没有多大的变化,针入度有一定的提高,而受乳化剂影响最大的为沥青的延度,大大降低了沥青的延度。
4.2结论分析
乳化剂分子结构模型是由不对称的极性部分和非极性部分构成的有机化合物分子,亦称亲水基团和亲油基团乳化剂。
在乳化沥青中起到一个桥梁的作用,它将沥青微粒和水分子能紧密的联结起来。
但是亲油基的碳链必须有一定的长度碳链太短不足以形成牢固的保护膜而起不到乳化作用,就不能作为沥青乳化剂,并且碳链越长,降低水的表面张力作用也就越大,乳化剂相应的乳化能力也就越强。
本实验生要用的是阳离子乳化剂制备的乳化沥青
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- 使用 十二 烷基 甲基 氯化铵 制备 乳化 沥青 及其 性能 研究