乳化剂外掺对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响＊

刘宝举，陈 欢，宁少英

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

乳化剂外掺对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响＊

刘宝举，陈 欢，宁少英

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

为研究分析乳化剂外掺对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响，采用标准试验方法，分别考察搅拌速度，乳化剂种类、掺量、掺合方式以及pH值等不同影响因素对SBS改性沥青乳液储存稳定性的改善作用效果，并分析其内在关系。试验结果表明:搅拌速度＞1 000 r/min时，对其稳定性的影响较大，甚至出现破乳现象;而不论采取何种掺合方式，乳化剂外掺对储存稳定性改善作用均不明显;pH值过大或过小都将影响乳化剂分子的活性，进而影响SBS改性沥青乳液的储存稳定性，pH=4时，储存稳定性达到最优值。

SBS改性沥青乳液;储存稳定性;搅拌速度;乳化剂

SBS改性沥青乳液是板式无砟轨道结构中充填层的关键工程材料［1］，乳化沥青的基本性质及使用性能主要取决于所采用的乳化剂，所以，乳化剂是制备改性沥青乳液的关键性原材料。乳化剂占乳液总量的比例非常小，但其对改性沥青乳液的储存稳定性有很大影响。在改性沥青乳液中，沥青微粒表面被乳化剂分子所包围，形成乳化剂包封的分子膜。乳化剂吸附于沥青与水界面上形成界面吸附膜，界面膜有一定的强度，对分散的沥青微粒起保护作用。一般来说，形成界面膜的乳化剂分子作用力越大，膜强度越大，改性沥青乳液越稳定;作用力越小，膜强度越小，改性沥青乳液越不稳定。

目前，国内主要通过内掺乳化剂来生产改性乳化沥青，并对制备的改性沥青乳液稳定性进行研究。朱中华等［2］研究了阳离子慢裂快凝型沥青乳化剂剂量对改性乳化沥青性能的影响，认为乳化剂的剂量对1 d储存稳定性影响较大。才洪美等［3］以胜利90号基质沥青、SBS胶乳，采用二次热混合法制备改性乳化沥青，通过考察乳化剂用量及其水溶液的pH值、稳定剂种类和掺量等因素对改性乳化沥青稳定性的影响，认为乳化剂的最佳用量为1%，其水溶液的pH值为5～6，无机类和有机类稳定剂复配后对体系的稳定效果好。但内掺乳化剂生产的改性沥青乳液成本较高，施工时也会有一定的限制，而且乳化剂外掺对改性沥青乳液储存稳定性影响的国内外文献较少，本文通过研究外掺乳化剂，探讨了乳化剂外掺对改性沥青乳液储存稳定性的影响。

1 试验条件

1.1 原材料

SBS改性沥青乳液:主要性能指标见表 1;乳化剂:阿克苏诺贝尔生产的阳离子乳化剂R1，美德维实伟克生产的阳离子乳化剂R2，阿克苏诺贝尔生产的阴离子乳化剂R3，美德维实伟克生产的阴离子乳化剂R 4;盐酸:工业盐酸;氢氧化钠:分析纯，市售。

1.2 试验方法

在SBS改性沥青乳液中外掺乳化剂时，采用多功能分散机进行搅拌［4］，搅拌时间不超过5 min［5］，搅拌速度可调。改性沥青乳液稳定性测试按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052—2000)进行［6］。

表1 SBS改性沥青乳液主要性能指标Table 1 Properties of SBS modified asphalt emulsion

2 试验结果与分析

2.1 搅拌速度对储存稳定性的影响

搅拌速度对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响如图1所示。当搅拌速度在1 000 r/min以下时，SBS改性沥青乳液的5 d储存稳定性变化较小，当搅拌速度达到1 000 r/min时，SBS改性沥青乳液储存稳定性值显著增大，乳液甚至出现破乳现象。

图1 搅拌速度对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响Fig.1 Influence of stirring rate on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion

图2 沥青微粒接近引起双电层的变化(箭头表示和其它颗粒接近的方向)Fig.2 The change of double electrical layer due to the asphalt particle closer(the arrows indicate the particles close to others)

改性沥青乳液在搅拌过程中，沥青微粒之间相互碰撞的机率增大，沥青微粒无限远时，其沥青微粒表面包封的乳化剂保护层并不是静止的，而处于反复吸附与脱附的状态(图2)。当沥青微粒受冲击而接近时，由于静电相斥，沥青微粒尽量地离开接近点，此时会产生将沥青微粒推向远方的斥力［7］。如果接近的沥青微粒动能较小，如搅拌速度为1 000 r/min以下时，其能量完全消耗于为使双电层变形所做的功，致使两个沥青微粒再度接触，其离子分布又再度回到吸附与脱附平衡状态(图2)。当沥青微粒受冲击的动能比微粒间相互作用的势能屏障大得多，如搅拌速度大于1 000 r/min时，尤其是乳化剂对沥青颗粒亲和力小的情况下，由于微粒之间的接近，离子的脱附速度加快，引起脱附与吸附相对速度的变化，使吸附层受到破坏(图2)，沥青与水分离，从而产生破乳现象［8］。

2.2 乳化剂种类和掺量对储存稳定性的影响

搅拌速度为400 r/min，搅拌时间为5 min，逐步增加乳化剂的掺量，研究搅拌作用下乳化剂外掺对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响。试验结果如图3所示。

图3 乳化剂种类和掺量对SBS改性乳液储存稳定性的影响Fig.3 Influence of emulsifier types and content on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion

由图3试验结果可知:(1)乳化剂外掺不如内掺效果好［9］;(2)外掺阳离子乳化剂 R1对改善SBS改性沥青乳液的稳定性效果不佳，甚至有反作用;(3)外掺阳离子乳化剂R2、阴离子乳化剂R3或R4对改善SBS改性沥青乳液的稳定性有一定的作用，掺入量均为0.1%时，稳定性最好，但作用效果不明显。

产生上述试验结果的原因有三:一是虽然高速分散机产生搅拌作用，但是乳化剂外掺不如内掺效果好，外掺法容易使乳液自身颗粒聚集增大，不能使沥青乳液与乳化剂有机结合成一个整体，乳化剂分子在沥青微粒表面不能形成坚固的分子膜，使整个沥青乳液体系不稳定［10］;二是虽然乳化剂外掺不如内掺效果好，但是乳化剂的分子结构对沥青乳液的乳化效果有着至关重要的作用。如果所选取的乳化剂有良好的乳化效果，且与SBS胶乳有良好的配伍性(例如:阳离子乳化剂R2)。在共同作用下，乳化剂外掺对改善SBS改性沥青乳液的稳定性也会有一定的作用;三是生产出的SBS改性沥青乳液中乳化剂的掺量可能已达到了最佳，再外掺乳化剂起的作用不明显，甚至有反作用。

2.3 复合乳化剂对储存稳定性的影响

将乳化剂R1，R2，R3和R4分别进行复配，进行复合乳化剂的外掺试验，试验结果如图4所示。

图4 复合乳化剂对SBS改性沥青沥青乳液储存稳定性的影响Fig.4 Influence of compound emulsifier on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion

从图4可以看出:(1)阳离子乳化剂复合后外掺，随着同类型复合乳化剂掺量的增加，沥青乳液的5 d稳定性值呈现先逐渐减小后又逐渐增大的趋势;乳化剂的用量在0.1% ～0.3%范围内时，储存稳定性较好;(2)阳离子乳化剂R1和阴离子乳化剂R3复合后外掺，规律与阴离子乳化剂复合后外掺相似，随着复合乳化剂掺量的增加，SBS改性沥青乳液的储存稳定性变差;(3)阳离子乳化剂R1和阴离子乳化剂R4复合后外掺，随着阳－阴复合乳化剂掺量的增加，沥青乳液的5 d稳定性值呈现先逐渐减小后又逐渐增大的趋势。当复合乳化剂掺量为0.4%时，SBS改性沥青乳液的储存稳定性最好;(4)阳离子乳化剂R2和阴离子乳化剂R3复合后外掺，规律与(3)相似，当复合乳化剂掺量为0.2%时，SBS改性沥青乳液的储存稳定性最好。且当复合乳化剂掺量大于0.3%时，沥青乳液的5 d稳定性变化不大;(5)阳离子乳化剂R2和阴离子乳化剂R4复合后外掺，对沥青乳液的5 d稳定性影响不大。

与图3相似，复合乳化剂外掺不如内掺效果好［9］，但从图3和图4比较中可以看出，复合乳化剂外掺制备的沥青乳液的储存稳定性较单掺的要好。这可能是因为复合乳化剂在沥青与水的界面上形成的界面膜，比单一乳化剂形成的界面膜有更高的机械强度，对分散的沥青微粒有较好的保护作用。当沥青液滴发生碰撞时，不易发生聚集，可形成稳定的乳化沥青。而对于外掺的部分复合乳化剂(例如:阳离子乳化剂R1和阴离子乳化剂R3复合)，对SBS改性沥青乳液的储存稳定性改善作用不明显的原因有二:一是多功能分散机的搅拌作用仍然代替不了胶体磨的剪切作用，并不能将乳化剂均匀的分散于SBS改性沥青乳液中，从而达不到很好的乳化效果;二是某些阳离子乳化剂和阴离子乳化剂是不能混合使用的，因电离后电性相反，若混合在一起使用，易产生沉淀和失去活性，很难制得稳定的乳化沥青。

2.4 pH值对储存稳定性的影响

SBS改性沥青乳液的pH值在4左右，采用盐酸或氢氧化钠来调节SBS改性沥青乳液的pH值［11］，试验研究乳液pH值对改性沥青乳液储存稳定性的影响。试验结果如图5所示。

从图5可以看出，pH值为4的时候，乳液的储存稳定性最好，改性沥青乳液pH值变大或变小时，其储存稳定性没有得到改善［12］。这可能是因为pH值为4时乳化剂的溶解度最大，乳化剂分子的活性最高，使乳液中未充分乳化的沥青颗粒减少，所以生产出的SBS改性沥青乳液稳定性最好。

图5 pH值对SBS改性沥青乳液储存稳定性的影响Fig.5 Influence of pH on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion

3 结论

(1)当搅拌速度在1 000 r/min以下时，SBS改性沥青乳液的5 d储存稳定性变化较小，当搅拌速度达到1 000 r/min时，SBS改性沥青乳液稳定性值显著增大，沥青乳液甚至出现破乳现象。

(2)不论采取何种掺合方式，乳化剂外掺对SBS改性沥青乳液的储存稳定性改善作用均不明显。

(3)SBS改性沥青乳液的储存稳定性值随着pH值的增加先增大后减小，pH值为4时，乳液的储存稳定性最好，pH值过大或过小都将影响乳化剂分子的活性。

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The influence of mixing emulsifier on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion

LIU Bao-ju，CHEN Huan，NING Shao-ying

(School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

The standard test method was adopted in order to investigate the influence of mixing emulsifier on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion.The influence of stirring rate，the type and dosage of emulsifier，the mixing way and the pH value or storage stability of SBS modified asphalt emulsion was investigated，and their internal relationship was analyzed.The experimental results indicate that the stirring rate would have greatly effect on storage stability if it was greater than 1 000 r/min，and even cause breaking phenomenon.The improvement effect of mixing emulsifier on the storage stability was not obvious no matter what mixing way we used.The pH would influence the emulsifier molecular activity whether it was too large or too small，and then impacted on the storage stability of SBS modified asphalt emulsion.The storage stability of emulsion is the best when the pH is 4.

SBS modified asphalt emulsion;storage stability;stirring rate;emulsifier

TV442+.2

A

1672－7029(2011)05－0026－05

2011－05－30

国家自然科学基金资助项目(50978256)

刘宝举(1970－)，男，安徽全椒人，博士，副教授，从事沥青、粉煤灰、高性能混凝土的研究