乳化沥青的流变行为初步研究

贾少磊， 刘国祥， 郭 宁， 王广兵

（中国石油大学（华东）山东石大科技集团有限公司，山东东营257061）

常用的乳化沥青主要由沥青、水、乳化剂组成，根据需要，有时含有某些添加剂，水为连续相，沥青为分散相。由于可以在较低温度下使用，乳化沥青在环境友好、节能和安全方面具有很大的优势［1］。流变学是研究材料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动规律的学科，其主要研究对象是非牛顿流体［2］。研究表明，乳化沥青的黏度与沥青的质量分数［3－5］、平均颗粒直径的大小与分布［3－4，6］、界面膜的流变性［7－8］以及加入的电解质［9］和增稠剂［10－11］、温度［12－13］等因素相关。非牛顿型乳化沥青的黏度为剪切速率的函数。在乳化沥青的施工与输送过程中，需要其具有合适的流变学性质［3］，乳化沥青的流变性常常与其用途相关。然而，迄今已发表的相关研究并不是很多。

沥青质量分数约为0.66，是乳化沥青由纯黏性行为转变为黏弹性行为的临界点［14］。为了研究和比较常规质量分数与近临界质量分数乳化沥青的流变学性质，分别制备了沥青质量分数为0.60和0.70的阳离子型乳化沥青。采用旋转黏度计研究了其流变学行为。

1 实验部分

1.1 实验材料

沥青：软化点47.0℃；针入度75（0.1mm）；135℃下黏度为333mPa·s；乳化剂：十六烷基三甲基溴化铵，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 乳化沥青试样制备

采用高速剪切机，在12 000r／min剪切速率下，按设计量将熔融的沥青（135℃）缓慢加入到65℃的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，然后继续剪切5min。制备的乳化沥青在室温下密闭存放24h后，分别测定黏度。为了避免杂质的影响，实验使用蒸馏水，不加入电解质和增稠剂等其他任何物质。乳化剂质量占乳化沥青总质量的1.0%。

1.3 黏度的测定

采用NDJ旋转黏度计，测定温度为23～51℃，剪切速率为5～50r／min。

2 结果与讨论

2.1 剪切速率与黏度的关系

流变性是指溶液承受的剪切应力与剪切速率的相互关系［14］。流体流动时，剪切应力（τ）与剪切速率（γ）服从幂律关系，如式（1）所示：

式中：c为复合流动指数，反映流体流动的复杂程度，通常认为，牛顿流体的剪切应力与剪切速率之比为常数，即牛顿流体的流动指数c＝1；非牛顿流体的流动指数小于或大于1，如果c＜1，则表观黏度随剪切速率增大而下降，如果c＞1，则表观黏度随剪切速率增大而增大。

G.A.Nunez等［3］测定了颗粒直径呈单峰分布、粒径为20μm、质量分数分别为0.40、0.70和0.80的乳化沥青在30℃下的黏度，结果表明，质量分数为0.40的乳化沥青表现为牛顿流体的流变行为，质量分数大于等于0.70的乳化沥青为非牛顿流体。梁冰瑞等［12］的研究结果表明乳化沥青在一定程度上显示出了假塑型流体的特性。

图1给出了乳化沥青在不同剪切速率下的黏度。

图1 剪切速率对表观黏度的影响Fig.1 Effect of shere rate on the apparant viscosity

从图1中可以看出，乳化沥青的黏度随剪切速率的改变而变化，因此为表观黏度。关联乳化沥青表观黏度与剪切速率的数据可得二者关系可表示为式（3）：

比较式（2）和式（3）可得c－1＝－n，即c＝1－n。

关联所得n值和相关性系数R2见表1。结合表1中n值可知c＜1。据此可认为，试验条件下乳化沥青为非牛顿流体，其特点是黏度随剪切速率增大而下降。表1中相关性系数显示，质量分数为0.60的乳化沥青的相关性0.984 9，而质量分数为0.70的乳化沥青的相关性仅为0.764 8，表明式（3）可很好地描述质量分数为0.60的乳化沥青的剪切速率与表观黏度的关系，对于质量分数为0.70的乳化沥青则稍差。

表1 关联乳化沥青的流变学性质的参数Table1 The parameters associating the rheological properties of emulsified asphalt

2.2 温度对黏度的影响

随着温度的升高，乳化沥青的表观黏度有不同程度的下降。D.V.Lyttleton［13］的研究结果显示乳化沥青的表观黏度随温度的变化较小，乳化沥青的感温性小。

图2显示采用NDJ旋转黏度计，测定温度为23～51℃，剪切速率为5～50r／min时乳化沥青的表观黏度。

图2 温度对表观黏度的影响Fig.2 Influence of temperature on apparent viscosity

由图2可见，随着温度的升高，乳化沥青的表观黏度下降，但研究所用的两种浓度的乳化沥青黏度下降程度显然不同。在相同的温度下，质量分数为0.70的乳化沥青的黏度明显高于质量分数为0.60的乳化沥青的黏度。

关联图2中表观黏度与温度数据可以得到乳化沥青表观黏度与温度的关系如式（4）所示：

式中：ηa为表观黏度，A、B 为常数。由式（4）可见，B值的大小反映温度对表观黏度的影响，B值越大则温度对表观黏度的影响越大。质量分数为0.70时，B值为1.439 3，质量分数为0.60时，B 值为0.981 0，二者之比为1.467 2，可见较高质量分数的乳化沥青的表观黏度对温度的变化更敏感。

2.3 乳化沥青的表观流动活化能

Arrhenius公式（5）可用于反映流体流动所需活化能：

式中：Ea为活化能，kJ／mol；A 为指前因子，由lnηa与1／Tk的关系得到；Tk为绝对温度，K；R＝8.314 J／（mol·K），为气体速率常数。

由图2中的数据计算得到lnηa与1／Tk数据，根据计算所得数据作图3，由图3中直线的斜率与R之积得表观活化能Ea，结果见表1。计算所得表观活化能数据显示，质量分数为0.70时，Ea＝31.363 7kJ／mol，质量分数为0.60时，Ea＝22.607 4kJ／mol，这表明较高质量分数的乳化沥青不易流动，流动所需能垒较高，反之亦然。上述结果与 M.Ahmed［7］所计算的非离子乳化沥青的活化能相近。

图3 lnηa与1／Tk 的关系Fig.3 Relationship of lnηaand 1／Tk

3 结论

乳化沥青的流变性受沥青质量分数和温度的影响。在试验条件范围内，乳化沥青试样的表观黏度随剪切速率变化，属于非牛顿流体。表观黏度随温度的升高按乘幂规律下降，较高质量分数的乳化沥青，表观黏度受温度变化的影响较大，流动时需要克服较高的能垒。

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