贮运条件对SBS改性乳化沥青稳定性的影响

李海英，刘宝举，侯伟林

(中南大学土木工程学院，中国 长沙 410075)

贮运条件对SBS改性乳化沥青稳定性的影响

李海英，刘宝举，侯伟林

(中南大学土木工程学院，中国 长沙 410075)

研究了存放温度、贮运条件和贮存容器等对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性乳化沥青贮存稳定性的影响.试验结果表明，乳化沥青的稳定性随着存放时间的延长而逐渐降低；存放时间相同，贮存温度不同时，温度越高，乳化沥青的稳定性越差；贮存时间相同时，在试验室存放样品的稳定性比在汽车上存放的好；铝制容器与塑料制容器存放样品贮存稳定性相差不大，铁制容器存放样品的稳定性较差.在贮存温度、贮运条件和贮存容器3个因素中，对乳化沥青贮存影响最大的是铁质容器，最小的是40 ℃贮存温度.

乳化沥青；贮存稳定性；温度；贮运条件；贮存容器

由于沥青本身具有的弱点，因此乳化沥青无法摆脱易老化、温度敏感性大等缺点.在沥青和乳化沥青中加入各种聚合物改性剂，可以大大改善沥青和乳化沥青的性能.随着我国高速铁路的快速建设，水泥乳化沥青砂浆已被大量使用.采用乳化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青制成乳液将会显著改善乳化沥青的性能，也有助于提高水泥乳化沥青砂浆的性能.

沥青乳液是一种不稳定的悬浮液，其贮存稳定性与乳化工艺、乳化剂体系、温度、固含量等因素有关.乳化工艺影响到乳化沥青颗粒的大小和分散性，乳化体系决定了沥青乳液中沥青颗粒表面的电荷性质、pH值和破乳速度等，这些均对沥青乳液的稳定性起着决定性作用.从热力学的角度来看，任何乳液都是不稳定体系，随着时间的推移、环境温度的变化或接触介质的变化，均会引起乳液分层、絮凝和聚集，最终导致破乳[1-9].

SBS改性沥青乳液在贮存过程中，会发生分层现象，但经过重新搅拌后，SBS改性沥青乳液的性能发生变化，产生变化的原因可能与细小的沥青颗粒在布朗运动的作用下发生凝聚成为大颗粒有关[10]，也可能与内部水分的析出有关[11].同时，温度的变化可能会加速或减缓该变化过程.SBS改性沥青乳液在装运过程中可能会受到污染.运输车辆的振荡使沥清乳液的结构被破坏，从而降低其机械稳定性[12].

现有的研究主要讨论沥青乳液贮存稳定性的影响因素，特别是贮存温度和时间的影响，而很少涉及贮运条件对乳化沥青稳定性的影响.王发洲等人[13]研究了贮存温度和时间对乳化沥青稳定性的影响，认为温度对乳液稳定性有显著影响，较高的温度下沥青乳液更容易聚结.本文主要研究贮存温度、贮运条件和贮存容器对SBS改性沥青乳液稳定性的影响.

1 试验

1.1 原材料

SBS改性乳化沥青：南粤物流生产，主要性能指标如表1所示.

1.2 试验方法

乳化沥青贮存稳定性试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[14]进行.乳化沥青颗粒分布采用激光粒度计(Winner 2000型)测量.

1.3 试验方案

试验一：取同一批次SBS改性乳化沥青样品5份，分别放到养护箱内养护，养护温度分别为20，25，30，35，40 ℃，当养护时间达到1，3，5，7，10，15，20，25，30 d时，每份样品搅拌均匀，取300 g过1.18 mm筛，取筛下部分浇注稳定性试验管，然后分别测其5 d的贮存稳定性.

试验二：取同一批次SBS改性乳化沥青样品2份，一份放入实验室室温下存放，另一份放到汽车上存放，每天早晚运行不少于半小时.当存放时间达到1，3，5，7，10，15，20，25，30 d时，每份样品搅拌均匀，取300 g过1.18 mm筛，取筛下部分浇注稳定性试验管，然后分别测其5 d的贮存稳定性.

试验三：取同一批次SBS改性乳化沥青样品3份，分别放入密封的塑料容器、铝制容器和铁制容器中贮存，当存放时间达到1，3，5，7，10，15，20，25，30 d时，每份样品搅拌均匀，取300 g过1.18 mm筛，取筛下部分浇注稳定性试验管，然后分别测其5 d的贮存稳定性.

2 结果与分析

2.1 存放温度对沥青乳液贮存稳定性的影响

沥青乳液贮存稳定性随存放时间变化情况见图1.由图1可见：在同一温度条件下，存放时间越长，乳化沥青的稳定性越差；存放时间相同、贮存温度不同时，贮存温度越高，乳化沥青的稳定性越差，且存放时间越长，沥青乳液的贮存稳定性受温度影响越大；存放时间在7 d以下、存放温度不大于35 ℃时，温度对乳化沥青的贮存稳定性影响不大.

沥青乳液颗粒分布如图2所示.由图2可见，乳液中沥青微粒的大小随着存放温度的增加而逐渐增大，温度越高，沥青的粒径变化越明显.取样时的沥青乳液粒径分布类似正态分布，而贮存温度高的曲线出现两个峰，并且温度越高第一个峰的峰值越小，第二个峰的峰值越大.这里用D10表示粒径小于10 μm的沥青所占体积百分比，取样时D10=99.8；20 ℃环境存放的样品30 d后，其D10=96.77，25 ℃环境存放的样品D10=95.18，30 ℃环境存放的样品D10=88.91，35 ℃环境存放的样品D10=77.40，40 ℃环境存放的样品D10=57.22.存放温度对沥青微粒粒径大小与分布有显著影响.

不明究竟的王祥多少有些郁闷，在附近摊位上打听起老道的行踪，也没探出多少有用的消息。王祥突然想起之前拜码头时遇到过的叶总，听老道说过他神通广大，可能多少会知道些什么。

2.2 贮运条件对贮存稳定性的影响

在乳化沥青运送到施工现场的过程中，会因长时间的颠簸而产生破乳现象.试验模拟运输条件研究运输条件对乳化沥青稳定性的影响，试验结果见图3，乳化沥青颗粒分布如图4所示.

图3 贮运条件对沥青乳液稳定性的影响Fig.3 Influence of storage conditions on the stability

图4 乳化沥青的颗粒分布Fig.4 Particle size distribution of emulsified asphalt

由图3可以看出，乳化沥青的稳定性随着贮存时间的增加而逐渐变差，在同样的贮存时间下，在试验室存放的样品稳定性比在汽车上存放的好.这主要是因为在汽车上存放的样品不断受到车辆在运行过程产生的冲击和震动，大大增加了样品中沥青微粒之间相互碰撞的机率.当沥青微粒无限远时，其沥青微粒表面包封的乳化剂保护层并不是静止的，而是处于反复吸附与脱附的状态；当沥青微粒受冲击而接近时，由于静电斥力，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.如果接近的沥青微粒动能较小时，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；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，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，最终使吸附层受到破坏[12,18].

由图4可以看出，取样时沥青微粒粒径分布图近似正态分布，其中D10=98.6，波峰处的数值接近17%；而30 d之后，在试验室存放样品的粒径分布图上开始出现两个峰，且波峰处的数值接近16%；在汽车上存放样品的粒径分布图上明显出现两个峰，且波峰处的数值分别为11%和7%.这说明存放时间和贮运条件对乳化沥青微粒的粒径大小和分布均有较大影响，进而对改性乳化沥青的贮存稳定性产生不利影响.

2.3 贮存容器对贮存稳定性的影响

乳化沥青在贮存和运输过程中需要放在容器内，不同材质的容器对乳化沥青稳定性的影响如图5所示，颗粒粒径分布试验结果见图6.由图5可以看出：存放时间越长，乳化沥青的稳定性越差；铝制容器与塑料制容器存放样品其贮存稳定性差别不大，用铁制容器存放的样品稳定性比前两者差.

图5 贮存容器对沥青乳液稳定性的影响Fig.5 Influence of container on stability

图6 乳化沥青的颗粒分布Fig.6 Particle size distribution of emulsified asphalt

2.4 三种因素的比较

图7 3种影响因素对稳定性影响的比较Fig.7 The comparison of three factors

为了比较存放温度、贮存容器和贮运条件3种因素对乳化沥青稳定性影响程度，在其他因素相同的情况下对最不利的因素进行比较.结果如图7所示.由图7可以看出，当存放时间较短时，三者对乳化沥青5 d贮存稳定性的影响无明显区别；随着时间的延长，3种情况下存放样品的贮存稳定性都逐渐下降，变化速度有所不同.3种情况对乳化沥青贮存稳定性影响程度为：铁质容器影响最大，汽车上贮存稍大于40 ℃下存放.

3 结论

基于试验结果得出以下结论：

(1) 乳化沥青存放时间越长，其稳定性越差；在存放时间和环境相同的情况下，贮存温度越高，乳化沥青的稳定性越差；贮存时间越长，温度对贮存稳定性的影响越大；乳化沥青的颗粒随着贮存时间的延长或温度的升高而增大.

(2) 在同样的贮存时间和其他条件下，在试验室存放的样品稳定性比在汽车上存放的好.在车辆运输过程的颠簸会增加颗粒碰撞的几率，乳化沥青中小颗粒更容易凝聚成大颗粒.

(3) 铝制容器存放的样品与塑料制容器存放的样品贮存稳定性差别不大，但铁制容器存放样品的稳定性差；铁与酸之间的反应会导致沥青乳液颗粒变大，从而降低沥青乳液的稳定性.

(4) 在贮存温度、贮运条件和贮存容器3种影响因素中，对乳化沥青稳定性影响最大的是铁质容器，最小的是40 ℃贮存温度.

[1] 吴旷怀, 杨奇竹, 杨海清. 新型乳化SBS 改性沥青的研制与评价[J].中外公路，2007,27(1):159-162.

[2] HESP S A M, WOODHAMS R T. Asphalt-polyolefine emulsion breakdown[J]. Colloid Polym Sci, 1991,269(8):825-834.

[3] Ahmed M. Al-Sabagh. The relevance HLB of surfactants on the stability of asphalt emulsion[J]. Colloids Surf, A, 2002,204:73-83.

[4] LSACSSON U. A compilation of laboratory methods for studying stability of bitumen emulsions[J]. Mater Struct, 1985,18(3):228-236.

[5] 熊 萍, 郝培文. 改善SBS改性沥青储存稳定性的措施与机理分析[J].同济大学学报(自然科学版)，2006，34(5)：613-618.

[6] MERCADO R A, SALSGER L, SADTLER V,etal. Breaking of a cationic amine oil-in-water emulsion by pH increasing: rheological monitoring to modelize asphalt emulsion rupture[J]. Colloids Surf A, 2014,458:63-68.

[7] WANG F Z, LIU Y P, HU S G. Effect of early cement hydration on the chemical stability of asphalt emulsion[J].Constr Build Mater, 2013,42:146-151.

[8] ABDULLAH K, PER P, NICOLE K. Toward a new experimental method for measuring coalescence in bitumen emulsions: A study of two bitumen droplets[J]. Colloids Surf A, 2016,496:228-240.

[9] TAMBE D E, SHARMA M. Factors controlling the stability of colloid-stabilized emulsions[J]. J Colloid Interface Sci,1993,157(1):244-253.

[10] 仝保云,杜 勇,田金凯. 阳离子乳化改性沥青稳定性的影响因素[J].河北化工，2007,30(5):14-16.

[11] SUSAN F, ALAN J, EDWARD K,etal. Water enclosed within the droplets of bitumen emulsions and its relation to viscosity changes during storage[J]. Colloids Surf A, 1999,152(1/2):147-153.

[12] 刘尚乐. 乳化沥青及其在道路、建筑工程中的应用[M]. 北京:中国建材工业出版社, 2008.

[13] WANG F Z, LIU Y P, ZHANG Y H,etal. Experimental study on the stability of asphalt emulsion for CA mortar by laser diffraction technique[J]. Constr Build Mater, 2012,28:117-121.

[14] JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[15] 江 龙. 胶体化学概论[M]. 北京:科学出版社, 2002.

[16] 冯绪胜,刘洪国,郝京诚. 胶体化学[M]. 北京:化学工业出版社, 2005.

[17] 梁冰瑞, 陈昌国, 张洪武. 复合乳化沥青的流变特性研究[J].应用化工, 2010，39(7):1012-1015.

[18] WU X, CZARNECKI J. Interaction forces between bitumen droplets in water[J].Langmuir,1999,15(16):5244-5250.

(编辑 WJ)

On the Impact of Storage Conditions on the Stability of SBS Modified Asphalt Emulsion

LIHai-ying,LIUBao-ju*,HOUWei-lin

(Civil Engineering College, Central South University, Changsha 410075, China)

The impact of storage temperature, storage conditions and containers on the stability and particle size distribution of SBS modified asphalt emulsion was studied in this work. Our test results show that the stability of emulsified asphalt decreases with the storage time. Under the same storage time, the higher the storage temperature, the worse the stability of emulsified asphalt. The stability of asphalt emulsion stored in the laboratory is better than that in the car. The stability of asphalt emulsion stored in an aluminum container is same as that stored in a plastic container, but the stability of asphalt emulsion stored in an iron container is worst.

emulsified asphalt; storge stability; temperature; storage conditions; container

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.02.010

2016-09-22

国家自然科学基金资助项目 (50978256)

TB302.2

A

1000-2537(2017)02-0061-05

*通讯作者,E-mail：2438780998@qq.com