乳化沥青破乳过程热效应分析

申华杰, 侯曙光

(南京工业大学交通运输工程学院, 南京 210009)

沥青是一种物理结构和化学组分较为复杂的体系, 随温度的变化,沥青中的物质状态随之改变．Tinsley等[1]研究发现因沥青质导致蜡晶沉降, 在温度环境相同时,蜡晶从混合液中分离出来的难度大．乳化沥青则是在沥青的基础上生产出的一种更为复杂多变的体系, 通过热熔的沥青与含有乳化剂的皂液一起经过胶体磨的机械作用,使沥青以微小的颗粒分散在含有乳化剂的水溶液中,形成水包油(O/W)的乳状液．乳化沥青内部组分存在固液两种相态, 因不同相中物质的分子间相互作用力不同, 导致物理性质存在较大差异,而乳化沥青的实际性质是其中众多组分性质的综合体现[2-4]．Taylor[5]研究了水包油型乳化沥青的热不稳定性, 指出水包油乳化沥青的温度达到乳化剂的浊点时可实现有效分解; Dalmazzone等[6-7]应用高压差式量热扫描分析法, 研究了不同温度下水包油乳液中甲烷水合物形成的动力学; Ronald等[8]利用DSC分析仪研究了深海钻井液中分散于稳定乳液的甲烷水合物形成的动力学．如果乳化沥青在某一温度下发生聚集态转变的组分越多,则乳化沥青吸收(或释放)的热量越多,乳化沥青的高温稳定性越好,更不容易发生破乳现象[9]．在温度升高的过程中,各组分性质改变的细微影响集中在一起会对乳化沥青的宏观性能(特别是热稳定性)产生影响, 同时伴有吸热现象,因而会形成吸热峰;当温度降低时,聚集状态从液态变化为固态, 此时会形成放热峰[10-11]．本文拟利用差示扫描量热法通过测定慢裂慢凝型、慢裂快凝型、中裂型和快裂型4种不同类型乳化沥青的热量变化, 以期定性评价不同乳化沥青的破乳性能．

1 试验部分

1.1 样品与仪器

70号基质沥青(中海公司, 泰州), 主要性能指标如表1所示; 阳离子乳化剂KZW-803C慢裂慢凝型(MM)、KZW-801U慢裂快凝型(MK)、KZW-802中裂型(ZL)、KZW-802K-1快裂型(KL)乳化剂(康泽威科技有限公司, 天津)．沥青乳化采用JM-5乳化沥青试验机(江阴鑫路公司,江阴)．

表1 基质沥青技术指标

1.2 样品制备方法

1) 加热沥青. 严格控制沥青加热温度,若加热温度不够高,沥青流动性较低,则生产的乳化沥青颗粒过大;但温度过高,会使皂液蒸发过快．本文加热温度设为140℃．

2) 制备皂液. 将乳化剂加入到60～65 ℃水中,并用稀盐酸(无锡净洁科技有限公司,AR)将溶液pH值调至2～3, 同时不断搅拌,直至乳化剂完全溶解,备用．

3) 乳化沥青制备. 按油水质量比为60∶40, 慢裂慢凝型(MM)和慢裂快凝型(MK)乳化剂的质量分数为2%,中裂型(ZL)和快裂型(KL)乳化剂的质量分数为0.8%, 与60 ℃皂液一起加入预热好的胶体磨中, 并使转子转速达4 000 r·min-1, 待空气排净后缓慢加入预热好的沥青,运行1 min, 得到乳化沥青, 其性能指标见表2．

表2 乳化沥青性能指标

1.3 测试条件

采用德国NETZSCH公司的DSC-204型差示扫描量热分析仪, 取样量为5～10 mg, 测定温度为-60～180 ℃, 升温速率10 ℃·min-1, 氮气流速20 mL·min-1．

2 结果与分析

图1 乳化沥青DSC曲线Fig.1 DSC curve of emulsified asphalt

图1为4种乳化沥青样品的DSC曲线, 表3为乳化沥青的吸热峰数据．由图1和表3可见, 4种乳化沥青分别在-0.2～6.2, -1.6～5.4, -1.8～3.8, -1.6～3.6 ℃出现第一个较明显的吸热峰, 此时乳化沥青中的水由固态逐渐转变为液态．第二个吸热峰代表沥青乳液的破乳过程,临界温度和吸收热量随乳化剂的不同而变化; KL和ZL的峰值温度较MM和MK低, 说明KL和ZL沥青乳液破乳快于MM和MK,故KL和ZL在工程中多应用于喷洒,而MM和MK多应用于拌合．根据热力学原理,体系在温度变化过程中内部会产生变化,如化学反应或者聚集状态改变,使体系吸收或释放能量[12]．由于乳化沥青是惰性物质,故乳化沥青在温度升高的过程中出现的吸热峰暗示体系的聚集状态发生改变,说明此时乳化沥青发生了破乳现象且部分组分完成了聚集状态的转变．具有较高吸热量的沥青乳液需要更多的能量用于破乳过程,这意味着沥青乳液具有更高的热稳定性．此外,慢裂快凝及中裂型乳化沥青在90 ℃以后出现了一个较小的吸热峰,这是样品中残留的乳化剂及沥青中部分组分发生了反应所致．乳化沥青的破乳会发生在某一温度区间,通过对吸热峰的起止时间的观察,能够分析出乳化沥青破乳过程发生的温度区间,同时吸热峰的大小也能较好地反映乳化沥青的热性能．

表3 乳化沥青DSC吸热峰数据

3 结论

1) 4种不同乳化剂的乳化沥青在-0.2～6.2, -1.6～5.4, -1.8～3.8, -1.6～3.6 ℃以及51.9～80.2, 60.5～92.8, 40.1～71.9, 39.3～69.5 ℃之间均会发生聚集态转化,虽然很难根据差式量热扫描曲线中出现的吸放热峰定量计算物质组分发生改变的量,但根据吸放热量及临界温度对乳化沥青进行定性评价是可行的．

2) 可根据吸热峰值来表征乳化沥青的热稳定性, 吸热峰值越大,说明需要更多的能量用于破乳过程,则乳化沥青的热稳定性越高, 故可利用DSC方法来验证和判断乳化沥青的高温性能,并指导路用乳化沥青的选择．