STAC沥青储存稳定性影响因素研究

2023-05-10缑永涛孔令云

重庆交通大学学报(自然科学版) 2023年3期

缑永涛,许磊,孔令云

(1. 宁夏交投高速公路管理有限公司,宁夏银川 750001;2. 仁寿县交通运输局,四川眉山 620599; 3. 重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074)

与传统沥青路面施工工艺相比,乳化沥青因其施工方便、节能环保等优势,在路面微表处、稀浆封层、冷再生技术、透层与黏层、水泥-乳化沥青路面及路面养护等方面被广泛应用[1-2]。乳化沥青是在机械作用下,将加热的沥青以细小颗粒形式分散到含有乳化剂和助剂的皂液中,形成的一种高分子分散胶体乳液。乳化沥青呈水包油状态,在常温下具有较好的流动性[3-4];但这种水包油的乳液在热力学上属于不稳定状态。稳定性对乳化沥青的储存、运输和破乳时间都有着重要影响[5],是衡量乳化沥青性能的重要指标[6]。

影响乳化沥青稳定性的因素众多,当前学界研究主要集中在乳化剂用量、酸碱性、沥青微粒粒径大小、温度及带电沥青微粒在电解质溶液中悬浮状态等方面[7-11]。作为乳化剂的一种,十八烷基三甲基氯化铵(STAC)属于季铵盐类阳离子,在20世纪70年代便由前苏联试制成功,并得到广泛应用[12]。

自阳离子乳化沥青诞生以来,便有许多学者针对其性能进行了研究。LIU Baoju等[13]研究发现:通过增加用水量能稀释水泥和沥青微粒,从而达到延长阳离子乳化沥青破乳时间的目的;杜雪洁等[14]研究发现:适当调节皂液pH可提高阳离子乳化沥青稳定性;王文峰等[15]研究发现:当粒径较小、分布较均匀时,乳化沥青的储存稳定性较好。综上,乳化沥青的储存稳定性受乳化条件影响较大,但以往的研究一般只分析了不同条件对乳化沥青性能的影响,对其性能的预测还较为鲜见。

近年来,BP神经网络被广泛应用于路面工程中。杨彦海等[16]通过神经网络模型对乳化沥青混合料性能进行了预测,当预测误差率集中在5%以内时,最大误差率为19%;翟登攀等[17]基于BP网络,对季冻区沥青路面预防性养护进行了分析。由此BP神经网络用于道路工程研究具有较高的准确性。

十八烷基三甲基氯化铵(STAC)是季铵盐类阳离子乳化剂的典型品种,也是目前乳化剂中应用较为广泛的一种。STAC属于快裂型乳化剂,具有良好的水溶性和乳化能力。因此,笔者选择STAC阳离子乳化沥青(以下简称“STAC沥青”)作为研究对象,利用小胶体磨制备阳离子乳化沥青,通过相关性能试验和灰色关联度分析,从沥青温度、乳化剂用量、油水比、皂液温度及皂液pH值等因素对阳离子乳化沥青储存稳定性的影响进行研究,并基于BP神经网络建立了各因素与乳化沥青储存稳定性之间的定量模型。

1 乳化沥青制备

1.1 沥青

笔者选用广东茂名70 #沥青作为基质沥青,其主要性能指标见表1[18]。

表1 沥青技术指标

1.2 乳化剂及皂液

笔者采用STAC作为阳离子乳化剂,购买于阿拉丁试剂网站。阳离子皂液采用STAC乳化剂+稳定剂无水氯化钙+pH调节剂盐酸+蒸馏水进行配置。

1.3 制备

1)将沥青在烘箱中加热至135 ℃左右备用;

2)将STAC和稳定剂(无水氯化钙)溶于55 ℃的水中,按照一定比例配制成皂液,并调节皂液的pH值(pH调节剂为盐酸);

3)将皂液经过胶体磨(德国Herbert Rink胶体磨)剪切一段时间,之后将一定温度沥青加入含有皂液胶体磨中剪切,在合适剪切时间之后放出胶体磨中的沥青并冷却,制备成STAC沥青,并密封保存。

2 影响因素分析

2.1 乳化剂用量

对STAC沥青而言,乳化剂用量是非常重要的参数,笔者分别设置了2%、 3%、 4%、 5%这4组用量。对照组制备工艺:沥青温度为135 ℃,油水比为5∶5,皂液温度为55 ℃,皂液pH值为3,稳定剂含量为0.2%。乳化剂用量对STAC沥青储存稳定性影响结果见图1(a)。由图1(a)可知:当乳化剂用量为3%时,STAC沥青的储存稳定性较好。但乳化剂用量细微的变化都可能会对STAC沥青性能造成较大影响,因此需要通过进一步试验确定乳化剂的最佳用量,试验后调整结果如图1(b)。

由图1(b)可知:当乳化剂用量在3.2%时,STAC沥青的储存稳定性较好;若继续提高乳化剂用量也难以改善STAC沥青的储存稳定性。因此,在制备STAC沥青时,笔者选择3.2%作为乳化剂最佳含量。

图1 乳化剂用量对STAC沥青储存稳定性影响

2.2 沥青温度

制备STAC沥青时,需要将沥青加热至合适的温度,以便其具有一定黏度和流动性,从而保证STAC沥青的乳化效果和稳定性[19]。为考察沥青温度对STAC沥青稳定性能影响,笔者分别设置了120、 125、 130、 135 ℃这4组沥青温度,对照组制备工艺:乳化剂用量为3.2%,油水比为5∶5,皂液温度为55 ℃,皂液pH值为3,稳定剂含量为0.2%。试验结果见图2。

图2 沥青温度对STAC沥青储存稳定性影响

由图2可知:当沥青温度为125 ℃时,STAC沥青储存稳定性最好;当温度为130、135 ℃时,STAC沥青储存稳定性变化不大,这说明STAC沥青储存稳定性在125～135 ℃之间时较为稳定;当温度低于125 ℃时,STAC沥青储存稳定性显著变差。故笔者选择125 ℃作为沥青温度。

2.3 油水比

笔者分别设置了4∶6、 5∶5、 5.5∶4.5、 6∶4这4组油水比,对照组制备工艺:沥青温度为135 ℃,乳化剂用量为3.2%,皂液温度为55 ℃,皂液pH值为3,稳定剂含量为0.2%。油水比对STAC沥青储存稳定性影响结果见图3。

图3 油水比对STAC沥青储存稳定性影响

由图3可知:在制备STAC沥青过程中,油水比过高或过低都不利于改善STAC沥青的储存稳定性。当油水比为5∶5时,STAC沥青储存稳定性较好。

2.4 皂液温度

笔者分别设置了50、 55、 60、 65 ℃这4组皂液温度,对照组制备工艺:沥青温度为135 ℃,乳化剂用量为3.2%,油水比为5∶5,皂液pH值为3,稳定剂含量为0.2%。皂液温度对STAC沥青储存稳定性影响结果见图4。

由图4可知:皂液温度过高或过低都会降低STAC沥青的储存稳定性。当皂液温度为55 ℃时,STAC沥青的储存稳定性较好。

2.5 皂液pH值

离子型的乳化剂在乳化前需要调整pH值才能使用[20]。笔者分别设置了pH=2、3、4、5这4组皂液pH值,pH调节剂为盐酸,对照组制备工艺:沥青温度为135 ℃,乳化剂用量为3.2%,油水比为5∶5,皂液温度为55 ℃,稳定剂含量0.2%。皂液pH值对STAC沥青储存稳定性影响结果见图5。由图5可知:STAC沥青在强酸环境中储存稳定性更好。故笔者将皂液pH值选为3。

图4 皂液温度对STAC沥青储存稳定性影响

图5 皂液pH值对STAC沥青储存稳定性影响

2.6 灰色关联度

通过试验得出的数据具有一定离散性,传统分析方法对多影响因素体系很难找到规律性的结果;而通过灰色关联分析能计算出系统与各影响因素间的关联度[21]。笔者以沥青温度、乳化剂用量、油水比、皂液温度及皂液pH值作为对比数列,分别以STAC沥青的1、 5 d储存稳定性作为参考数列,通过关联度值来判断各影响因素对稳定性的影响程度。其计算结果见图6。

图6 STAC沥青储存稳定性灰色关联度

由图6可知:对STAC沥青1 d储存稳定性而言,油水比和皂液温度影响较大;对STAC沥青5 d储存稳定性而言,沥青温度和皂液温度影响较大。其主要原因是:笔者先对影响稳定性较大的因素(乳化剂用量)进行了探索,在后续研究中均是采用合理的乳化剂用量,故在此基础上出现了乳化剂用量与稳定性关系不显著情况。由此可见,在乳化剂用量合理条件下,影响乳化沥青储存稳定性的关键因素为沥青温度和皂液温度。