乳化沥青、环氧沥青的生产及性能研究

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乳化沥青的发展
时间
进展要点
20世纪初
乳化沥青开始研制，用于喷洒路面
~20世纪20年代 商品化生产，并于道路建筑，主阴离子乳化沥青
20世纪60年代末 阳离子乳化沥青
20世纪70年代 1980年
德国开展对聚合物改性乳化沥青稀浆封层的研究 美国采用精细表面处治技术
~至今
发展慢裂快凝型乳化沥青
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乳化沥青的重要技术
乳化沥青、环氧沥青的生产及性能研究
余波 南京工业大学
2013.09
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乳化沥青基本知识 乳化沥青的生产环节简介 乳化沥青的技术使用
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什么是乳化沥青，改 性乳化沥青？
乳化沥青是指将沥青微粒通过机械剪切的方式分散于水中所形成的乳化 液。
乳化沥青成分：石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经乳化加工制得 的均匀沥青产品。
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西安市政使用V S S 设备的粒径分布
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不理想的粒径分布
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粒径和均匀度的分析
平均粒径为2.5微米；2.89微米以下的占 90% ；4.00微米以下占96.7% ；5.01微 米以下占98% 。
是一个非常好的结构。 乳化沥青的各种性能都非常好。 可以储存2-3个月以上。
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R-NH2+H+→R-NH3+ 随着pH值降低，乳化剂的亲水性增强，具有更好的溶解性 和电离度，增强了乳化剂本身的活性和乳化能力，提高乳化沥 青的储存稳定性。
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乳化沥青生产原理
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乳化沥青的生产要点
35%
盐酸 + 胺 水
60-65%
沥青
基质沥青必须稳定 沥青微粒研磨的大小是生产的关键 生产过程的科学性和高质量实现 实时的温度，酸碱度控制 计量精确及可追踪性是生产乳化沥青的根本 配套设施(管道，加热系统，冷却系统等)的合理性，维护便捷
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乳化沥青应用实例
碎石封层封层
坑槽修补,道路整形,加 宽
微表处及稀浆封层
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乳化沥青应用实例
薄层沥青混凝土的粘油 层
场拌冷再生
就地冷再生
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同步封层技术（1） ：传统解 决方案
拖挂式 骨料置于拖车 翻斗式骨料撒布 自卸斗较高 骨料上料需回料场
皮带机进料式 解决了骨料上料问题 结构较复杂 不便于装载机上料 控制繁琐
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同步封层技术（2） ：完美解决 方案
Helios“影像－控制” 智能系统
路面影像扫 描：将路面 分成8个作 业面，根据 缺陷形态定 义作业面
Helios计算机系统：接受影响定位信号， 精准控制作业面
智能型沥青碎石同步封层设备 －－Viasealer！划时代的解决方案！ 无需操作员车后控制，控制简单 无论养护还是建设，均可大显身手！
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颗粒细度对乳化沥青性能的影响
理想的粒径为3微米左右，90% 以上的粒 径应该小于7 微米。
粒径越小——拌合时间越短——成型越快 粒径越大——拌合时间就越长——成型时
间也会加长。
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粒径的均匀度对乳化沥青性能的影响
粒径分布越集中均匀度越好，拌合、固化、 储存的稳定性越好。
有的乳化沥青只能储存几天，而有的乳化 沥青可以储存几个月，除了与选择的基质 沥青、乳化剂等原材料有关系外，主要取 决于乳化沥青颗粒的细度和均匀度。
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影响因素
乳乳化化剂剂体体系系 乳乳化化工工艺艺条条件件 沥沥青青的的特特性性
寻寻找找沥沥青青与与乳乳化化剂剂 之之间间进进行行匹匹配配的的内内 在在规规律律及及影影响响乳乳化化 沥沥青青稳稳定定的的内内在在因因 素素
为制备储存稳定的高档乳化沥青提供依据
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三 乳化剂体系对乳化沥青储存稳定性影响
定子
变频电机驱动与控制 高效热交换系统配合
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经常会有人问：
同一个胶体磨是不是既可以生产 改性沥青又可以生产改性乳化沥 青？
回答是：不能！！！
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为什么不能？
因为剪切机理不同，胶体磨的定子 和转子的齿形必须不同；
因为工作环境不同，定子和转子甚 至包括壳体选用的材质必须不同；
摊铺在路面上形成的沥青封层。可以提高路面防滑能力、增加路面色彩对
比度、改善路面性能、延长路面使用寿命，而且在面层不发生塑性变形的
条件下可修复深达度车辙而无需碾压，并且十分稳定、与原路面粘附得非
常牢固。
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乳化沥青的重要技术
5. 乳化沥青冷再生技术：可采用乳化沥青作为稳定剂,乳化沥青具有和
易性好、裹覆层薄等优点,还可提高路面抗滑耐磨性能,并可在常温状态下 施工,不仅节约了能源, 节省沥青原料、碎石等原材料的用量，节省投资， 利于处理废料、保护环境、具有一定的经济效益和社会效益。
和水按照一定的比例拌合而成的流动状态的沥青混合料，将其均匀的摊铺
在路面上形成的沥青封层。是一种良好的密封材料，提高路面的防水、防
滑、耐磨性能；改善路面平整度，修复路面轻微车辙；使旧路返老还新，
延长路面使用寿命，推迟路面的大修周期；降低路面养护成本，施工方便，
开放交通早。
4. 微表处技术：采用聚合物改性乳化沥青拌合沥青混合料，将其均匀的
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同步封层技术：施工实例
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同步封层技术：施工实例
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施工现场摊铺的微表处试验段
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乳化沥青的分类
乳化沥青分类标准
乳化剂的类型及微粒 所带的电荷 破乳速度
施工用途
类型
阴离子型、阳离子型、 非离子型
快裂型、中裂型、慢裂型 喷洒型：透层，粘层；
拌合型：稀浆封层，微表处
喷洒粘层油
微表处
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目前面临的问题
乳化剂结构 复合乳化剂 乳化剂的用量 皂液的pH值
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1 乳化剂结构
■—1d储存稳定性； ■—5d储存稳定性
乳化剂分子链长度顺序依次为R1=R2﹤R3=R4， R1、R3的取代基相同。
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2 复合乳化剂
■—1d储存稳定性； ■—5d储存稳定性
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3 乳化剂的用量
◆ —1d储存稳定性； ● —5d储存稳定性
改性乳化沥青：在制作乳化沥青过程中同时加入聚合物胶乳，或将聚合物胶 乳与乳化沥青成品混合，或对聚合物改性沥青进行乳化加工得到的乳化沥青 产品。
－《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40－2004
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一 乳化沥青简介
冷施工 粘附性 拌合均匀性
乳化沥青
节约原料 延长施工季节 减少环境污染
环保、节能
1. 乳化沥青碎石封层：具有一定粘度的乳化沥青与洁净干燥的均匀石料
喷洒在路面上，在外荷载作用下不断形成强度。流体沥青由于其表面张力， 使沥青沿石料表面向上爬升，并在石料的表面形成一个半月面，使石料被 沥青裹覆的面积达约70%，有足够的结合强度。铺筑后的封层有良好的抗裂 性能；碎石封层表面粗糙，改善了原路面的抗滑性能，提高公路路面的使 用功能及服务水平。
S B S 改性乳化沥青的必备条件。 胶体磨采用双机械密封，这样能够承受较
大的背压。 胶体磨的寿命要长。
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改性乳化沥青的生产
乳胶改性剂：SBR 、SBS 搅拌于皂液中 磨前加入 磨后加入
固态聚合物改性剂（固体S B S ） 改性沥青 ———— 乳化
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至关重要的胶体磨
转子
性
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乳化沥青生产流程图
原理:
准备好的 水溶解相 通过胶体 磨与沥青 及稀释剂 进行混合.
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集装箱式：宜“运”宜“定”，安装方 便
标准20尺集装箱，总重7吨 集装箱端部和侧面两个大门，便于管 理
把我运到您的工地， 您将省下许多运输 成品乳化沥青的成
本！
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乳化沥青设备对乳化沥青质量 的影响
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乳化沥青为粗分散体系，不能长时间储存； 乳化沥青的储存稳定性规律不明确，目前没有深 入的研究。
提高乳化沥青的储存稳定性至关重要
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二 沥青的乳化机理
O
HC2
HC2 C
CH2
HO CH O
OH
亲水部分
亲油部分
有亲水基团（极性的、疏油的） 疏水基团（非极性的、亲油的） 具有了油、水两相产生水乳交融效果的特殊功能
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4 乳化剂皂液pH值
6
5
储 存 稳 定 性/%
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
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pH 值
◆ —1d储存稳定性； ● —5d储存稳定性
随着乳化剂皂液pH值不断降低，稳定性显著提高。
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4 乳化剂皂液pH值
由于阳离子乳化剂分子中含有胺基，加入酸调节pH值后，氢 离子的加入可以改变乳化剂分子的电离平衡，发生中和反应：
乳化沥青生产流程图
皂液/乳胶流向磨前输入ຫໍສະໝຸດ 胶体磨间隙调节胶体磨
电机
乳化沥青输出
乳胶泵
沥青输入
皂液泵
乳胶输入 沥青泵 皂液输入
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沥青温度表
皂液温度表
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简易型改性乳化沥青试验机
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与建设施工相关的破坏现象
Storage stability of emulsion: Emulsions are required to remain homogenous and fluid during the stage of transport and construction. An unstable emulsion can cause serious problems with spraying, distribution, breaking, and wetting of aggregates. 乳液的稳定性：乳状液须保持均匀一致和良好的流动性能。 Breaking Rate: Emulsions are required to break at some time after making contact with aggregate surfaces. The rate of breaking should allow proper binder distribution, spread of aggregates, and rolling of the aggregates in binder film. 乳液凝结速率：接触后集料，沥青乳液应有一段时间在其表面分布、成膜， 这与粒子表面电荷、气候等有关。 图2描述了造成失败的例子：破乳太慢(a部分),和破乳太快（b部分）。
SB S改性乳化沥青需要先生产出 S B S 改性沥青，再进行乳化。溶胀 后的改性沥青颗粒也处于一种类似 胶乳的物质。
经过充分研磨后就可以获得更小更 均匀的状态。
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改性沥青的剪切机理：高剪切
固体的SB S是分子量非常大的高分子 聚合物，以固态的形式进入到预混罐 中与一定温度的热沥青混合后，进入 到胶体磨中。这个时候的S B S 仍然是 固态的，靠研磨是不行的，必须充分 剪切才能够将坚硬且韧性非常大的 S B S 剪切成3 微米左右，5 微米以下的 颗粒，并均匀地分布在沥青中。
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沥青的乳化机理
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乳化沥青的稳定机理
界面膜理论
界面膜的强度和紧密程度：若界面膜（吸附于分散沥青表面的乳化剂分 子、离子和反离子所形成的水化层）中吸附分子排列紧密不易脱附，膜牢固， 具有一定强度和粘弹性，则能形成稳定的乳状液。乳化剂分子吸附于沥青— 水界面上形成吸附膜而起保护作用。当粒子在布朗运动下相撞时不致引起聚 集。
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胶体磨的齿形设计
既然剪切机理不同，那么胶体磨 的定子和转子的齿形就应该根据 剪切机理的不同而设计。
也就是说胶体磨的齿形注重的功 能不同。
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两种不同的胶体磨
改性沥青胶体磨： 注重的是剪切功能
改性乳化沥青胶体磨： 注重的是研磨功能
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工作环境不同定子和转子的材质不同
乳化沥青的生产过程是酸性环境，所以定子 和转子的材质除了考虑硬度外，必须充分考 虑到耐酸腐蚀这个重要因素，甚至连壳体都 必须考虑耐酸腐蚀，应该选择不锈钢。
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同步封层技术（2） ：完美解决 方案
精确的沥青洒布/碎石撒布控制
沥青洒布双排喷咀,三层重叠, 适应所有行走速度
沥青计量精度优于1％(包括 沥青洒布100％重叠时和所有行 走速度下），CTV达到1.7%
专利设计的漏斗型碎石料仓
重力分解，不直接压迫输料辊，流 动稳定
独立的石料计量，准确的重量计量， 横向变化率(CTV)小于4％（一般在10 ％）
2. 乳化沥青温拌沥青混合料：特殊的高浓度（固含量为70%左右）乳
化沥青替代普通热沥青进行混合料拌和，其拌和温度为100~120℃，拌和温 度介于热拌和冷拌之间，性能达到（或者接近）热拌沥青混合料的性能， 降低拌和过程中沥青的老化，延长沥青路面的使用寿命，具有良好的适应 性。
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乳化沥青的重要技术
3. 稀浆封层技术：用适当级配的的石屑或沙\填料等与乳化沥青、外掺剂
改性沥青的生产过程基本是一个中性的环境， 但是由于高剪切，需要充分考虑到定子和转 子材质的硬度，应选择高硬度碳素钢。
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粘度不同决定电机功率
乳化沥青的粘度相对较低，同样产量的乳化 设备胶体磨电机功率需要的相对小一些。
改性沥青粘度较大，对于电机功率的需求也 要大，至少大出30% ，甚至大出1倍。
因为粘度不同，选择的胶体磨电机 功率的大小也必须不同。
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不同的剪切机理：
改性乳化沥青的生产过程是一个研磨 的过程。
改性沥青的生产过程是一个高剪切的 过程。
二者的剪切机理完全不同，所以胶体 磨定子和转子的齿形的设计也应该是 完全不同的。
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改性乳化沥青剪切机理：研磨
SB R 是一种液态的物质，而且没有 过于坚硬的物质。
生产优质乳化沥青的条件
优质的原材料： 基质沥青、乳化剂、改性剂、水、酸等
实验室的设计。 先进的乳化沥青设备
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选择乳化沥青站的要点：
最最重要的胶体磨： 研磨细度要细，且颗粒的细度均匀集中。 电机功率要足够大，以便为生产SB S改性
乳化沥青做准备。 胶体磨要能够产生较大的背压，这是生产