采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力法和殘留物含量差值法考察陰離子乳化劑、助劑和皂液pH值等對(duì)皂液－瀝青甲苯模擬油界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:乳化劑、助劑和皂液pH值等對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響規(guī)律是一致的，兩者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性;隨著乳化劑和羧甲基纖維鈉用量的增加，油水界面張力降低，貯存穩(wěn)定性變好;隨著皂液pH值的升高，界面張力和貯存穩(wěn)定性分別呈現(xiàn)出變小和變好的趨勢(shì)，在pH=11時(shí)，界面張力值最小，貯存穩(wěn)定性最好;隨著締合型增稠劑T用量的增加，油水界面張力先增加后減小，貯存穩(wěn)定性先變差后變好，兩者最后都趨于穩(wěn)定;乳化劑和助劑對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響的由大到小順序?yàn)槿榛瘎㏒D-2、締合型增稠劑T、羧甲基纖維素鈉。

水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）由水泥、瀝青乳液、砂和多種外加劑組成，是經(jīng)水泥與瀝青共同作用膠結(jié)硬化而成的一種新型有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料。乳化瀝青是CA砂漿的關(guān)鍵組成材料，乳液的穩(wěn)定性是影響CA砂漿用乳化瀝青性能的關(guān)鍵因素。筆者針對(duì)CA砂漿用陰離子乳化瀝青的特點(diǎn)，考察乳化劑、助劑和皂液pH值等對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原材料與設(shè)備

基質(zhì)瀝青選用中石油的昆侖AH-70瀝青;乳化劑為烷基芳基磺酸鹽類慢裂快凝型高鐵CA砂漿專用陰離子乳化劑SD-2，助劑選用20℃黏度為0.800～1.2 Pa·s的羧甲基纖維素鈉（CMC）和聚氨酯類締合型增稠劑T;pH調(diào)節(jié)劑選用化學(xué)純的鹽酸和氫氧化鈉;生產(chǎn)乳化瀝青的設(shè)備（膠體磨）為美國DALWORTH道維施型試驗(yàn)室改性瀝青/乳化瀝青組產(chǎn)設(shè)備;界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性分別采用Kibron公司生產(chǎn)的dIFT型全量程界面張力儀和上海昌吉生產(chǎn)的SYD-0655型乳化瀝青貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)定。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1乳化瀝青的制備

按照一定配比配制皂液，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)膒H值并加熱到一定的溫度，然后將皂液和加熱熔融的瀝青一起經(jīng)過膠體磨，即可制得乳化瀝青。

1.2.2界面張力的測(cè)試

配置瀝青甲苯模擬油，改變?cè)硪旱呐浔群蚿H值等，用TX-500型全量程界面張力儀在50℃恒溫條件下用旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定皂液與瀝青甲苯模擬油的界面張力。

1.2.3乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的測(cè)試

將乳化瀝青注入250 mL的乳化瀝青貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)儀中，在25℃下貯存5 d，分別從上部和下部取樣測(cè)其蒸發(fā)殘留物含量。以上部和下部所得蒸發(fā)殘留物含量的差值表示乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性，差值越小穩(wěn)定性越好，否則越差。

2油水界面張力和穩(wěn)定性的影響因素

2.1乳化劑

瀝青分散到水中要克服較大的界面張力，瀝青分散成小的顆粒時(shí)其表面積顯著增加，產(chǎn)生的瀝青乳液具有較高的能量狀態(tài)，也不穩(wěn)定，因此在生產(chǎn)乳化瀝青時(shí)必須加入乳化劑來降低油水界面張力。選用高鐵專用陰離子乳化劑SD-2，配置不同乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的皂液，測(cè)定皂液與瀝青甲苯模擬油的界面張力，并分別制備乳化瀝青測(cè)定其貯存穩(wěn)定性，考察乳化劑用量對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出:乳化劑用量對(duì)體系的界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性影響明顯;體系界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性隨著乳化劑用量的變化趨勢(shì)相同，兩者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，說明體系的油水界面張力是影響乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的主要原因之一。

當(dāng)乳化劑的用量較少時(shí)，乳化劑不能使油水界面張力充分降低，瀝青和水幾乎是直接接觸的，乳化效果不好，所以穩(wěn)定性差。隨著乳化劑用量的增加，油水界面張力開始趨于穩(wěn)定，此時(shí)瀝青乳液逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，乳化劑分子的親水和親油基團(tuán)分別和水、瀝青結(jié)合。再增加乳化劑的用量，瀝青乳液穩(wěn)定性的變化不大，說明瀝青乳液中乳化劑的含量已經(jīng)達(dá)到臨界值。從圖1可以看出乳化劑SD-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)才能在乳化瀝青中達(dá)到臨界值。

圖1乳化劑用量對(duì)界面張力和貯存穩(wěn)定性界面張力的影響

2.2皂液pH值

陰離子乳化劑SD-2為烷基芳基磺酸鹽型表面活性劑，活性組分為芳基磺酸根離子，pH值影響陰離子基團(tuán)的電離程度，進(jìn)而影響乳化劑的乳化效果。選用濃鹽酸和NaOH調(diào)節(jié)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%SD-E皂液體系的pH值，測(cè)定不同pH值的皂液體系與瀝青甲苯模擬油的界面張力和使用不同pH值的皂液制備的乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性，結(jié)果見圖2。

圖2皂液pH值對(duì)界面張力和貯存穩(wěn)定性界面張力的影響

由圖2看出:pH值對(duì)油水界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性均有較大的影響，二者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，即隨著皂液pH值的增加油水界面張力減小，乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性變好，并在pH=11處出現(xiàn)極值點(diǎn)。這說明皂液pH值對(duì)乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響是通過其對(duì)界面張力的影響來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)pH值較低時(shí)，皂液中的H+濃度較大，抑制了烷基芳基磺酸鹽的電離，界面上吸附的活性基團(tuán)較少，使得界面張力較大。隨著pH值的增加，皂液中OH－濃度增加，促進(jìn)了烷基芳基磺酸鹽的電離，在pH=11時(shí)，界面上吸附的負(fù)電基團(tuán)達(dá)到飽和，界面張力減小到極小值，同時(shí)OH－與瀝青中的酸性物質(zhì)（HB）生成有機(jī)皂，有機(jī)皂與乳化劑中的烷基芳基磺酸基發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，使得界面張力值下降，乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性變好。

總體來說，從皂液酸堿度來看，堿性條件更利于乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性，與模擬油試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3締合型增稠劑

研究表明，在乳化瀝青中加入締合型增稠劑T，能夠使得使用這種乳化瀝青制備的CA砂漿具有良好的施工和易性，能夠有效降低CA砂漿的分離度，避免CA砂漿泌水、分層等不利病害的發(fā)生。締合型增稠劑T是制備高性能CA砂漿用乳化瀝青不可或缺的一種助劑。

在乳化劑SD-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、pH值為11時(shí)，考察締合型增稠劑T用量對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖3。

圖3締合型增稠劑T對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響

由圖3看出:隨著締合型增稠劑T用量的增加，油水界面張力先增加后減小，乳化瀝青貯存穩(wěn)定性先變差后變好，兩者的變化趨勢(shì)一致，并且均在締合型增稠劑T質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)出現(xiàn)極值點(diǎn)，此時(shí)油水界面張力最大，乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性最差。

締合型增稠劑T的作用機(jī)制主要得益于其特殊的“親油—親水—親油”形式的三嵌段聚合物結(jié)構(gòu)，鏈端為親油基團(tuán)（通常為脂肪烴基），中間為水溶性的親水鏈段（通常為較高分子量的聚乙二醇）。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得親油基在不同的瀝青顆粒表面發(fā)生吸附，這就與乳化劑中的活性成分產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。在一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，隨著增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，增稠劑分子在瀝青微粒表面的吸附量逐漸增多，乳化劑活性成分在瀝青微粒表面的吸附量減少，使得界面張力值增大，在締合型增稠劑T質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)達(dá)到極大值。當(dāng)增稠劑用量逐漸增大時(shí)，親油基會(huì)締合成膠束，使得增稠劑分子在瀝青微粒表面的吸附量逐漸減少，乳化劑分子重新吸附在瀝青微粒表面，界面張力值降低。當(dāng)增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定值時(shí)，親油基之間的締合作用和在瀝青顆粒表面的吸附作用達(dá)到平衡，界面張力也趨于穩(wěn)定。

2.4羧甲基纖維素鈉

羧甲基纖維素鈉（CMC）是一種性能優(yōu)良的增稠劑，可以將其添加到CA砂漿用陰離子乳化瀝青中作為穩(wěn)定劑與締合型增稠劑T復(fù)配使用。

在乳化劑SD-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、締合型增稠劑T質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、pH值為11時(shí)，考察羧甲基纖維素鈉對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4羧甲基纖維素鈉對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響

由圖4看出:隨著羧甲基纖維素鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，界面張力值逐漸減小，乳化瀝青穩(wěn)定性逐漸變好，兩者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。

從分子結(jié)構(gòu)上來看，羧甲基纖維鈉也屬于表面活性劑的范疇，具有一定的乳化能力。因此，羧甲基纖維素鈉與乳化劑SD-2具有較好的協(xié)同效應(yīng)，在較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)就能夠顯著降低界面張力值，改善乳液的貯存穩(wěn)定性。

2.5正交試驗(yàn)

乳化劑SD-2，締合型增稠劑T和羧甲基纖維鈉等是CA砂漿陰離子乳化瀝青中最關(guān)鍵的3種組分，對(duì)乳化瀝青的性能起著決定性的影響。為了比較對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響，采用L9（34）正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因素水平見表1。

表1正交試驗(yàn)因素與水平

根據(jù)正交試驗(yàn)表，配制不同配合比的皂液，調(diào)節(jié)pH值為11，制備乳化瀝青測(cè)定其貯存穩(wěn)定性，并測(cè)定不同配合比的皂液與瀝青甲苯模擬油的界面張力，結(jié)果見表2。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析和極差分析，結(jié)果見表3。

表2正交試驗(yàn)結(jié)果

表3正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析和極差分析

由正交試驗(yàn)分析結(jié)果可知，乳化劑SD-2、締合型增稠劑T和羧甲基纖維素鈉等對(duì)油水界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性的影響規(guī)律一致，兩者仍然能夠呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。由極差分析可知，影響界面張力和貯存穩(wěn)定性的因素由大到小順序?yàn)槿榛瘎㏒D-2、締合型增稠劑T、羧甲基纖維素鈉。

結(jié)論

（1）油水界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，油水界面張力是影響乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的主要原因之一。

（2）隨著乳化劑和羧甲基纖維鈉用量的增加，油水界面張力降低，貯存穩(wěn)定性變好;隨著皂液pH值的升高，界面張力和貯存穩(wěn)定性分別呈現(xiàn)出變小和變好的趨勢(shì)，在pH=11時(shí)，界面張力值最小，貯存穩(wěn)定性最好;隨著締合型增稠劑T用量的增加，油水界面張力先增加后減小，貯存穩(wěn)定性先變差后變好，兩者最后都趨于穩(wěn)定。

（3）乳化劑、締合型增稠劑T和羧甲基纖維素鈉對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響由大到小順序?yàn)槿榛瘎⒕喓闲驮龀韯㏕、羧甲基纖維素納，乳化劑是影響油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的最主要的因素。