高速剪切机制备乳化沥青的试验研究
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引言

近些年,乳化沥青的市场需求量逐年加大,中国对乳化沥青及其相关材料的试验研究迅速展开。目前,各企业、学校及科研单位在进行乳化沥青试验时,都离不开乳化沥青的室内小型加工设备。本文就2种常见设备的加工原理及乳化沥青质量进行比较,针对剪切机加工乳化沥青时出现的问题提出改进措施,为提高室内乳化沥青的质量提供参考。

乳化沥青的室内加工工艺

胶体磨加工工艺

优点和缺点。胶体磨加工工艺的优点:生产出来的乳化沥青颗粒小,乳化剂与沥青充分反应,乳化沥青的各项技术指标均能满足要求。

胶体磨加工工艺的缺点:加工过程中,一般需要2~3人协同工作,生产工艺较复杂,并且加工设备体积较大,不易搬运和携带。

工作原理。目前,胶体磨是制备乳化沥青使用最多的乳化设备,主要包括转子和定子2部分。胶体磨的作用原理主要是通过定子和转子之间的高速运转所产生的剪切力对物料起到研磨、分散的作用。转子在定子中高速旋转,两者的间隙约为02~05mm,可以调节,转子每分钟转速可达数千转甚至上万转。

首先将一定浓度的乳化剂水溶液加入胶体磨中,随后缓慢加入热融沥青,沥青液经高速剪切后成细小微粒,均匀的分散在溶液中,溶入溶液的乳化液分子会立即被沥青微粒界面吸附,当吸附的乳化剂分子达到饱和状态时,完成充分乳化,最终制成乳化沥青。

试验操作要点。首先,用90℃以上的热水进行清洗,并将胶体磨预热、保温;再把沥青锅置于恒温鼓风烘箱中加热至140℃~145℃,准确称取所需沥青,温度保持在130℃~140℃

500ml的烧杯在电子天平上准确称量所需乳化剂。称好后在烧杯中加入60℃~70℃的热水,用搅棒搅拌均匀,使乳化剂完全溶解,在60℃~70℃下保温15~30min。有些乳化剂需要用工业盐酸将皂液调至所需pH值。

打开胶体磨电源开关,将设备中预热时所用的热水全部放出,之后依次加入乳化剂溶液和热沥青。随着热沥青的逐渐加入,乳化剂和沥青的混合物逐渐变稠,对该混合物进行循环操作,使其均匀。继续剪切10s后,将稳定的乳化沥青收集。

最后,用热水冲洗设备,并加入柴油对设备进行养护。

高速剪切机加工工艺

优点和缺点。高速剪切机加工工艺的优点:设备体积小,便于携带,一个人即可完成乳化沥青的生产。

高速剪切机加工工艺的缺点:所生产的乳化沥青颗粒较大,稳定性不佳;操作工序繁多,剪切机转速不易控制,对操作人员的熟练程度要求较高,且乳化沥青的合格率不高。

工作原理。高速剪切机由定子和转子组合而成,转子上有多把刀片,转子高速运转,定子固定不动,定子周围开有很多孔槽,而转子和定子间的间隙很小,大约为1μm。转子高速运转时底部产生负压,形成负压区,处于负压区的物料被转子吸入,并加速向转子刀片的边缘运动;物料在1μm间隙中受到强力作用,被剪切、研磨、粉碎后,迫使它穿过定子孔槽喷射而出,碰到容器壁后返回到混合物中;再次受到转子底部负压的吸引,被吸入转子和定子间受到强力作用,从而形成连续循环,使不相容的沥青和水等溶液相溶在适宜的乳化剂作用下,瞬间均匀精细地分散乳化,最终得到稳定的乳化沥青产品。

试验操作要点。安装并检查、调整好剪切机。把沥青锅置于电热恒温鼓风干燥箱上,加热至140℃~145℃;称取的沥青置于电热恒温鼓风干燥箱中,温度保持在130℃~140℃。把漏斗用长柄铁夹夹紧,置于电热鼓风干燥箱中温热、保温。在乳化杯中加90℃的水,把高速剪切机的剪切头浸入热水中,调整搅拌头和升降架的高度,用手转动机轴,转动灵活后,打开电源试机,预热并保温。

500ml烧杯在电子天平上准确称量所需的乳化剂及稳定剂。称好后在烧杯中加入60℃~70℃热水,用搅棒搅拌均匀,使乳化剂溶解,置于电热恒温水浴中,在60℃~70℃下保温15~30min。有些乳化剂需要用工业盐酸将皂液调至所需pH值。

把乳化杯从高速剪切机头下取出,迅速倒去杯中水,再把皂液倒入乳化杯中,调整升降架高度,使剪切头处于最佳位置。打开电源开关,调节并控制速度在3 000~4 000r·min-1,以不起泡沫为准。在沥青温度达到130℃~140℃时,将沥青通过漏斗加入到乳化杯内的皂液中,沥青立即被高速剪切分散、乳化。随着沥青的加入,容器内乳液的粘度不断升高,应逐渐提高搅拌速度,速度的大小以不起泡沫为准。继续加入沥青,直至沥青加完为止。搅拌速度在6 000~7 000r·min-1时剪切1~2min,然后逐渐减小剪切速度直至停机,关闭电源开关,取出乳化杯,即得到乳化沥青成品。

最后用70℃~80℃皂液清洗剪切头。清洗时打开高剪切机约1min,然后用干布轻擦搅拌头,再用溶剂(汽油等)浸泡擦洗至完全干净。使用7~8次后应拆开剪切头,进行彻底清洗。

乳化沥青质量比较

分别用胶体磨和剪切机生产乳化沥青。通过以上试验结果可知,使用剪切机生产的乳化沥青的均匀性和稳定性不佳,主要表现在筛余量和稳定度值。

剪切机生产乳化沥青的改善措施

试验方案

针对以上问题,对剪切机的加工工艺进行改进,具体提出了3个方案。方案1:将沥青加热到140℃~150℃,皂液加热到65℃;先将皂液通过剪切机打出泡沫后,缓慢加入热沥青,并加大转速至11 000r·min-1,持续剪切10min。方案2:将沥青加热到140℃~150℃,皂液加热到65℃;同时将皂液和沥青缓慢混合,并加大转速至11 000r·min-1,持续剪切10min。方案3:将沥青加热到140℃~150℃,皂液加热到65℃;先加入沥青,之后将皂液缓慢加入到热沥青中,并加大剪切机的转速至11 000r·min-1,持续剪切10min

试验结果

主要对乳化沥青的筛余量和稳定性进行了检测。在不改变乳化剂用量、乳化剂溶液和沥青温度的条件下,变化乳化剂溶液和沥青的添加工艺生产了3组乳化沥青,通过检测筛余量和稳定性,可知方案3的效果最佳。

结果验证

在确定乳化剂和沥青添加方式的基础上,通过变化乳化剂用量、乳化剂类型和沥青品牌,对试验结果进行验证。

试验方案

分别变化乳化剂用量、乳化剂类型和沥青品牌生产乳化沥青。

试验结果

采用材料生产出12组乳化沥青,分别对这12组乳化沥青的筛余量、标准粘度、蒸发残留物3大指标及贮存稳定度值进行检测。

可知,使用经过改进后的剪切机加工工艺所生产的乳化沥青性能均有明显改善,乳化沥青的各项指标均可与胶体磨所生产的乳化沥青指标相媲美。

结语

本文针对胶体磨和剪切机室内加工乳化沥青性能的差异,对剪切机的加工工艺提出了3种改进方案,并从中选取了最佳方案。采用最佳的剪切机加工工艺方案,变化乳化剂用量、乳化剂类型和沥青品牌,对乳化沥青进行了验证,得出以下结论。

(1)推荐采用的剪切机生产乳化沥青的生产工艺为:将沥青加热到140℃~150℃,皂液加热到65℃后;先将沥青加入,之后将皂液缓慢加入到热沥青中并加大剪切机的转速至11 000r·min-1,持续剪切10min

(2)采用胶体磨生产的乳化沥青比剪切机生产的乳化沥青的性能更优。改进后的剪切机加工工艺使生产的乳化沥青性能与胶体磨生产的乳化沥青性能接近。今后对于只有剪切机的单位,可以按照文中提出的方案3进行生产,可保证质量。

(3)结合对剪切机加工工艺验证部分的试验内容可以得出,使用改进后的剪切机加工乳化沥青,对于不同的乳化剂、不同的乳化剂用量和不同品牌的沥青,生产乳化沥青时都适用。中国沥青网

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