乳化沥青的生产原理及新用途

BA-1
PN-2

稀浆封层或冷拌沥青混合料用
透层油用

BN-1

与水泥稳定集料同时使用(基层路拌或再生)

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
（2）道路用乳化沥青技术要求

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.1 乳化沥青的性能指标
（3）乳化沥青技术指标体系

美国体系、日本体系、法国体系、中国体系
生产性能指标、施工性能指标、应用性能指标

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
乳化沥青体系的特点：
● 热力学不稳定体系（乳状液）
● 不能从根本上改变沥青性能（物理分散） ● 乳化沥青的稳定与破坏（破乳） 沥青乳化过程关注的核心

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.1 乳化沥青的性能指标
乳化沥青性能指标体系与用途密切相关 道路乳化沥青指标体系相对比较成熟

乳化沥青在发达国家得到广泛应用。原因：

● 环保，节省能源、节省资源 ●
在公路修建、养护技术中，很多都适合使用甚至只 能使用乳化沥青作为结合料

● 乳化沥青技术的发展，使乳化沥青质量不断提高 ● 乳化沥青应用新技术也在不断涌现

1 乳化沥青的概念及应用
1.2 乳化沥青的应用领域

● 道路
●
高速铁路

● 金属材料防腐
● 建筑屋面及洞库防水

● 油田
● 农林、沙漠治理 ● 新型建材

主要内容
1 2 3 4 5 6 7 8 乳化沥青的概念及应用 乳化沥青的制备方法 乳化沥青的性能及其主要影响因素 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响 乳化剂类型及其对沥青乳化性能的影响 乳化沥青的破乳及其影响因素 乳化沥青的新用途 结语

 胶体磨的作用：进行研磨（机械能） 热熔的沥青和乳化剂水溶液在通过胶体磨定盘 与高速转动的转盘之间的间隙时被剪切，实现沥 青在水相中的分散。  胶体磨的基本结构：定盘、转盘

2 乳化沥青的制备方法
胶体磨定盘与转盘

胶体磨以3000转/分的速度高速旋转， 研磨区内流体的方向和瞬间速度不断改变， 导致流体在受高速剪切的同时被高速研磨。

2 乳化沥青的制备方法
2.1 沥青乳化的基本原理
DEFORMATION RUPTURE/CAPTURE

RULE OF THUMB: R ∝σ/E
PARTICLE SIZE, R, IS PROPORTIONAL TO SURFACE TENSION, σ, DIVIDED BY MILLING ENERGY,E

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.1 石油沥青的组成结构及特性
石油沥青的分离方法：  按极性和官能团分离： 氧化铝、硅胶、离子交换树脂（IEC）  按分子量分离： 体积排出色谱、高压液相色谱（HPLC）  两维分离： 以上两种分离方法的结合

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.1 石油沥青的组成结构及特性

主要内容
1 2 3 4 5 6 7 8 乳化沥青的概念及应用 乳化沥青的制备方法 乳化沥青的性能及其主要影响因素 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响 乳化剂类型及其对沥青乳化性能的影响 乳化沥青的破乳及其影响因素 乳化沥青的新用途 结语

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
石油沥青：
 原料：减压渣油  特点：黑色固态或半固态粘稠物质  主要用途：道路建设、建筑工程、水利工程、 油田、管道防腐、电器绝缘、油漆、农林等

2 乳化沥青的制备方法
2.4 实验胶体磨

Mill in stainless steel （中国石油大学）

2 乳化沥青的制备方法
2.4 实验胶体磨

DALWORTH乳化/改性沥青装置(中国石油大学)

2 乳化沥青的制备方法
2.5 乳化沥青制备工艺流程

乳化沥青制备工艺流程

2 乳化沥青的制备方法
2.5 乳化沥青制备工艺流程
乳化沥青的生产原理及新用途

范维玉（教授、博导）

中国石油大学（华东）
二O一四年九月

主要内容
1 2 3 4 5 6 7 8 乳化沥青的概念及应用 乳化沥青的制备方法 乳化沥青的性能及其主要影响因素 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响 乳化剂类型及其对沥青乳化性能的影响 乳化沥青的破乳及其影响因素 乳化沥青的新用途 结语

孤 岛 沥 青

极性 组分

官能 团组 分

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.2 石油沥青各组分的结构及特性-酸值
两种沥青及其组分的酸值测定结果

酸值/(mg· g-1) 组分 胶质
沥青质 酸性分 碱性分 两性分 中性分

沥青

辽河沥青 1.569 10.842 69.950 0.451 37.650 0.243
石油沥青极性四组分与官能团四组分：  极性四组分（SARA）：正庚烷、氧化铝 饱和分、芳香分、胶质、沥青质  官能团四组分：用离子交换树脂（IEC） 酸性分、碱性分、两性分、中性分

各组分分子量范围：胶 质为1000～3000、沥青质 为3000～10000

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响

孤岛沥青 1.821 2.887 77.546 1.035 42.227 1.138

沥青

8.285

3.448

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.2 石油沥青各组分的结构及特性-碱氮值
两种沥青及其组分的碱氮值测定结果 g-1) 沥青 组分 碱氮值/(ug· 胶质 辽河沥青 4622.11 孤岛沥青 3589.12

阳离子乳化沥青制备工艺流程

乳化沥青中型装置（中国石油大学）

2 乳化沥青的制备方法
2.6 乳化剂
乳化剂的作用： ● 降低界面张力 ● 改善界面膜性质

● 使沥青微粒带电

主要内容
1 2 3 4 5 6 7 8 乳化沥青的概念及应用 乳化沥青的制备方法 乳化沥青的性能及其主要影响因素 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响 乳化剂类型及其对沥青乳化性能的影响 乳化沥青的破乳及其影响因素 乳化沥青的新用途 结语

沥青质
酸性分 碱性分

6601.24
1217.46 9219.65

3331.91
771.67 8636.10

两性分
中性分 沥青

6308.53
728.55 3399.00

4983.56
313.96 2736.00

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.2 石油沥青各组分的结构及特性-红外光谱
极性四组分的饱和分中无明显的芳环和杂原子官能团吸收峰，而以－ CH2－链的吸收(2920 cm-1, 2870 cm-1 ) 为主；芳香分中有明显的芳烃吸 收峰(1608.6cm-1)；胶质、沥青质中明显出现杂原子吸收峰(C=O 1700cm-1, N-H、O-H 3300cm-1)。

1 乳化沥青的概念及应用
1.1 乳化沥青的概念
（1）什么是乳化沥青？（emulsified asphalt、asphalt emulsion
）

乳化沥青是将热熔的石油沥青，经过机械作用，以细小的微粒分散 到含有乳化剂、稳定剂的水溶液中形成的水包油乳状液。

乳化沥青概念图

显微镜下的乳化沥青

1 乳化沥青的概念及应用

84.83
77.44 85.8 84.00 83.52 84.41 81.9 81.8 79．06 82．20 76．05 84．46

9.73
8.46 11.41 10.75 12.53 10.29 9.93 8.62 10．01 9．16 8．18 11．26

2.18
2.86 0.55 0.70 0.39 1.29 1.33 0．74 1．90 2．39 0．47

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.3 影响乳化沥青稳定性的主要因素
乳化沥青属热力学不稳定体系。制备及应用中稳定与 破乳是矛盾的，不同应用体系对稳定性要求不一。 主要影响因素包括：

● 沥青（改性沥青）的性质：组成、结构 ● 乳化剂、稳定剂、助剂 ● 水质：无机盐类 ● 乳化设备：搅拌、剪切、研磨——粒度及分布

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.1 乳化沥青的性能指标
（1）道路乳化沥青品种及适用范围
分类 阳离子 乳化沥青 品种及代号 PC-1 PC-2 PC-3 BC-1 PA-1 阴离子 乳化沥青 非离子 乳化沥青 PA-2 PA-3 适用范围 表处、贯入式路面及下封层用 透层油及基层养生用 粘层油用 稀浆封层或冷拌沥青混合料用 表处、贯入式路面及下封层用 透层油及基层养生用 粘层油用

2 乳化沥青的制备方法
2.2 沥青乳化的基本条件：

 加热：熔化沥青（热能）  胶体磨：进行研磨（机械能）  乳化剂：降低界面张力（化学能）

2 乳化沥青的制备方法
2.3 胶体磨及基本结构：（colloid mill ）

润滑油系统压力表

胶体磨后轴温度表 胶体磨前轴温度表

实验室小型胶体磨

DALWORTH高剪切胶体磨
乳化沥青有其特殊性，是针对工程设计的产品，没 有固定的配方，满足材料技术指标要求并不能说明可以 满足工程应用要求。

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.1 乳化沥青的性能指标
（3）乳化沥青技术指标体系 技术指标分类：交通部部颁标准中的乳化沥青技术 指标，可以归纳为三类： ● 生产性能指标：筛上剩余量，贮存稳定性 ● 施工性能指标：粘度、离子电荷，破乳速度 ● 路用性能指标：蒸发残留物性质，粘附性， 拌和试验

厂家

齐鲁70 齐鲁90 镇海70 镇海90 西安90 塔化90 辽河70 辽河90
克拉玛依70

克拉玛依90

18.99
17.1 17.6

26.50
32.1 31.1

54.40
37.1 38.2

0.11
7.0 6.4

中海70 中海90

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.1 石油沥青的组成结构及特性
1.1 乳化沥青的概念
（2）为什么要将沥青乳化？ 石油沥青在常温下是一种半固体粘稠状物质，必须首先将其转变 为液态方可在工程中应用。

沥青转化为液体的主要方法：  加热融化  溶剂稀释  加水乳化 考虑的因素：施工性能、成本、环保、沥青性能

1 乳化沥青的概念及应用
1.1 乳化沥青的概念
（3）乳化沥青的优势
四组分含量
组分

几种石油沥青的四组分含量 饱和分 9.8 10.5 9.3 8.0 18.5 23.4 17.36 19.64 16.53 芳香分 48.9 50.7 47.3 51.2 38.9 37.0 34.47 34.68 27.59 胶质 29.6 28.3 33.7 31.8 25.0 22.3 42.16 40.07 55.74 沥青质 11.7 10.5 9.7 9.0 17.6 17.3 6.01 5.61 0.14
石油沥青的微观结构：胶体分散体系
油分 沥青质Asphaltene
ຫໍສະໝຸດ Baidu
石油沥青是一种胶 体分散体系，其分 散相是以沥青质为 核心吸附部分胶质 而形成的胶束，连 续相是由饱和分和 芳香分组成的油相

Resin

沥青的理化性质和使用性能在很大程度上取决于其胶体体系 的性质，而能否形成稳定的胶体体系又与其化学组成密切相关

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.2 影响乳化沥青技术指标的主要因素
● 贮存稳定性：乳化剂、稳定剂、沥青组成、水相 粘度、粒度分布、两相密度差

3 乳化沥青的性能及其主要影响因素
3.2 影响乳化沥青技术指标的主要因素
● 粘度：水相粘度、稳定剂、粒度分布 ● 粒子电荷：乳化剂类型 ● 破乳速度：乳化剂（稳定剂）类型、乳化剂结构、条件 ●蒸发残留物性质：基质沥青性质、乳化剂（稳定剂） ● 粘附性：乳化剂类型、粒度分布、配伍性、沥青组成 ●拌合性能：乳化剂（稳定剂）、粒度分布、配伍性

4 沥青组成结构及对沥青乳化性能的影响
4.2 石油沥青各组分的结构及特性-元素组成
两种沥青及其组分的元素组成
沥青 组 分 辽 河 沥 青 沥青 饱和分 芳香分 胶质 沥青质 官能 酸性分 团组 碱性分 分 极性 组分 两性分 中性分 沥青 饱和分 芳香分 胶质 沥青质 酸性分 碱性分 两性分 中性分 C×102 86.29 85.62 86.96 79.43 84.6 80.7 H×102 10.60 12.72 10.40 9.35 8.76 10.03 N×102 0.97 0.45 1.46 1.80 1.34 元 素 组 成 S×102 0.34 0.15 0.55 0.26 0.25 0.36 O×102 1.80 1.51 1.64 9.50 4.59 7.57 H/C原子比 1.47 1.77 1.42 1.40 1.23 1.48

0.33
0.32 0.45 2.01 0.55 2.27 1.81 3.04 2．17 3．67 2．64 2．59

2.93
10.92 1.79 2.54 3.4 2.64 5.07 5.21 8.02 3.07 10.74 1.22

1.37
1.30 1.58 1.54 1.79 1.45 1.44 1.26 1．52 1．34 1．29 1．60