CN103059589A - 一种用于严寒地区板式无砟轨道的乳化沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于严寒地区板式无砟轨道的乳化沥青及其制备方法。以质量份数计，该乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55-65份；水35-45份；稳定剂0.1-1.0份；增稠剂0-1.0份；pH调节剂0-2.0份；界面改性剂0.1-1.5份；以及阳离子型乳化剂0.6-1.8份、非离子型乳化剂0.4-1.2份和任选的两性离子型乳化剂0-1.0份与矿物乳化剂0-0.6份，并且所述乳化剂总计1.0-4.0份。该乳化沥青具有稳定性高、温度适应性好、材料适应性广、与水泥、砂子混合后不显著影响水泥的水化，与骨料的粘附力强等优点，适用于板式无砟轨道，尤其是严寒地区CRTSⅠ型高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道。

Description

一种用于严寒地区板式无砟轨道的乳化沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于严寒地区板式无砟轨道的乳化沥青及其制备方法，具体涉及一种用于制备严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的乳化沥青及其制备方法。

背景技术

目前我国正处于大规模高速铁路建设时期，在铁道部公布的2万公里高速铁路、客运专线以及城际铁路中，板式无砟轨道有4000多公里，已成为我国高速铁路主要的轨道结构形式之一。其中，水泥乳化沥青砂浆是板式无砟轨道的关键组成部分，一方面其起到填充、支撑、承力、传力，提供适当的弹韧性的作用，另一方面其便于调整轨道施工误差，大大简化了后期的运营维护。因此，水泥乳化沥青砂浆的性能对列车高速行驶的安全性与乘坐的舒适性均有直接的影响。

水泥乳化沥青砂浆主要由乳化沥青、水泥、砂子、聚合物乳液等组成，其中，乳化沥青是水泥乳化沥青砂浆的关键组成材料之一，其性能直接影响着水泥乳化沥青砂浆的工作性能和耐久性能。高速铁路和客运专线板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青区别于公路用乳化沥青，除了应具有良好的贮存稳定性、匀质性等常规性能外，还应具有与强碱性的水泥砂浆体系良好的相容性、稳定性，良好的流动性和施工性能，以及不明显影响水泥水化速度等性能。

虽然近几年陆续公开了一些关于高速铁路水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青的一些专利，但目前尚无相关专利涉及严寒地区板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青。

随着高速铁路建设的发展，我国东北、西北等广大地区，尤其是地理纬度上沈阳以北的地区，修建高速铁路、客运专线已经提上日程，因而适用于严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青的研发显得更为迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备严寒地区板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的乳化沥青。该乳化沥青具有稳定性高、温度适应性好、材料适应性广、与水泥、砂子混合后不显著影响水泥的水化，与骨料的粘附力强等优点，适用于板式无砟轨道，尤其是严寒地区CRTSⅠ型高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道。

本发明的另一目的是提供所述乳化沥青的制备方法。

本发明用于实现上述目的的技术方案如下：

一种用于严寒地区板式无砟轨道的乳化沥青，以质量份数计，该乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55-65份；水35-45份；稳定剂0.1-1.0份；增稠剂0-1.0份；pH调节剂0-2.0份；界面改性剂0.1-1.5份；以及阳离子型乳化剂0.6-1.8份、非离子型乳化剂0.4-1.2份和任选的两性离子型乳化剂0-1.0份与矿物乳化剂0-0.6份，并且所述乳化剂总计1.0-4.0份。

在本发明所述的乳化沥青中，优选地，所述基质沥青为50#-130#重交通道路石油沥青；更优选地，所述基质沥青为70#-90#重交通道路石油沥青。优选地，所述改性沥青选自天然橡胶改性沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青、丁苯橡胶改性沥青、氯丁橡胶改性沥青、顺丁橡胶改性沥青和丁基橡胶改性沥青中的一种或几种；更优选地，所述改性沥青为SBS改性沥青和/或丁苯橡胶改性沥青。在CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆中，沥青成为连续相，是结构中的主体成分，沥青性能直接影响其与水泥、砂子等之间的界面状态，本发明沥青材料的选择与乳化沥青、水泥乳化沥青砂浆使用的严寒地区气候环境条件相适应。

在本发明的乳化沥青中，所述乳化剂是把沥青制备成乳化沥青并赋予乳化沥青特殊性能的关键组分。本发明的乳化剂是把阳离子型乳化剂、非离子型乳化剂以及任选的两性离子型乳化剂和矿物乳化剂按照所述比例混合在一起的复合乳化剂。该复合乳化剂制备的乳化沥青呈现出慢裂属性，这对于乳化沥青性能非常重要，其原因在于：水泥乳化沥青砂浆是有机-无机复合体系，乳化沥青与水泥是组成材料中的主要活性组分，水泥的水化程度直接影响着砂浆的整体骨架结构，而水泥水化是一个逐步进行的过程，因而在制备乳化沥青时采用慢裂属性的乳化剂，以保证乳化沥青破乳与水泥水化的协调进行，若破乳速度过快，则会导致水泥未完全水化即被沥青所包裹，从而使得砂浆无法形成连续稳定的整体结构，难以保证砂浆的使用性能及使用寿命。其中，优选地，所述阳离子乳化剂选自烷基胺、酰胺、咪唑啉、环氧乙烷二胺、胺化木质素和季铵盐中的一种或几种。所述非离子乳化剂选自聚氧乙烯型、多元醇型和聚醚型中的一种或几种。所述矿物乳化剂选自粘土、陶土、膨润土和石灰中的一种或几种。所述两性离子型乳化剂选自氨基酸型、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸脂甜菜碱、咪唑啉型中的一种或几种。

在本发明的乳化沥青中，所述稳定剂优选为无机盐类，如可溶性氯化物盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐中的一种或几种，优选为氯化钙、氯化钠、氯化铵、硫酸钠和硅酸钠中的一种或几种。所述稳定剂可以通过调整沥青颗粒周围双电层的离子电位差，增加颗粒之间的排斥力，增强乳化沥青的稳定性。

在本发明的乳化沥青中，所述pH值调节剂可以是酸或碱。其中，酸可以为无机酸和/或有机酸，例如盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸、脂肪酸和水杨酸中的一种或几种。碱可以为强碱性物质和/或弱碱性物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种。其可以通过调节乳化剂溶液的酸碱度，调节沥青的乳化效果以及沥青颗粒表面双电层的离子强度，对于制备本发明所述用途的乳化沥青具有重要的作用。

在本发明的乳化沥青中，所述增稠剂可以是天然或合成的化合物，可以选自淀粉、明胶、胺类、聚乙烯醇、纤维素、聚丙烯酸盐、聚醚、聚氨酯和聚脲中的一种或几种。所述增稠剂的加入会在水中形成胶体溶液，使体系的粘度上升，减缓了沥青颗粒的聚结速度，并能在沥青颗粒表面形成保护膜，由于空间位阻效应使得沥青颗粒处于良好的分散状态。

在本发明的乳化沥青中，所述界面改性剂可以为聚氧乙烯醚、烷基胺与聚羧酸型高分子表面活性剂的混合物。其中根据使用条件的不同，以质量份数计，在界面改性剂中三种组分的比例为，聚氧乙烯醚占0-1份，烷基胺占0-0.5份，聚羧酸型高分子表面活性剂占1.0-2.5份。其作用在于改善有机组分与无机胶凝材料的界面结合状态，降低乳化沥青以及水泥乳化沥青砂浆拌合物的温度敏感性，提高乳化沥青和水泥、砂子之间的相容性，从而显著降低外加拌和水以及总水量低，完善砂浆微观结构，提高水泥乳化沥青砂浆致密性和水密性，从而提高制得水泥乳化沥青砂浆的抗冻性等。

优选地，本发明的乳化沥青用于严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道；更优选地，本发明的乳化沥青用于严寒地区CRTSI型高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道。

本发明的另一目的提供了上述乳化沥青的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

（1）将基质沥青或改性沥青加热至熔融备用；

（2）将乳化剂、增稠剂、稳定剂和界面改性剂加入到水中搅拌溶解，用pH调节剂调节溶解所得乳液的pH值至2-12；

（3）将步骤（1）得到的基质沥青或改性沥青与步骤（2）得到的乳液混合乳化，即得乳化沥青；其中，优选采用乳化机进行混合乳化，所述乳化机的转速优选为10000±1000rpm。

在所述步骤（1）中，优选地，所述基质沥青加热至熔融的温度为110℃-140℃，更优选为120℃-130℃；所述改性沥青加热至熔融的温度为140℃-180℃，更优选为150℃-160℃。

在所述步骤（2）中，优选地，所述水的温度为40℃-70℃，更优选为55℃-65℃；所述乳液调节pH值后的温度为50℃-60℃。

在所述步骤（3）中，优选地，所述乳化沥青中的沥青颗粒粒径为1μm-5μm；更优选为1.0μm-2.5μm。优选地，所述乳化沥青经搅拌冷却至温度低于35℃后使用。

本发明提供的乳化沥青与水泥等材料具有良好的拌和效果，相容性好，稳定性强，不显著影响水泥的水化速度等性能，制备的水泥乳化沥青砂浆具有良好时可工作性能，满足现场施工要求。

检测表明，本发明提供的乳化沥青性能满足表1的要求，采用本发明提供的乳化沥青与水泥、砂等其他原材料（满足《客运专线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》）配制的水泥乳化沥青砂浆性能满足表2中所列出的各种要求，该砂浆能够较好的适用于严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道。

表1 本发明乳化沥青性能指标

注：（1）当乳化沥青实际使用中经过低温贮存和运输时，进行此项检测。

（2）当采用改性沥青制备乳化沥青时，进行此项检测。

表2 采用本发明的乳化沥青配制的水泥乳化沥青砂浆性能指标

与现有技术相比，本发明乳化沥青具有以下突出优点和积极效果：

本发明乳化沥青本身具有良好的稳定性和匀质性，同时其与水泥、砂等无机碱性材料相混合时还具有温度适应性强、原材料适应性广、不明显影响水泥水化等优点。当外界环境温度、施工温度、以及与之相配伍的材料发生改变时，现有乳化沥青的稳定性、匀质性等明显发生变化，而与水泥、砂等无机材料相混合时也容易发生破乳等，因而现有乳化沥青往往是单一适用性，条件发生变化时需要再次调整乳化沥青。

特别是，本发明提供的乳化沥青中由于界面改性剂的存在，大大改善了乳化沥青与水泥、砂等无机材料的界面状态，降低乳化沥青以及水泥乳化沥青砂浆拌合物的温度敏感性，提高乳化沥青和水泥、砂子之间的相容性，从而显著降低外加拌和水以及总水量低，完善砂浆微观结构，提高水泥乳化沥青砂浆致密性和水密性，从而提高制得水泥乳化沥青砂浆的抗冻性等。

因而本发明适用于高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道用水泥乳化沥青砂浆，特别适用于严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道用水泥乳化沥青砂浆。

具体实施方式

下面通过实施例详细说明本发明，应当理解，下述实施例仅用于说明本发明，而不以任何方式限制本发明的范围。

以下实施例中采用满足GB/T15180-2000要求的基质沥青，其中重交通道路石油沥青的技术参数见表3。SBS改性沥青的技术参数见表4。

表3 重交通道路石油沥青技术参数

表4  SBS改性沥青技术要求

实施例1

本实施例中乳化沥青采用70#的重交通道路石油沥青，阳离子乳化剂为十八烷基三甲基氯化胺，非离子乳化剂为烷基壬基酚聚氧乙烯醚，聚氧乙烯聚合度30，两性离子乳化剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱，矿物乳化剂为膨润土，增稠剂为纤维素醚（分子量40000），稳定剂为氯化钙，界面改性剂为聚羧酸与烷基胺，pH调节剂为盐酸，其组成如表5所示。

乳化沥青的制备方法：

将70#的重交通道路石油沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在120℃-130℃；

将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到65℃的水中，然后通过盐酸调节溶液的pH值至规定的要求，将乳化剂溶液温度控制在50℃-60℃；

将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的体系。

乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表6。

实施例2

本实施例中乳化沥青采用90#的重交通道路石油沥青，阳离子乳化剂为双辛/癸基二甲基氯化铵与胺化木质素，非离子乳化剂为脂肪酸聚氧乙烯酯，增稠剂为纤维素醚与聚氨酯，矿物乳化剂为膨润土，稳定剂氯化钠，界面改性剂为司盘20与聚羧酸，pH调节剂为盐酸，其组成如表5所示。

乳化沥青的制备方法：

将90#的重交通道路石油沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在120℃-130℃；

将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到60℃的水中，将溶液pH值调至规定值，控制乳化剂溶液的温度50℃-60℃；

将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的分散体系。

乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表6。

实施例3

本实施例中乳化沥青采用110#的重交通道路石油沥青，阳离子乳化剂为十八烷基三甲基氯化胺与十八烷基二甲基丙撑酰胺，非离子乳化剂为聚氧乙烯醚，聚氧乙烯聚合度40，两性离子乳化剂为月桂基咪唑啉甜菜碱，增稠剂为聚醚，稳定剂氯化铵与氯化钙，界面改性剂为聚羧酸，pH调节剂为冰醋酸，其组成如表5所示。

乳化沥青的制备方法：

将110#重交通道路石油沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在120℃-130℃；

将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到60℃的水中，然后调节溶液的pH值至规定值，控制乳化剂溶液的温度50℃-60℃；

将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的体系。

乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表6。

实施例4

本实施例中乳化沥青采用SBS掺量2%的改性沥青，阳离子乳化剂为十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化胺与咪唑啉，非离子乳化剂为聚氧乙烯酯，聚合度30，两性离子乳化剂为月桂酰胺基丙基甜菜碱，增稠剂为聚脲，稳定剂氯化钙，界面改性剂为聚羧酸、聚氧乙烯酯与烷基胺混合物，pH调节剂为盐酸，其组成如表5所示。

乳化沥青的制备方法：

将SBS改性沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在150℃-160℃备用；

将按比例计量过的乳化剂、增稠剂等加入到70℃的水中，然后调节溶液的pH值至规定范围，控制乳化剂溶液的温度65℃-70℃；

将计量过的乳化剂溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

将按比例计量过的热沥青倒入乳化机中和乳化剂溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，沥青主要以1.0μm-2.5μm的颗粒分散在乳化剂溶液中形成水包油的体系。

乳化沥青在储存罐中经过搅拌、冷却至温度低于35℃后即可使用，本实施例制得乳化沥青的性能检测结果见表6。

实施例1-4的乳化沥青各组成比例见表5。

表5 各实施例中乳化沥青的组成

实施例1-4制得乳化沥青的性能检测结果见表6

表6 各实施例制得的乳化沥青的性能

注：（1）当乳化沥青实际使用中经过低温贮存和运输时，进行此项检测。

（2）当采用改性沥青制备乳化沥青时，进行此项检测。

Claims (12)

1.一种用于严寒地区板式无砟轨道的乳化沥青，以质量份数计，该乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55-65份；水35-45份；稳定剂0.1-1.0份；增稠剂0-1.0份；pH调节剂0-2.0份；界面改性剂0.1-1.5份；以及阳离子型乳化剂0.6-1.8份、非离子型乳化剂0.4-1.2份和任选的两性离子型乳化剂0-1.0份与矿物乳化剂0-0.6份，并且所述乳化剂总计1.0-4.0份。

2.根据权利要求1所述的乳化沥青，其特征在于，所述基质沥青为50#-130#重交通道路石油沥青；优选地，所述基质沥青为70#-90#重交通道路石油沥青；

所述改性沥青选自天然橡胶改性沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青、丁苯橡胶改性沥青、氯丁橡胶改性沥青、顺丁橡胶改性沥青和丁基橡胶改性沥青中的一种或几种；优选地，所述改性沥青为SBS改性沥青和/或丁苯橡胶改性沥青。

3.根据权利要求1或2所述的乳化沥青，其特征在于，所述阳离子乳化剂选自烷基胺、酰胺、咪唑啉、环氧乙烷二胺、胺化木质素和季铵盐中的一种或几种；所述非离子乳化剂选自聚氧乙烯型、多元醇型和聚醚型中的一种或几种；所述矿物乳化剂选自粘土、陶土、膨润土和石灰中的一种或几种；所述两性离子型乳化剂选自氨基酸型、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸脂甜菜碱、咪唑啉型中的一种或几种。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的乳化沥青，其特征在于，所述稳定剂为无机盐类，如可溶性氯化物盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐中的一种或几种，优选为氯化钙、氯化钠、氯化铵、硫酸钠和硅酸钠中的一种或几种。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的乳化沥青，其特征在于，所述pH值调节剂为酸或碱；其中，酸为无机酸和/或有机酸，例如盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸、脂肪酸和水杨酸中的一种或几种；碱为强碱性物质和/或弱碱性物质，例如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或几种。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的乳化沥青，其特征在于，所述增稠剂是天然或合成的化合物，选自淀粉、明胶、胺类、聚乙烯醇、纤维素、聚丙烯酸盐、聚醚、聚氨酯和聚脲中的一种或几种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的乳化沥青，其特征在于，所述界面改性剂为聚氧乙烯醚、烷基胺与聚羧酸型高分子表面活性剂的混合物，其中根据使用条件的不同，以质量份数计，在界面改性剂中三种组分的比例为，聚氧乙烯醚占0-1份，烷基胺占0-0.5份，聚羧酸型高分子表面活性剂占1.0-2.5份。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的乳化沥青，其特征在于，所述乳化沥青用于严寒地区高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道；优选地，所述乳化沥青用于严寒地区CRTS I型高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的乳化沥青的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

（1）将基质沥青或改性沥青加热至熔融备用；

（2）将乳化剂、增稠剂、稳定剂和界面改性剂加入到水中搅拌溶解，用pH调节剂调节溶解所得乳液的pH值至2-12；

（3）将步骤（1）得到的基质沥青或改性沥青与步骤（2）得到的乳液混合乳化，即得乳化沥青；其中，优选采用乳化机进行混合乳化，所述乳化机的转速优选为10000±1000rpm。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述基质沥青加热至熔融的温度为110℃-140℃，优选为120℃-130℃；所述改性沥青加热至熔融的温度为140℃-180℃，优选为150℃-160℃。

11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，所述水的温度为40℃-70℃，优选为55℃-65℃；所述溶液调节pH值后的温度为50℃-60℃。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述乳化沥青中的沥青颗粒粒径为1μm-5μm；优选为1.0μm-2.5μm；优选地，所述乳化沥青经搅拌冷却至温度低于35℃后使用。