CN104277462A - 一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青及其制备方法，所述乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55～65份；水35～45份；乳化剂1.0～3.0份；稳定剂0.05～0.8份；增稠剂0.01～1.0份；pH调节剂0.1～2.0份；助剂0.1～1.5。本发明乳化沥青具有良好的稳定性和匀质性，与水泥、砂等无机材料相混合时温度适应性强；本发明乳化沥青在制备过程中采用的乳化剂均不含有壬基酚以及其衍生物，实现了乳化沥青以及其制成品的环境友好性。

Description

一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用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6000多公里，板式无砟轨道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，其直接影响到水泥乳化沥青砂浆的工作性能和耐久性能。用于高速铁路和客运专线板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的乳化沥青区别于公路用乳化沥青，其除了应具有良好的贮存稳定性、匀质性等常规性能外，还应具有与强碱性水泥砂浆体系良好的相容性、稳定性、流动性和施工性能，以及具有不对水泥水化速度产生明显影响的性能。

发明人承担了“高寒地区CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆的深化研究”的课题，并对高寒地区CRTSⅠ型无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青及其制备方法进行了深入研究。经过研究发现，为了保证乳化剂性能优良并能够制备出性能优良的乳化沥青，在乳化沥青的制备过程中所采用的乳化剂，特别是非离子乳化剂中均含有壬基酚或者其衍生物。其中，壬基酚聚氧乙烯醚就是一种用途非常广泛的非离子型表面活性剂，具有优良的乳化能力，但是一旦被排放到环境中迅速分解为壬基酚(NP)。壬基酚(NP)是一种公认的环境激素，它能模拟雌激素，干扰生物的内分泌，对生物的性发育产生影响，还可以导致人体雄性精子数量的减少，对生殖系统具有毒性。此外，壬基酚(NP)具有持久性以及生物蓄积性，能在环境中持续很长时间，而进入食物链后通过食物链逐级放大，在生物体内不断蓄积。研究表明，即使壬基酚(NP)的排放浓度很低，也极具危害性。

上述壬基酚或者其衍生物对环境和健康的负面影响巨大，许多发达国家和地区已经将其列为禁止或限制使用的化学物质，其产量在这些国家已大幅减少。壬基酚(NP)和壬基酚聚氧乙烯醚(NPE)同时被列入《保护东北大西洋海洋环境公约》(OSPAR Convention)第一批优先清除的化学物质。欧盟2006年12月签发的《关于化学品注册、评估、授权与限制的法规》(简称REACH法规)中，明确禁止NPE和NP在纺织生产行业中使用。2011年初，中国环保部和海关总署发布的《中国严格限制进出口的有毒化学品目录》中首次将NPE和NP列为禁止进出口物质。

近几年关于高速铁路水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青的专利，并未提及所述乳化剂不含有壬基酚以及壬基酚衍生物。在研究过程中，对部分专利的乳化沥青或者以专利乳化沥青制得的成品，浸泡后的水溶液采用气相色谱-质谱法和高效液相色谱法进行壬基酚检测，均能检测出含有壬基酚。目前尚无相关专利明确提出乳化沥青采用的乳化剂不含有壬基酚或者壬基酚衍生物。

随着国家对环境保护意识提高，针对壬基酚以及壬基酚衍生物相关产品和其应用领域逐步进行缩减；同时国家开展“高铁外交”，使得高速铁路走出国门的可能性变大，为了从技术上满足国际上对壬基酚及其衍生物的相关环保要求，研发出一种适用于高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道CRTSⅠ型水泥乳化沥青砂浆用的环保型乳化沥青显得更为迫切。

发明内容

现有技术经过简单的替代试验发现，在制备乳化沥青过程中将含有壬基酚结构的非离子乳化剂改为不含有壬基酚结构的非离子乳化剂(即环保型乳化剂)，则环保型乳化沥青的相关性能(如：恩格拉黏度、储存稳定性)不满足要求，特别是其制得的乳化沥青砂浆性能(如：可工作时间、1d抗压强度)不满足指标要求。因此，需要经过大量的试验，调整各个组分的掺量，以满足乳化沥青的性能指标并使其与不同品种水泥、不同地材的细骨料、聚合物乳液等有较强的适应性，同时满足乳化沥青砂浆在5℃、20℃、35℃时的施工性能和耐久性。因此，本发明的目的是提供一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青及其制备方法，本发明乳化沥青具有良好的稳定性和匀质性，与水泥、砂等无机材料相混合时温度适应性强；此外，本发明乳化沥青在制备过程中采用的乳化剂均不含有壬基酚以及其衍生物，因而乳化沥青在流转运输过程、使用过程中均不会有壬基酚及其衍生物析出，实现了乳化沥青以及其制成品的环境友好性。

用于实现上述目的的技术方案如下：

一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青，按质量份数计，所述乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55～65份；水35～45份；乳化剂1.0～3.0份；稳定剂0.05～0.8份；增稠剂0.01～1.0份；pH调节剂0.1～2.0份；助剂0.1～1.5；

优选地，按质量份数计，所述乳化沥青包括：

基质沥青或改性沥青58～63份；水37～42份；乳化剂1.4～2.5份；稳定剂0.05～0.5份；增稠剂0.01～0.5份；pH调节剂0.1～2.0份；助剂0.1～1.0；

所述基质沥青为50#～130#重交通道路石油沥青，优选为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、顺丁橡胶改性沥青或丁基橡胶改性沥青中的一种或几种，优选为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青和/或丁苯橡胶改性沥青。

本发明所述乳化沥青中所使用的沥青包含基质沥青和改性沥青，其中，基质沥青采用满足GB/T15180-2000要求的50#～130#重交通道路石油沥青，优选为70#～90#重交通道路石油沥青；改性沥青采用天然橡胶改性沥青、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、丁基橡胶改性沥青等，优选为SBS改性沥青、丁苯橡胶改性沥青。在乳化沥青以及水泥乳化沥青砂浆中，沥青都是主体成分，沥青材料的选择应与乳化沥青、水泥乳化沥青砂浆使用的气候环境条件相适应，在CRTS型水泥乳化沥青砂浆中沥青成为连续相，沥青性能直接影响着其与水泥、砂子等之间的界面状态。因而本发明中的重交通道路石油沥青以及SBS改性沥青除应满足本身的指标外，还应满足表1、表2的相关要求。

表1：重交通道路石油沥青技术要求

表2：SBS改性沥青技术要求

所述乳化剂是把阳离子型乳化剂、非离子型乳化剂、两性离子型乳化剂和矿物乳化剂中的两种或者两种以上复合在一起，呈现出慢裂属性的乳化剂复合物；更优选地，所述阳离子型乳化剂选自烷基胺、酰胺、咪唑啉、胺化木质素和季铵盐中的一种或多种；所述非离子型乳化剂选自聚氧乙烯型、多元醇型和聚醚型中的一种或多种；所述矿物乳化剂选自粘土、陶土、膨润土中的一种或多种；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多种。

本发明中所述的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，是把不含有壬基酚及其衍生物的阳离子型乳化剂、非离子型乳化剂、两性离子型乳化剂和矿物乳化剂中的两种或者两种以上按照一定比例复合在一起而成。

所述稳定剂选自无机盐类；

优选地，所述稳定剂选自可溶性氯化物盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐或硅酸盐中的一种或多种；

进一步优选地，所述稳定剂选自氯化钙、氯化钾、氯化钠、氯化铵、硫酸钠或硫酸镁中的一种或多种。所述稳定剂为易溶于水的强离子电荷物质，稳定剂通过调整沥青颗粒周围的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。

所述助剂为聚羧酸型高分子表面活性剂的混合物。所述助剂的作用为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，从而显著降低外加的拌和水，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、水密性，从而提高制得的水泥乳化沥青砂浆的抗冻性能等。

所述pH调节剂选自盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸中的一种或多种。pH调节剂通过调节乳化剂溶液的酸碱度，可以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，对于制备特殊用途的乳化沥青具有重要的作用。

所述增稠剂选自胺类、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多种。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。

本发明还提供一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用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；

(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和助剂加入至水中，后调节溶液pH值至2.5～3.0；

(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，所述乳化机的转速为2850r/min；

优选地，所述步骤(1)中，所述基质沥青加热至110℃～140℃，优选120℃～130℃；所述改性沥青温度加热至140℃～180℃，优选为150℃～160℃；

优选地，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℃；

优选地，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1.0um～2.5um。

优选地，所述步骤(3)中，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。

本发明提供的乳化沥青性能满足表3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4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，并且能够在低温、严寒以及高温等环境下施工或使用。

本发明乳化沥青除了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、不影响水泥的水化和硬化，与骨料的粘附力强等优点。

本发明制备乳化沥青所用的乳化剂中均不含有壬基酚及其衍生物，因此本发明乳化沥青在流转运输、使用、以及服役过程中均不会有壬基酚及其衍生物析出，减少甚至杜绝了壬基酚对环境中生物内分泌的干扰以及生殖系统的毒性，实现了乳化沥青以及其制成品的环境友好性。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，特别适用于在生物链高度密集地区修建高速铁路、客运专线、城际铁路板式无砟轨道用水泥乳化沥青砂浆。

表3：乳化沥青性能指标

注释：(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4：本发明乳化沥青配制水泥乳化沥青砂浆性能指标

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例1

本实施例中，沥青采用90号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，助剂为聚羧酸类，pH调节剂为盐酸，其组成如表5所示。

乳化沥青的制备方法：

(1)将90号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℃；

(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和助剂按比例加入到60℃的水中，然后通过盐酸调节溶液的pH值至2.5～3.0，将溶液温度控制在50℃～60℃；

(3)将步骤(2)得到的溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

(4)将步骤(1)得到的沥青按比例倒入乳化机中和上述溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，形成水包油的分散体系，乳化机的转速为2850r/min；

(5)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，沥青采用110号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铵、十八烷基二甲基丙酰胺，非离子乳化剂为聚氧乙烯醚，其聚氧乙烯聚合度为40，两性离子乳化剂为月桂基咪唑啉甜菜碱，增稠剂为聚醚，稳定剂为氯化铵、氯化钙，助剂为聚羧酸类，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：

(1)将110号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℃；

(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和助剂按比例加入到60℃的水中，然后通过盐酸调节溶液的pH值至2.5～3.0，将溶液温度控制在50℃～60℃；

(3)将步骤(2)得到的溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

(4)将步骤(1)得到的沥青按比例倒入乳化机中和上述溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，形成水包油的分散体系，乳化机的转速为2850r/min，；

(5)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，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铵及咪唑啉，非离子乳化剂为聚氧乙烯酯，其聚氧乙烯聚合度为30，两性离子乳化剂为月桂基酰胺基丙基甜菜碱，增稠剂为聚脲，稳定剂为氯化钙，助剂为聚羧酸类，pH调节剂为盐酸，其组成如表5所示。

乳化沥青的制备方法：

(1)将SBS改性沥青在100℃下脱水，然后将沥青温度控制在150℃～160℃；

(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和助剂按比例加入到70℃的水中，然后通过盐酸调节溶液的pH值至2.5～3.0，将溶液温度控制在65℃～70℃；

(3)将步骤(2)得到的溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

(4)将步骤(1)得到的沥青按比例倒入乳化机中和上述溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，粒径为1.0um～2.5um的沥青颗粒分散在溶液中，乳化机的转速为2850r/min；

(5)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。

对比例1

本对比例中，采用70号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，其聚氧乙烯聚合度为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，助剂为聚羧酸类，pH调节剂为盐酸，其组成如表5所示。乳化沥青的制备方法：

(1)将70号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℃；

(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和助剂按比例加入到65℃的水中，然后通过盐酸调节溶液的pH值至2.5～3.0，将溶液温度控制在50℃～60℃；

(3)将步骤(2)得到的溶液倒入清洗干净的乳化机中，开动乳化机；

(4)将步骤(1)得到的沥青按比例倒入乳化机中和上述溶液混合，在乳化机的高速剪切和分散作用下，粒径为1.0um～2.5um的沥青颗粒分散在溶液中。

(5)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。

表5：对比例1和实施例1～3中乳化沥青的组成

表6：对比例1和实施例1～3制得的乳化沥青性能

除表中指标外，对比例1乳化沥青的测试结果为壬基酚及其衍生物含量200mg/kg；实施例1～3乳化沥青的测试结果均为未检出壬基酚及其衍生物含量。

总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用乳化沥青，按质量份数计，所述乳化沥青包含：基质沥青或改性沥青55～65份；水35～45份；乳化剂1.0～3.0份；稳定剂0.05～0.8份；增稠剂0.01～1.0份；pH调节剂0.1～2.0份；助剂0.1～1.5；

优选地，按质量份数计，所述乳化沥青包括：

基质沥青或改性沥青58～63份；水37～42份；乳化剂1.4～2.5份；稳定剂0.05～0.5份；增稠剂0.01～0.5份；pH调节剂0.1～2.0份；助剂0.1～1.0。

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，优选为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(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，所述乳化剂是把阳离子型乳化剂、非离子型乳化剂、两性离子型乳化剂和矿物乳化剂中的两种或者两种以上复合在一起，呈现出慢裂属性的乳化剂复合物；更优选地，所述阳离子型乳化剂选自烷基胺、酰胺、咪唑啉、胺化木质素和季铵盐中的一种或多种；所述非离子型乳化剂选自聚氧乙烯型、多元醇型和聚醚型中的一种或多种；所述矿物乳化剂选自粘土、陶土、膨润土中的一种或多种；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多种。

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，所述稳定剂选自无机盐类；

优选地，所述稳定剂选自可溶性氯化物盐、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐或硅酸盐中的一种或多种；

进一步优选地，所述稳定剂选自氯化钙、氯化钾、氯化钠、氯化铵、硫酸钠或硫酸镁中的一种或多种。

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，所述助剂为聚羧酸型高分子表面活性剂的混合物。

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pH调节剂选自盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸中的一种或多种。

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，所述增稠剂选自胺类、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多种。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的无砟轨道水泥乳化沥青砂浆用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；

(2)将乳化剂、增稠剂、稳定剂和助剂加入至水中，后调节溶液pH值至2.5～3.0；

(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2850r/min；

优选地，所述步骤(1)中，所述基质沥青加热至110℃～140℃，优选120℃～130℃；所述改性沥青温度加热至140℃～180℃，优选为150℃～160℃；

优选地，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℃；

优选地，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1.0um～2.5um；

优选地，所述步骤(3)中，所述乳化沥青经搅拌冷却至温度低于35℃后使用。