乳化剂烷基链长对CnTAC乳化沥青稳定性及破乳规律影响研究

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在公路工程粘层、透层、封层、微表处等应用中,阳离子乳化剂烷基三甲基氯化铵(CnTAC,例如十六烷基三甲基氯化铵(C16TAC)、十八烷基三甲基氯化铵(C18TAC))应用广泛。为了实现对乳化沥青破乳速度的定量分析,进而实现可控的乳化沥青破乳速度,本文以4种CnTAC、集料(Si O2、CaCO3)、70#基质沥青等为研究对象,借助分子动力学模拟(MD)结合乳化沥青储存稳定性试验、差示扫描量热法(DSC)以及乳化沥青破乳速度试验等研究手段,探究了CnTAC乳化剂烷基链长对CnTAC乳化沥青稳定性及破乳规律的影响,主要研究内容及结论如下:(1)通过MD分别构建了沥青、CnTAC乳化沥青模型,并通过动力学计算验证了沥青模型的可靠性。同时,对CnTAC乳化沥青模型进行动力学计算得到稳定能、扩散系数等参数,以此来探究了CnTAC乳化剂掺量、烷基链长对CnTAC乳化沥青稳定性的影响。结果表明:本文所构建的沥青模型、乳化沥青模型均符合要求;适当增加CnTAC乳化剂烷基链长有助于降低CnTAC乳化沥青体系油水界面张力,提高体系稳定性;CnTAC乳化剂主要以静电力稳定乳化沥青体系;当CnTAC乳化剂掺量达到15%时,C16TAC乳化沥青的稳定性最好,且在15%掺量下CnTAC乳化沥青稳定性大小排序为:C16TAC>C18TAC>C14TAC>C12TAC。(2)通过1d储存稳定性试验、差示扫描量热法(DSC)探究了CnTAC乳化剂掺量、烷基链长对CnTAC乳化沥青稳定性的影响,并通过灰色关联分析,以此来验证MD分析结果。结果表明:通过乳化沥青储存稳定性试验发现增加CnTAC乳化剂烷基链长、掺量,有助于提高CnTAC乳化沥青的储存稳定性,且在最优掺量4%时的储存稳定性大小排序为:C16TAC>C18TAC>C14TAC>C12TAC;通过DSC分析发现CnTAC乳化沥青在4%掺量下的吸热量最小,即在此掺量下CnTAC乳化沥青热稳定性最好;在最优掺量下,CnTAC乳化沥青的吸热量随CnTAC乳化剂烷基链长增加而减小,说明增加CnTAC乳化剂烷基链长有助于提高CnTAC乳化沥青的热稳定性,其热稳定性大小排序为:C16TAC>C18TAC>C14TAC>C12TAC;通过灰色关联分析,验证了研究内容(1)中MD的分析结果,其中以MD中扩散系数与试验中1d储存稳定性的关联性最好。(3)通过MD构建了CnTAC乳化沥青/集料的层结构模型,通过动力学计算后得到的CnTAC乳化沥青相对浓度分布(CP)变化、扩散系数(MSD)和粘附能研究了CnTAC乳化剂烷基链长对CnTAC乳化沥青破乳的影响,并采用乳化沥青破乳速度试验验证MD分析结果,结果表明:通过MD计算发现增加CnTAC乳化剂烷基链长,使得CnTAC乳化沥青在集料表面的吸附速度减慢、吸附量减少、粘附性降低,进而减缓CnTAC乳化沥青在集料表面的破乳速度;通过乳化沥青破乳速度试验发现CnTAC乳化沥青的破乳速度随CnTAC乳化剂烷基链长增加而变缓,其结果MD结果一致,即在酸性集料Si O2表面的破乳时间大小排序为:C16TAC>C18TAC>C14TAC>C12TAC,在碱性集料CaCO3表面的破乳时间大小排序为:C18TAC>C16TAC>C14TAC>C12TAC;通过MD和破乳速度试验发现,由于碱性集料(CaCO3)表面带有负电荷与CnTAC乳化沥青中的CnTAC乳化剂存在较大的静电作用,同时CnTAC乳化沥青在酸性环境下更为稳定,因此CnTAC乳化沥青在酸性集料(Si O2)的破乳速度整体慢于在碱性集料(CaCO3)中的破乳速度。
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