CÔNG TY CP PHỤ GIA VÀ HOÁ CHẤT DẦU KHÍ
Chuyên trang về các loại phụ gia dầu mỏ và dẫn xuất của công nghiệp lọc hóa dầu
Chuyên trang về các loại phụ gia dầu mỏ và dẫn xuất của công nghiệp lọc hóa dầu
Nhũ tương nhựa đường là thành quả của quá trình nghiên cứu không ngừng của các nhà khoa học.
Nhũ tương nhựa đường là một hợp chất gồm hai thành phần dị thể cơ bản là nhựa đường và nước, được gọi là hai pha nước và pha nhựa đường. Nhựa đường được phân tán trong nước dưới dạng các hạt riêng rẽ có đường hính từ 0,1 – 5 micrôn. Các hạt nhựa đường được giữ ở trạng thái lơ lững tích điện và được ổn định bằng chất nhũ hóa.
Nhũ tương nhựa đường có thể được chia ra làm 4 loại trong đó có hai loại đầu là quan trọng nhất:
Nhũ tương cation;
Nhũ tương anion
Nhũ tương không chứa ion;
Nhũ tương được ổn định bằng đất sét.
Thuật ngữ anion và cation để chỉ các điện tích bao quanh các hạt nhựa đường. Hiện tượng này bắt nguồn từ một quy luật cơ bản về điện. Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, các điện tích khác dấu hút nhau. Nếu một dòng điện chạy qua một dung dịch nhũ tương chứa hạt nhựa đượng tích điện âm, chúng sẽ di chuyển về phía anode. Bởi vậy, nhũ tương này được gọi là amion. Ngược lại, các hạt nhựa đường tích điện dương, chúng sẽ di chuyển về phía catode và nhũ tương này được gọi là cation. Nhựa đường trong dung dịch nhũ tương trung tích chứa ion là các hạt trung tính và do vậy chúng sẽ không di chuyển tới bất kỳ cực nào. Nhũ tương trung tính rất hiếm khi được sử dụng trong xây dựng đường.
Loại nhũ tương được ổn định bằng đất sét được sử dụng trong công nghiệp nhiều hơn là trong xây dựng đường. Ở đây các chất nhũ hóa là các loại bột mịn như sét và bentonite.
Vào năm 1906, Schade van Wastrum nhận được bằng sáng chế về sử dụng nhựa đường phân tán trong nước để làm đường. Những nỗ lực ban đầu nhằm tạo ra nhũ tương bằng phương pháp cơ học thuần túy. Tuy nhiên người ta nhanh chóng nhận ra rằng nếu chỉ đơn thuần dùng các giải pháp cơ học thuần túy là không đủ. Và đó là lần đầu tiên các chất nhũ hóa cation và anion đã được sử dụng để sản xuất nhũ tương nhựa đường. Ban đầu người ta đã lợi dụng các axit hữu cơ xuất hiện tự nhiên trong nhựa đường bằng việc đơn giản cho thêm hydroxit kali hay natri vào dung dịch nước và các chất nhũ hóa. Kết quả phản ứng giữa axit và kiềm tạo ra xà phòng anion, là hoạt chất tạo chất căng bề mặt và do đó có khả năng tạo sự ổn định cho dung dịch phân tán. Nhiều hóa chất khác nhau đã được sử dụng để nâng cao tính ổn định của nhũ tương nhựa đường. Trong số đó có cặn còn lại sau khi chưng cất axit béo, axit roxyn, axit hydroxyl stiric, lignin sulphonate… được trộn với nhựa đường trước khi hóa nhũ.
Kể từ đầu thập niên 1950, các chất tạo nhũ cation đã trở nên phổ biến bởi khả năng kết dính với rất nhiều loại bề mặt rắn khác nhau của chúng. Sự phù hợp với các loại cốt liệu khác nhau là một loại đặc tính quan trọng của nhũ tương cation trong xây dựng đường bởi chúng dính bám tốt với các loại cốt liệu khoáng khác nhau. Các chất tạo nhũ tương cation được sử dụng rộng rãi là các stearyl mono-amin, di-amin dạng thẳng, amido amin và imidazoline.
1 Các chất tạo nhũ tương
Chất tạo nhũ tương là một chất có chứa chuỗi hydrocacbon dài, kết thúc bằng một nhóm các đặc tính cation hoặc anion. Phần paraffin trong phân tử có một ái lực đối với nhựa đường và phần ion có một ái lực với nước, ion của chất tạo nhũ tương tự nó nằm trên bề mặt. Bởi thế các giọt nhỏ nhựa đường này được tích điện dương trong nhũ tương cation và được tích điện âm trong nhũ tương anion. Chất tạo nhũ tương không chỉ là một yếu tố tạo sự ổn định mà còn làm tăng khả năng dính bám của nhũ tương nhựa đường. Phần cation của chất tạo nhũ tạo ra một liên kết tĩnh điện mạnh với bề mặt cốt liệu được tích điện âm. Các hạt nhựa đường được hút vào bề mặt cốt liệu và các điện tích dương của nhựa đường được trung hòa bằng các điện tích âm của oxy hóa trị bề mặt cốt liệu. Các hạt này kết hợp lại và bám vào cốt liệu.
Các dung dịch tạo nhũ tương được làm bằng cách hòa tan các amin, diamin hoặc amino alkoxylate amin vào trong axit chlohydric hoặc axit axetic. Phản ứng được tiến hành bằng cách kiểm soát thận trọng độ pH để tạo ra muối amin. Ví dụ:
R-NH2 + HCL RNH+3 + Cl-
Amin + Axit chlohydric Amin hydroclorid
Phản ứng cho thấy khi một nhũ tương được tạo ra với một muối amin, cation tích điện dương định vị bám trên bề mặt giọt nhựa đường. Các ion Cl- tích điện âm sau đó được hút vào bề mặt tích điện dương và cùng với nước tạo ra một lớp được gọi là lớp tích điện kép. Điều này được minh họa ở hình 4.2. Độ dày của lớp này có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và độ nhớt của nhũ tương nhựa đượng. Các nhũ tương anion được sản xuất với axit béo mà axit béo đã được xà phòng hóa với hydroxit natri.
Dung dịch chất tạo nhũ tạo ra một lượng dư hydroxit natri, lượng dư đó cũng được trung hòa bằng axit tự nhiên chứa trong nhựa đường. Ví dụ:
RCOOH + NaOH RCOO- + Na+ + H2O
Axit béo + Hydroxyt natri Xà phòng axit béo
2 Sản xuất nhũ tương nhựa đường
Phần lớn nhũ tương được sản xuất bằng thiết bị trộn. Thiết bị này gồm có một rotor cao tốc quay với tốc độ từ 1000 – 6000 vòng/phút trong một stator và khoảng trống giữa rotor và stator thường là 0,25 mm – 0,5 mm; khoảng trống đó có thể điều chỉnh được. Nhựa đường nóng và dung dịch chất tạo nhũ được nạp riêng rẽ nhưng đồng thời vào thiết bị trộn. Nhiệt độ của hai thành phần này có thể biến động phụ thuộc vào phẩm cấp, tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương và loại chất nhũ hóa… Độ nhớt của nhựa đường khi được đưa vào máy trộn không được vượt quá 0,2 Pa.s (2 poise). Để đạt được độ nhớt này, nhựa đường được duy trì trong ở nhiệt độ trong khoảng từ 100 – 140oC. Nhiệt độ của nước pha các chất nhũ hóa được điều chỉnh để nhiệt độ của nhũ tương nhựa đường được sản xuất ra không vượt quá 90oC . Nhựa đường và dung dịch chất nhũ hóa được đưa vào cối trộn và phải chịu lực cắt mãnh liệt nhằm làm cho nhựa đường bị vỡ ra thành từng hạt nhỏ. Từng hạt nhựa đường sau đó được bao bọc bởi chất nhũ hóa, chất đó làm cho bề mặt nhựa đường tích điện và chính lực tĩnh điện ngăn các hạt nhựa đường không kết lại với nhau.
Nhựa đường và dung dịch chất nhũ hóa được bơm vào thiết bị trộn bằng bơm cơ khí hay bơm bằng tay, song phải có thiết bị đo lưu lượng để kiểm soát được lượng nhựa đường và dung dịch nhũ hóa bơm vào thiết bị trộn.
Có nhiều phương pháp bổ sung chất tạo nhũ và nước. Với một số chất tạo nhũ như các amin phải phản ứng với một axit, ví dụ như axit chlohydric, để có thể đạt tới độ hòa tan trong nước, trong khi đó với các chất tạo nhũ khác như axit béo, phải phản ứng với chất kiềm, như hydroxit natri nhằm đạt tới độ hòa tan trong nước.
3 Công thức nhũ tương nhựa đường
Công thức nhũ tương nhựa đường lên quan đến một vấn đề rất phức tạp là tính ổn định. Một dung dịch không hòa tan, ổn định cần được bảo quản và vận chuyển thích hợp để chúng không bị phá vỡ cấu trúc. Tuy vậy, cấu trúc nhũ tương sẽ bị phá vỡ nhanh chóng ngay sau khi sử dụng trên mặt đường. Từ quan điểm kỹ thuật, các đặc tính quan trọng nhất của các nhũ tương nhưạ đường có thể được mô tả như sau:
· Độ ổn định của nhũ tương;
· Độ dính bám của nhũ tương;
· Độ nhớt của nhũ tương.
3.1 Độ ổn định của nhũ tương
Có hai yêu cầu mâu thuẫn với nhau của nhũ tương nhựa đường, đó là tính ổn định trong quá trình tồn chứa, bảo quản và tốc độ phá vỡ cấu trúc ổn định khi tiếp xúc với cốt liệu để bảo đảm dính bám tốt.
3.1.1 Độ ổn định trong quá trình tồn chứa
Trong giai đoạn đầu của quá trình tồn chứa nhũ tương nhựa đường xãy ra hiện tượng lắng xuống do trọng lực. Hiện tượng lắng tạo ra hai lớp sản phẩm, ở phía trên là một lớp sản phẩm loãng, còn phía dưới là lớp sản phẩm đặc. Vận tốc chuyển động xuống phía dưới của các hạt vật chất này có thể ước tính được bằng cách sử dụng quy luật Stokes, trong đó tốc độ lắng của các hạt nhũ tương nhựa đường (V) được biểu diễn theo công thức sau:
V =
Trong đó: g = Trọng lực
r = bán kính của hạt
d1 = trọng lượng riêng của nhựa đường
d2 = trọng lượng riêng của nhũ tương
ŋ = Độ nhớt của nhũ tương
Tuy nhiên, quy luật Stokes thường được áp dụng đối với các hạt chuyển động tự do. Trong nhũ tương nhựa đường, các hạt nhựa đường được sắp xếp chặt chẽ do vậy việc áp dụng quy luật Stokes không thể tránh khỏi tình trạng ước tính tốc độ lắng của các hạt sản phẩm lớn hơn so với thực tế.
Hơn nữa, ngoài trọng lực còn có hai lực khác cũng có tác dụng trong dung dịch nhũ tương, đó là lực đẩy và lực hút. Lực đẩy có nguồn gốc từ lực đẩy giữa các lớp tĩnh điện kép trên các giọt nhựa đường được tạo ra do chất tạo nhũ bị ion hóa. Nó có thể được tăng lên bằng cách tăng nồng độ các chất tạo nhũ và bị giảm đi bằng cách thêm vào nhũ tương một lượng dư các ion tích điện âm. Lực hút liên quan đến thể tích hoặc số lượng các hạt nhựa đường. Nếu các hạt đó có kích thước lớn hoặc nếu sự phân bố các hạt có kích thước đồng đều trên một diện rộng thì lực hút trở thành lực đẩy.
Sự kết lại của các hạt nhựa đường sau khi lắng động diễn ra qua hai giai đoạn. Trước hết các hạt nhựa đường kết lại thành búi như chùm nho tạo ra những chùm hạt nhựa đường. Hiện tượng này được coi là sự kết đám. Sau khi đã kết thành từng chùm, các hạt nhựa đường nhỏ bắt đầu hòa nhập với nhau tạo ra các hạt nhựa đường có kích thước lớn hơn, đây là một hiện tượng không thể đảo ngược được. Quá trình này có thể là tự phát hoặc nó có thể là do tác động của các hoạt động cơ học.
3.1.2 Tốc độ phá vỡ cấu trúc khi tiếp xúc với cốt liệu
Nhũ tương chứa các phân tử chất tạo nhũ cả ở thành phần nước và cả trên bề mặt các hạt nhựa đường. Một số ion trong chất tạo nhũ đã tạo ra các mixen (phân tử polyme). Trong một dung dịch nhũ tương đã ổn định sẽ hình thành và tồn tại một thế cân bằng. Nếu một số ion của chất tạo nhũ bị loại bỏ khỏi dung dịch, sự cân bằng sẽ được phục hồi lại bởi các ion từ các phân tử polyme và từ bề mặt của các hạt nhựa đường sẽ thay thế chúng. Hiện tượng này xuất hiện khi nhũ tương nhựa đường tiếp xúc với cốt liệu khoáng. Điện tích âm trên bề mặt cốt liệu nhanh chống hấp thu một số ion từ dung dịch nhũ tương nhựa đường, làm suy yếu điện tích trên bề mặt nhựa đường, điều đó khởi đầu cho quá trình đứt vỡ cấu trúc nhũ tương nhựa đường. Khi điện tích trên bề mặt nhựa đường bị suy yếu đến một điểm nào đó thì qua trình liên kết giữa các hạt nhựa đường sẽ nhanh chóng xãy ra. Khi đó bề mặt các hạt cốt liệu sẽ được bao phủ trong các chuổi hydrocacbon và do đó nhựa đường được giải phóng kết dính mạnh mẽ vào bề mặt cốt liệu.
3.2 Độ kết dính của nhũ tương
Một yêu cầu cơ bản trong mọi ứng dụng có sử dụng nhựa đường là sự kết dính giữa các bề mặt rắn mà nhựa đường phải “làm ướt” để tạo ra diện tích tiếp xúc lớn nhất. Với các chất nền khô “sức căn bề mặt tới hạn” của cốt liệu phải đủ mức để đảm bảo nhựa đường lan ra dễ dàng trên bề mặt cốt liệu, kết quả là độ kết dính giữa nhựa đường và bề mặt cốt liệu thắng được lực kết dính nội tại của nhựa đường. Tuy nhiên khi bề mặt cốt liệu bị nước bao phủ và bị ướt sẽ gây ra một hiện tượng có 3 pha, hiện tượng này chỉ có thể xuất hiện nếu sự cân bằng của năng lượng tương tác thuận lợi cho các phân tử nhựa đường tiếp xúc được, hay còn gọi là làm ướt được bề mặt cốt liệu. Các chất tạo nhũ cation đặt biệt có hiệu quả ở việc làm giảm năng lượng bề mặt tự do của cốt liệu phân cực, tạo ra một điều kiện nhiệt động lực ổn định, một năng lượng bề mặt tối thiểu do đó chất tạo nhũ sẽ được hút vào bề mặt cốt liệu.
Hầu hết chất tạo nhũ cation là các chất chống bong, do đó sự liên kết ban đầu được đảm bảo. Tuy nhiên, chất lượng của sự liên kết giữa nhựa đường và cốt liệu phụ thuộc vào một số nhân tố như:
Chủng loại và số lượng chất tạo nhũ;
Phẩm cấp và các chất cấu thành của nhựa đường;
Độ pH của dung dịch chất tạo nhũ;
Kích cỡ hạt phân tán của nhũ tương
Chủng loại cốt liệu
3.2 Độ nhớt của nhũ tương
Độ nhớt của nhũ tương là một yếu tố rất quan trọng vì phần lớn các loại nhũ tương được sử dụng dưới dạng phun. Sự phân bố của nhũ tương từ dàn phun nén là một hàm số của độ nhớt của nhũ tương đó. Do đó độ nhớt của cả nhũ tương anion và cation được nêu cụ thể trong tài liệu tiêu chuẩn Anh Quốc BS 434: phần 1 và phần 2: 1984. Độ nhớt của một nhũ tương phụ thuộc vào một số nhân tố đã được trình bày dưới đây.
4 Phân loại và đặc tính kỹ thuật của các loại nhũ tương nhựa đường
Các nhũ tương nhựa đường được phân loại trong BS 434 : phần 1: 1984 bằng một quy định có 3 phần. Theo phần thứ nhất của quy định này, nhũ tương nhựa đường phải thuộc hai loại A hoặc K, tức là nhũ tương anion hay cation. Phần 2, từ mục 1 đến 4 chỉ rõ tốc độ suy yếu cấu trúc hay độ ổn định, chỉ số càng cao thì độ ổn định càng lớn. Phần thứ 3 của quy định, từ mục 40 đến 70 chỉ rõ hàm lượng nhựa đường trong nhũ tương. Ví dụ:
K1-70 là loại nhũ tương cation, ngưng kết nhanh với hàm lượng nhựa đường là 70%.
A2-50 là một nhũ tương anion, bán ổn định với một tỷ lệ nhựa đường là 50%.
BS434 ghi rõ độ nhớt của nhũ tương nhựa đường (độ Engler hoặc Redwood) và hàm lượng nhựa đường.
5 Biến đổi các đặc tính của nhũ tương nhựa đường
Có một số biện pháp cơ bản mà nhà sản xuất nhũ tương nhựa đường có thể thực hiện biến đổi các đặc tính cơ bản của nhũ tương nhựa đường, ví dụ: độ nhớt, tính ổn định trong quá trình tồn chứa, tốc độ phá vỡ cấu trúc và sự phân bố cỡ hạt. Ngược lại với những suy luận thông thường, thực ra nhựa đường không phải là yếu tố duy nhất mà người ta cần kiểm soát trong quá trình sản xuất nhũ tương nhựa đường, tất nhiên ảnh hưởng của nó là một yếu tố rất quan trọng.
Có 3 cách cơ bản qua đó có thể tác động đén sự thay đổi các đặc tính của nhũ tương nhựa đường.
Bằng cách thay đổi phẩm cấp, nồng độ hoặc xuất xứ của nhựa đường;
Bằng cách thay đổi công thức nhũ tương;
Bằng cách thay đổi chủng loại chất tạo nhũ hoặc tỷ lệ chất tạo nhũ trong nhũ tương nhựa đường.
5.1 Làm thế nào để tăng độ nhớt của nhũ tương
Tăng tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương
Việc tăng tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương phải tuân thủ một số giới hạn, trước hết tăng tỷ lệ nhựa đường sẽ được xem là một giải pháp tốn kém, thứ hai nếu hàm lượng nhựa đường trong nhũ tương đã cao rồi, thì việc tăng một lượng nhỏ nhựa đường có thể làm tăng độ nhớt của nhũ tương lên rất nhiều.
Biến đổi thành phần dung dịch tạo nhũ
Độ nhớt của một nhũ tương nhựa đường phụ thuộc rất nhiều vào các hợp chất trong dung dịch tạo nhũ. Người ta đã chứng minh được rằng độ nhớt có thể được tăng lên bằng cách giảm hàm lượng axit, tăng hàm lượng chất tạo nhũ tương hoặc bằng cách tăng tỷ lệ trung hòa giữa hàm lượng axit và amin.
Tăng tốc độ bơm các thành phần cấu thành nhũ tương vào máy trộn
Bằng cách tăng lưu lượng bơm các hợp chất vào máy trộn, sự phân bố cỡ hạt của nhũ tương sẽ bị thay đổi, khi nhựa đường chiếm tỷ lệ 65% trong nhũ tương, độ nhớt của nhũ tương nhựa đường phụ thuộc mạnh vào lưu lượng bơm các thành phần cấu thành nhũ tương vào máy trộn. Tuy nhiên đối với nhũ tương có tỷ lệ nhựa đường lớn hơn 65%, các hạt nhựa đường được sắp xếp khá sít nhau, gây ra một sự thay đổi trong sự phân bố cỡ hạt bằng sự thay đổi lưu lượng, đã tác động đáng kể đến độ nhớt của nhũ tương.
Giảm độ nhớt của nhũ tương
Nếu giảm độ nhớt của nhựa đường xuống, khi nhựa đường được bơm vào thiết bị trộn sẽ làm giảm kích thước của phân tử nhũ tương, do đó có xu hướng làm tăng độ nhớt của nhũ tương.
5.2 Làm thế nào để giảm độ nhớt của nhũ tương
Giảm tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương
Kỹ thuật này chỉ được thực hiện bằng cách khống chế tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương. Đối với nhũ tương có tỷ lệ nhựa đường nhỏ hơn 60%, tác động của biện pháp này tương đối nhỏ. Tuy nhiên không thể hạ tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương xuống mức thấp hơn mức tối thiểu.
Biến đổi công thức nhũ hóa
Để giảm độ nhớt của nhũ tương, hoặc phải tăng hàm lượng axit hoặc giảm hàm lượng amin. Tuy vậy phải lưu ý rằng các đặc tính khác của nhũ tương phụ thuộc rất nhiều vào các hợp chất cấu thành dung dịch tạo nhũ.
Tăng lưu lượng bơm các hợp chất vào máy trộn
Đây là quá trình đảo của nguyên lý tăng độ nhớt của nhũ tương.
5.3 Làm thế nào để thay đổi tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương
Tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương phụ thuộc chặt chẽ vào chủng loại và kích thước hạt cốt liệu. Tuy vậy, tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương có thể được cải tạo bằng cách:
Cải biến tổng hợp làm dung dịch tạo nhũ
Thực tế đã chứng minh rằng tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương sẽ tăng lên nếu ta giảm hàm lượng axit, tăng hàm lượng chất nhũ hóa hoặc bằng việc giảm tỷ lệ giữa hàm lượng axit và chất nhũ hóa trong nhũ tương.
Tăng hàm lượng nhựa đường
Tăng hàm lượng nhựa đường trong nhũ tương nhựa đường làm cho tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương tăng lên, mức độ tác động phụ thuộc vào hợp chất làm dung dịch tạo nhũ.
Thêm các chất phân tách
Việc sử dụng các chất phân tách có thể thúc đẩy tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương. Đối với các nhũ tương nhựa đường dùng để láng nhựa mặt đường, có thể phun một hóa chất thúc đẩy phá vỡ cấu trúc của nhũ tương ngay sau khi phun nhũ tương trên mặt đường. Thông thường cách hóa chất tách phân là những chất lưỡng tính. Đối với các nhũ tương được sử dụng trong sản xuất hỗn hợp đá – nhựa nguội có thể rắc vôi vào đá dăm trước khi trộn. Các chất thúc đẩy tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương thường có vai trò kép bởi vì chúng cũng có thể nâng cao độ bám dính giữa cốt liệu và nhựa đường.
Các yếu tố khác
Một số yếu tố khác cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương và có thể được tóm tắt như sau:
Chủng loại chất nhũ hóa
Kích thước và sự phân bố các hạt nhũ tương khi phun trên mặt đường; cỡ hạt càng mịn độ phân tán càng nhỏ thì tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương càng chậm.
Nhiệt độ: nhiệt độ môi trường nơi thi công càng cao thì tốc độ phá vỡ cấu trúc của nhũ tương càng nhanh.
5.4 Làm thế nào để tác động đến độ ổn định của nhũ tương trong quá trình tồn chứa
Thông thường, bất kỳ một thiếu sót nào có liên quan đến độ ổn định của một nhũ tương cũng sẽ dẫn đến hiện tượng lắng trong quá trình tồn chứa nhũ tương. Có thể dẫn ra một số nguyên nhân sau đây:
Nhựa đường có trọng lượng riêng cao
Nhựa đường có trọng lượng riêng cao sẽ có xu hướng lắng đọng khi được hóa nhũ, quá trình này có thể được khắc phục bằng cách:
Làm giảm trọng lượng riêng của nhựa đường bằng cách cho thêm dầu hỏa lỏng trước khi sản xuất nhũ tương, tuy nhiên diều này sẽ làm tăng độ nhớt cuả nhũ tương có thể làm giảm độ nhớt cảu chất kết dính trên mặt đường. Có thể làm tăng trọng lượng riêng của dung dịch tạo nhũ tương bằng cách cho thêm muối như canxi chlorua vào dung dịch tạo nhũ.
Nhũ tương có độ nhớt thấp
Nhũ tương có độ nhớt thấp có xu hướng lắng động hơn là các nhũ tương có độ nhớt cao, bởi vì các hạt có khả năng di chuyển tự do hơn. Độ ổn định của nhũ tương trong quá trình tồn chứa có thể được nâng lên bằng cách tăng độ nhớt như đã nêu ở trên. Tăng hàm lượng chất nhũ hóa cũng sẽ làm giảm tỷ lệ lắng động.
Hàm lượng chất điện phân của nhựa đường
Sự có mặt của các cation trong nhựa đường có thể làm giảm độ ổn định của nhũ tương nhựa đường trong quá trình tồn chứa. Trong các nhũ tương cation, một nồng độ natri cao trong nhựa đường có thể tác động đến quá trình phá vỡ cấu trúc nhũ tương trong thời gian tồn chứa. Có thể chống lại điều này bằng cách cho thêm một muối vào dung dịch tạo nhũ.
Thành phần hạt trong nhũ tương
Các nhũ tương nhựa đường có cỡ hạt đa dạng thường bị lắng nhiều hơn các nhũ tương có thành phần hạt đồng đều. Điều này do các hạt lớn lắng xuống nhanh hơn do lực đẩy của các hạt. Do đó, các nhũ tương có thành phần hạt với kích thước tương đối đồng đều thường ổn định hơn trong bảo quản.
5.5 Làm thế nào để thay đổi thành phần kích thước hạt của một nhũ tương
Thành phần kích thước giọt nhũ tương phụ thuộc vào sức căng bề mặt giữa thành phần nhựa đường và phần lỏng tức dung dịch tạo nhũ (sức căng bề mặt càng thấp thì nhựa đường phân tán càng dễ) và năng lượng được sử dụng trong việc phân tán, cắt nhựa đường thành các hạt trong dung dịch nhũ tương nhựa đường. Với cùng một năng lượng cơ học, các nhựa đường có độ cứng cao hơn sẽ tạo ra một dung dịch nhũ tương nhựa đường có kích thước hạt lớn hơn, trong khi đó nhựa đường cutback hoặc nhựa đường có độ kim lún cao hơn, mềm hơn sẽ tạo ra nhũ tương có hạt nhỏ hơn, mịn hơn. Người ta có thể tác động đến kích cỡ và mật độ hạt trong nhũ tương, để tạo ra một sản phẩm nhũ tương có cỡ hạt mịn và các hạt kích cỡ đồng đều hơn.
Cho thêm axit vào nhựa đường
Đối với các loại nhựa đường không có thành phần axit, một điều quan trọng là phải cho thêm axit naphthenic vào nhựa đường nếu muốn sản xuất ra nhũ tương nhựa đường anion. Axit phản ứng với kiềm trong dung dịch tạo nhũ để tạo ra xà phòng, một hợp chất có hoạt tính bề mặt và như thế sẽ tạo sự ổn định trong quá trình phân tán nhựa đường trong nhũ tương.
Thêm axit naphthenic làm cho kích thước trung bình của hạt nhựa đường trong nhũ tương nhỏ đi mà không làm thay đổi sự phân bố hạt trong nhũ tương. Hơn nữa, diện tích bề mặt riêng của nhũ tương nhựa đường được tăng lên, kết quả là lượng chất tạo nhũ được các hạt nhựa đường hấp thụ gia tăng. Điều này làm giảm nồng độ chất nhũ hóa trong dung dịch tạo nhũ và làm tăng tốc độ phá vỡ cấu trúc nhũ tương khi trộn với cốt liệu.
Các điều kiện sản xuất
Các điều kiện sản xuất ảnh hưởng rất lớn đến thành phần hạt của nhũ tương, cụ thể là:
Nhiệt độ: Tăng nhiệt độ trong dung dịch tạo nhũ hoặc nhiệt độ của nhựa đường có nghĩa là giảm độ nhớt của nhũ tương, qua đó làm tăng cỡ hạt trung bình của nhũ tương.
Tỷ lệ nhựa đường: Tăng tỷ lệ nhựa đường trong nhũ tương là làm tăng cỡ hạt trung bình và có xu hướng làm giảm sự khác biệt về cỡ hạt, tức là nhũ tương có cỡ hạt đều hơn.
Hợp chất làm dung dịch tạo nhũ: Để sản xuất được các nhũ tương cation với axit chlohydric và một chất nhũ hóa amin, kích thước hạt có thể được giảm bằng cách tăng tỷ lệ axit hoặc tỷ lệ chất tạo nhũ. Nếu tỷ lệ axit đối với amin không đổi, ta vẫn có thể làm giảm kích thước hạt nằng cách tăng thành phần amin/axit; dường như sự khác biệt về kích cỡ hạt không liên quan đến nồng độ của hai thành phần nêu trên.
Điều kiện kỹ thuật của máy trộn chế nhũ tương nhựa đường như tốc độ quay của máy, khe hở giữa rotor và stator có ảnh hưởng mạnh mẽ đến kích cỡ và thành phần hạt của nhũ tương; một máy trộn có khe hở nhỏ sẽ tạo ra các hạt có kích thước nhỏ, với phạm vi khác biệt kích thước hạt tương đối nhỏ; tốc độ quay cao sẽ tạo ra kích thước hạt nhỏ.
Trên đây là các nhân tố ảnh hưởng đến các đặt tính của nhũ tương và một số phương pháp lựa chọn để các nhà sản xuất nhũ tương có thể điều chỉnh các đặc tính của nhũ tương. Tuy nhiên, thực tế là không thể điều chỉnh một đặc tính nào đó của nhũ tương mà không ảnh hưởng đến các đặc tính khác của nó. Đây là quan hệ tương hỗ giữa các đặt tính của nhũ tương nhựa đường.
6 Các công dụng của nhũ tương nhựa đường
Đại đa số nhũ tương bitum được sử dụng để láng mặt đường, nhưng tính đa dạng làm cho chúng phù hợp với rất nhiều công dụng khác nhau, từ rải đường đến gắn các chậu hoa làm bằng than bùn.
6.1 Nhũ tương nhựa đường trong hỗn hợp rải đường
Hỗn hợp nhựa đường-cốt liệu được sản xuất với nhũ tương nhựa đường đã được sử dụng ở Pháp từ thập kỷ 1950 và ngày nay hàng năm người ta sử dụng tới hơn một triệu tấn hỗn hợp nhũ tương nhựa đường-cốt liệu để rải đường. Chủng loại hỗn hợp chủ yếu là đá nhựa nhũ tương được sử dụng để làm lớp móng trên của đường bộ. Tuy nhiên, một số loại hỗn hợp được sản xuất từ nhũ tương nhựa đường dành cho rải lớp mỏng trên mặt đường và lớp móng trên cũng đã được áp dụng thành công.
Một vấn đề khi sử dụng nhũ tương nhựa đường trong hỗn hợp làm đường là cần tạo ra độ rỗng tương đối cao để nước có thể thoát nhanh trong quá trình đầm nén và khi con đường đã đi vào hoạt động. Hơn nữa, độ bền của mặt đường được gia công với hỗn hợp nhũ tương-cốt liệu đường hình thành tương đối chậm. Vì cả hai lý do này mà các hỗn hợp nhũ tương-cốt liệu chỉ phù hợp với các con đường chịu tải trọng nhỏ. Do vậy, loại vật liệu này chỉ được sử dụng rất hạn chế ở Vương quốc Anh.
Trước đây, các hỗn hợp đá nhựa đông kết chậm hoặc được sản xuất với việc sử dụng một phẩm nhựa đường lỏng với nhiều loại dầu pha khác nhau. Các vật liệu này chủ yếu được sử dụng cho việc duy tu, sữa chữa đường. Sự phát triển của các nhũ tương phủ cốt liệu đã tạo ra một số loại hỗn hợp nhũ tương-cốt liệu dùng cho những mục đích đặc thù trong xây dựng đường giao thông.
Một số ứng dụng khác của nhũ tương nhựa đường trong hỗn hợp làm đường là khôi phục mặt đường theo phương pháp trộn nguội tại chỗ. Người ta dùng máy làm đường liên hợp bóc lớp mặt đường, rồi nghiền lớp mặt đường mới bóc thành các hạt cốt liệu theo kích thước yêu cầu và sàng lọc để loại bỏ các hạt không đúng kích thước. Sau đó cốt liệu tái chế được phun một lớp nhũ tương, sau mỗi lần phun nhũ tương người ta lại dùng thiết bị đảo lớp cốt liệu để nhũ tương bám dính đều với cốt liệu. Qúa trình phun và đảo lặp khoảng từ 2 đến 3 lần. Tiếp theo người ta dùng xe lu trọng lượng 8-10 tấn để đầm nén lớp nhũ tương-cốt liệu và cuối cùng mặt đường được láng một lớp hỗn hợp mịn chống thấm.
Nhũ tương nhựa đường cũng được sử dụng làm lớp dính bám. Đó là một kỹ thuật được áp dụng để đảm bảo sự liên kết bám dính giữa các lớp của mặt đường .
6.2 Các ứng dụng khác của nhũ tương nhựa đường
Nhũ tương nhựa đường được sử dụng rộng rãi không chỉ trong xây dựng đường bộ, mà còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như trong xây dựng dân dụng, làm vườn và nông nghiệp. Dưới đây là một số ví dụ, tuy chưa đầy đủ, chứng minh sự đa dạng của việc ứng dụng nhũ tương nhựa đường trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
6.2.1 Sử dụng để làm ổn định đất
Lớp đất mặt mới đắp ở đường đê bao hay đất nông nghiệp được cày xới rất dễ bị rửa trôi bề mặt hoặc sụt lở. Do đó cần làm cho bề mặt đất ổn định bằng chất liên kết hoặc là tạo ra sự ổn định của nền đất bằng cách trồng cây.
Nhũ tương nhựa đường được phun lên bề mặt đất sẽ kết dính lớp đất mặt lại với nhau và giúp cho hạt nảy mầm thuận lợi hơn do:
Giữ được độ ẩm cho đất
Nâng cao khả năng cách nhiệt
Bảo vệ hạt khỏi chim phá hoại và các yếu tố khác
6.2.2 Làm chậu tạm để ươm cây
Chậu ươm cây bằng than bùn dùng làm công cụ tạm để ươm cây được sử dụng phổ biến trong làm vườn. Một trong những đặc tính hấp dẫn của loại chậu này là rễ cây trồng phát triển xuyên qua vách bằng than bùn, do đó rất thuận lợi khi mang cây trồng vào vườn hoặc trồng vào các chậu cứng cố định khác. Trước đây người ta thường gia cố bên ngoài chậu than bùn bằng lưới chất dẻo để chống vỡ. Ngày nay nhũ tương bitum được dùng để thay thế lưới nhựa, nó có thể để liên kết với than bùn khá vững chắc đồng thời cho phép chậu than bùn nở ra khi hấp thu nước.
6.2.3 Chống thấm
Nhũ tương nhựa đường được sử dụng để tạo ra màng chống thấm giữa lớp móng bê tông và phần kết cấu bê tông phía trên của công trình xây dựng, mục đích là giữ được độ chắc của lớp bê tông đang được thi công ở phía trên công trình, ngăn không cho nước ở kết cấu bê tông phía trên thấm xuống kết cấu móng phía dưới. Lớp nhũ tương nhựa đường ngăn không cho móng và kết cấu bê tông phía trên đông kết liền nhau, vì đây là hai lớp bê tông có tuổi khác nhau, cường độ khác nhau, và qua đó ngăn ngừa được tình trạng bê tông phải chịu những tải trọng nội tại bên trong kết cấu.
6.2.4 Lớp phủ bảo vệ
Nhũ tương nhựa đường được sử dụng để bảo vệ các công trình bê tông, đường ống và các kết cấu kim loại chôn ngầm dưới đất. Để nâng cao đặc tính bám dính của lớp chất liên kết mỏng dạng cong, người ta thường sử dụng nhũ tương nhựa đường cải tiến bằng mủ cao su.
6.2.5 Trám khe hở và thấm nhập
Nhũ tương nhựa đường, thường dùng loại có chứa mủ cao su, là loại vật liệu tương đôí rẻ và hiệu quả để chèn các khe hở trong các vật liệu gia cố nhựa đường để ngăn nước xâm nhập vào bên trong các lớp cấu trúc của mặt đường. Điều quan trọng là các khe hỡ cần phải được sử lý càng sớm càng tốt để hạn chế thiệt hại, đặc biệt ở các vùng có lượng mưa cao hay trong mùa đông khi chu kỳ đóng băng, tan băng, nước trong các khe hở có thể dãn nở dẫn đến việc công trình bị hủy hoại nhanh chóng.
Thấm nhập là một quá trình liên quan đến việc xây dựng hoặc ổn định lớp mặt đường và hè đường nơi nhũ tương được sử dụng để đầm khô hay chèn cốt liệu. Độ nhớt thấm cho phép nhũ tương nhựa đường thấm sâu qua khe hở của cốt liệu. Kỹ thuật này liên quan đến việc xây dựng một tầng mặt đường kết hợp lớp mặt và lớp móng với độ dày 50-75mm hoặc 100mm với cả 2 lớp.
Các loại nhũ tương phù hợp cho các ứng dụng khác nhau được liệt kê dưới đây:
Láng mặt đường - K1-70, K1-60
Lớp tạo kết dính - K1-40, K2-40
Bê tông đúc nguội - K3-60
Đá nhựa hở - K2-60, K2-70
Khôi phục mặt đường - K2-60
Phun mù - K1-40, K2-40
Bảo dưỡng bê tông - K1-40, K2-40
