乳化沥青的性质及组成

1.概　述

乳化沥青是将黏稠沥青加热至流动状态，再经高速离心、搅拌及剪切等机械作用，使沥青形成细小的微粒（2～5 μm），然后使用沥青微粒状态均匀地溶于乳化剂和稳定剂的水溶液之中，形成水包油（O/W）型乳浊液。由于乳化剂和稳定剂的作用，从而使沥青乳液形成均匀稳定的分散系，其外观为茶褐色，在常温下具有较好的流动性。

（1）乳化沥青的优点。

① 可冷态施工，节约能源。黏稠沥青通常要加热至 160～180°C 施工，而乳化沥青可以在常温下进行喷洒、贯入或拌和摊铺，现场无需加热，简化了施工程序，操作简便，节约了能源。

② 潮湿基层上使用，能直接与湿集料拌和，黏结力不会减低。而用其他沥青施工，必须在干燥的基层或干燥的集料拌和才能保证有足够的黏结力。

③ 无毒、无臭、不燃、施工安全，可保护环境，减少污染。

④ 节约能源，降低成本，增加结构沥青。

（2）乳化沥青的缺点。

① 稳定性差，储存期不超过半年，储存期过长容易引起凝聚分层，储存温度在 0°C以上。

② 乳化沥青修筑路面成型期较长，最初应控制年辆的行驶速度。

基于乳化沥青以上的性质，乳化沥青不仅适用于铺筑路面，而且在路堤的边坡保护、层面防水、金属材料表面防腐等工程中得到广泛应用。

2.乳化沥青的组成材料

乳化沥青主要由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组成。

（1）沥青。

沥青是乳化沥青组成的主要材料，占 55%～70%，沥青的性质将直接决定乳化沥青成膜性能和路用性质。在选择作为乳化沥青用的沥青时，首先要考虑它的易乳化性。一般说来，相同油源和工艺的沥青，针入度较大者易于形成乳液。但针入度的选择，应根据乳化沥青在路面工程中的用途来决定。另外，沥青中活性组分的含量对沥青乳化难易性有直接关系，通常认为沥青中沥青酸总量大于1% 的沥青，采用通用乳化剂和一般工艺即易于形成乳化沥青。

（2）乳化剂。

乳化沥青的性质极大程度上依赖于乳化剂的性能，是乳化沥青形成的关键材料。沥青乳化剂是表面活性剂的一种类型，从化学结构上考察，它是一种“两亲性”分子，分子的一部分具有亲水作用，而另一部分具有亲油性质。这两个基因具有使互不相溶的沥青与水连接起来的特殊功能。在沥青、水分散体系中，沥青微粒被乳化剂分子的亲油基吸引，此时以沥青微粒为固体核，乳化剂包裹在沥青颗粒表面形成吸附层。乳化剂的另一端与水分子吸引，形成一层水膜，它可机械地阻碍颗粒的聚集。

乳化剂按其亲水基在水中是否电离，而分为离子型和非离子型两大类。其分类如下：

① 阴离子型乳化剂。这类乳化剂的明显特征是由带长链的有机阴离子与一种碱类（即皂类）构成的盐。阴离子型沥青乳化剂溶于水中时，能电离为离子或离子胶束，且与亲油基的亲水基团相连，带有阴（或负）电荷的乳化剂（见图9.20）。

阴离子沥青乳化剂最主要的亲水基团有羟酸盐（如COONa）、硫酸酯盐（如OSO3Na）、磺酸盐（SO3Na）等3种。

② 阳离子型乳化剂。阳离子型沥青乳化剂是在溶于水中时，能电离为离子或离子胶束，且与亲油基的亲水基团相连接，带有阳（或正）电荷的乳化剂（见图9.20）。

图9.20　阴离子和阳离子乳液结构示意图

阳离子型沥青乳剂按其化学结构，主要有季铵盐类、烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、环氧乙烷二胺类和胺化木质素类等。

③ 两性离子型乳化剂。两性离子型沥青乳化剂是在水中溶解时，电离成离子或离子胶束，且与亲油基的亲水基团相连接，即带有阴电荷又带有阳电荷的乳化剂。

两性离子型沥青乳化剂按其两性离子的亲水基团的结构和特性，主要分为氨基酸型、甜菜型和咪唑啉型等。

④ 非离子型乳化剂。非离子型沥青乳化剂是在水中溶解时，不能离解成离子或离子胶束，而是依赖分子所含的羟基（—OH）和醚链（—O—）等作为亲水基团的乳化剂。

非离子型乳化剂根据亲水基团的结构可分为醚基类、脂基类、酰胺类和杂环类等，但应用最多的为环氧乙烷缩合物和一元醇或多元醇的缩合物。

目前我国常用于乳化沥青的乳化剂示例，见表9.10。

表9.10　我国各种不同乳化剂类型表

（3）稳定剂。

为防止已经分散的沥青乳液在储存期彼此凝聚，以及在施工喷洒或拌和的机械作用下有良好的稳定性，必要时加入适量的稳定剂。稳定剂可分为两类：

① 有机稳定剂。常用的有聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟甲纤维素钠、糊精、MF 废液等。这类稳定剂可提高乳液的储存稳定性和施工稳定性。

② 无机稳定剂。常用的有氯化钙、氯化镁、氯化铵和氯化铬等。这类稳定剂可提高乳液的储存稳定性。

稳定剂对乳化剂协同作用必须通过试验来确定，并且稳定剂的用量不宜过多，一般为沥青乳液的0.1%～0.15%为宜。

（4）水。

水是乳化沥青的主要组成部分。水在乳化沥青中起着润湿、溶解及引导化学反应的作用。所以要求乳化沥青中的水应当纯净，不含其他杂质，一般要求用每升水中氧化钙含量不得超过 80 mg，否则对沥青的乳化性能将有很大的影响，并且要多消耗乳化剂。水的用量一般为总量的30%～70%。

3.乳化沥青的形成机理

根据乳状液理论，由于沥青与水这两种物质的表面张力相差较大，将沥青分散于水中，则会因表面张力的作用使已分散的沥青颗粒重新聚集结成团块。欲使已分散的沥青能稳定均匀地存在（实际上是悬浮）于水中，必须使用乳化剂，以降低沥青与水之间的表面张力差。沥青能够均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中的原因主要是：

（1）乳化剂有降低界面能的作用。由于沥青与水的表面张力相差较大，在一般情况下是不能互溶的，但当加入一定量的乳化剂后，乳化剂能规律地定向排列在沥青和水的界面上。乳化剂属表面活跃物质，具有不对称的分子结构，分子一端是极性基因，是亲水的；另一端是非极性基因，是亲油的。所以当乳化剂加入沥青与水组成的溶液中，乳化剂分子吸附在沥青-水界面上，形成吸附层，从而降低了沥青和水之间的表面张力差，如图9.21所示。

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图9.21　乳化剂在沥青微粒表面形成界面膜

（2）增强界面膜的保护作用。乳化剂分子的亲油基吸附在沥青微滴的表面，在沥青-水界面上形成界面膜，此界面膜具有一定的强度，对沥青微滴起保护作用，使其在相互碰撞时不易聚结。

（3）界面电荷稳定作用。乳化剂溶于水后发生离解，当亲油基吸附于沥青时，使沥青微滴带有电荷（阳离子乳化沥青带正电荷，见图9.22），此时在沥青-水界面上形成扩散双电层。由于每个沥青微滴都带有相同电荷，且有扩散双电层的作用，故水-沥青体系成为稳定体系。

图9.22　阳离子乳化沥青的界面电荷

综上所述，沥青乳液能形成稳定的分散体系，主要是由于乳化剂降低了体系的界面能，增强界面膜的保护作用和促进界面电荷形成的作用。

4.乳化沥青技术性质与技术要求

乳化沥青在使用中，与砂、石集料拌和成型后，在空气中逐渐脱水，水膜变薄，使沥青微粒靠拢，将乳化剂薄膜挤裂而凝成连续的沥青黏结膜层。成膜后的乳化沥青具有一定的耐热性、黏结性、抗裂性、韧性及防水性。乳化沥青品种及适用范围见表9.11。

表9.11　乳化沥青品种及适用范围

道路用乳化石油沥青技术要求，见表9.12。

表9.12　道路用乳化石油技术要求

续表

5.乳化沥青的生产

沥青乳液的制备可以采用各种设备，但其主要流程基本相同，如图9.23所示。一般由下列5个主要部分组成。

图9.23　制备乳化沥青的工艺流程示意图

（1）乳化剂水溶液的调制：在水中加入需要数量的乳化剂和稳定剂，将水温调节至乳化剂和稳定剂溶解所需的温度，使其在水中充分溶解。

（2）沥青加热及储存。

（3）沥青与水比例控制机构。

（4）乳化常用设备为胶体磨或其他同类设备。

（5）乳化成品储存。

6.乳化沥青在集料表面的分裂机理

分裂是指从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面聚结成一层连续的沥青薄膜，这一过程称为分裂（俗称破乳）。

路用沥青乳液要有足够的稳定性，以保证在运输和洒布过程中不致过早分裂；另外，乳液洒布在路面上遇到集料时，则应立即产生分裂。乳液产生分裂的外观特征是它的颜色由棕褐色变成黑色，此时的乳化液还含有水分，需待水分完蒸发后，才能产生黏结力。

路用沥青乳液的分裂速度，与水的蒸发速度、集料表面性质以及洒布和碾压作用等因素有关。

（1）蒸发作用。

乳化沥青洒于路上，随即产生蒸发作用。蒸发快慢与气温、风速及路面环境等有关，和普通水的蒸发现象一样，在温度较高及有风的条件下，水分蒸发快；通常在开阔的路面比有树荫遮路面蒸发快。此外，还与洒布速度和压力有关。一般情况下，当沥青乳液中水分蒸发到沥青乳液的80%～90% 时，乳液即开始凝结。碾压应力，也促使了沥青的凝结。

在水分蒸发的初期，乳液的分裂是可逆的，即当遇到雨水时，能使乳液再乳化；遇到大雨时甚至可使乳液从路上冲走。但是在完全分裂后，沥青微粒变成一层沥青膜时，则不再受雨水的影响。

在寒冷潮湿的条件下，分裂不完全的乳液，在行车作用下，则易引起破坏。当乳液完全形成一层黑色的薄膜后，它黏结在集料表面形成一层薄膜，与热拌沥青几乎无差别。

（2）乳液与集料表面的吸附作用。

在水分逐渐蒸发，乳液分裂凝聚的同时，沥青与矿料表面还有吸附作用。沥青与矿料的吸附除依靠分子间的作用力产生的物理吸附外，还有二者之间的电性吸附。如前所述，沥青乳液中乳化剂的一端为亲油基与沥青吸附，另一端的亲水基则伸入水中。当它与集料相遇时，由于产生离子吸附，使集料表面迅速牢固的形成一层沥青薄膜，其中水分子立即排除（见图9.24），而且这一反应过程不受气候、湿度和风速等因素的影响，故能形成高强度路面。

图9.24　沥青乳液的分裂过程示意图

（1）阴离子乳液（沥青微滴带负电荷）与带正电荷碱性集料（石灰石、玄武石等）具有较好的黏结性。

（2）阳离子乳液（沥青微滴带正电荷）与带负电荷的酸性集料（花岗岩、石英石等）具有较好的黏结性，同时与碱性集料也有较好的亲和力。

由于乳化沥青的分裂需经一定时间才能彻底完成，路面初期强度不高，因此，必须限制车辆行驶速度和行驶路线，以保证路面的整体和强度的形成。

7.乳化沥青的应用

乳化沥青用于修筑路面，不论是阳离子型乳化沥青或阴离子型乳化沥青有两种施工方法：

（1）洒布法：如透层、黏层、表面处治或灌入式沥青碎石路面。

（2）拌和法：如沥青碎石或沥青混合料路面。