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近年來，為了適應(yīng)公路建設(shè)的高速發(fā)展，交通部門大力推廣使用乳化瀝青。如今乳化瀝青已在透層油和透層油封層、撒布封層、防塵處理、表層補(bǔ)強(qiáng)、穩(wěn)定作用、冷再生、改性封層、冷拌坑槽修補(bǔ)、粘結(jié)封層、預(yù)涂層(預(yù)拌)、道路裂縫修補(bǔ)、防護(hù)層等方面有了很廣泛的應(yīng)用。使用乳化瀝青較之于熱拌瀝青，其有著節(jié)約瀝青、降低能耗、改善施工條件、提高勞動(dòng)效率、延長(zhǎng)施工季節(jié)、降低工程造價(jià)、改善環(huán)境等綜合社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的優(yōu)勢(shì)。但由于瀝青成份復(fù)雜性，以及乳化劑性能的局限性，致使乳化瀝青的乳化效果、穩(wěn)定性等性能還不夠理想，給乳化瀝青更廣泛的推廣帶來了不少阻力。故本文將從乳化劑的角度出發(fā)對(duì)國(guó)內(nèi)外乳化瀝青的研究做以簡(jiǎn)單的探討。
瀝青乳化劑的基本分類
所謂乳化劑，即是既親水、又親油的“雙親”表面活性劑。表面活性劑是一種以很低濃度就能顯著降低溶劑的表面張力的物質(zhì)，其濃度與溶劑表面張力的關(guān)系應(yīng)符合C曲線關(guān)系。通常具有此性質(zhì)的物質(zhì)有八碳以上的有機(jī)酸鹽有機(jī)胺鹽、磺酸鹽、苯磺酸鹽等。
在日常研究、應(yīng)用中根據(jù)乳化劑在水溶液中離解時(shí)生成的表面活性離子所帶電荷的性質(zhì)，將乳化劑可劃為以下5類:(1)陰離子型乳化劑－－在水溶液中離解時(shí)生成的表面活性離子帶負(fù)電荷(磺酸鹽類、羧酸鹽類、硫酸鹽類、磷酸鹽類等);(2)陽離子型乳化劑———在水中離解是生成的表面活性離子帶正電荷(烷基多胺類、季銨鹽類、酰胺基胺類、咪唑啉類、木質(zhì)素類等);(3)兩性型乳化劑———分子內(nèi)同時(shí)存在酸性基和堿性基(咪唑啉型、甜菜堿型、氨基酸型、磷脂、淀粉、蛋白質(zhì)衍生物);(4)非離子型乳化劑———在水中不離解成離子(聚氧乙烯類、烷基醇、氧化胺、亞砜);(5)混合型乳化劑———分子中的親水部分既有聚氧乙烯鏈，又有離子基團(tuán)的一類表面活性劑(脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、醇醚的磷酸酯鹽、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸鹽)。其中，陰離子型乳化劑是人們最早采用的瀝青乳化劑，20世紀(jì)初在美國(guó)就開始研究陰離子型乳化瀝青，但由于陰離子乳化瀝青破乳時(shí)間太慢，現(xiàn)在基本上已經(jīng)被淘汰。而陽離子乳化劑制備的乳化瀝青穩(wěn)定性好，粘附性強(qiáng)，縮短路面早期成型時(shí)間，所以陽離子乳化劑是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中也最多。
常見乳化劑一般都為傳統(tǒng)的低分子表面活性劑，與之相對(duì)應(yīng)還有一類相對(duì)分子質(zhì)量在數(shù)千以上，且具有“雙親基”的高分子表面活性劑，此類表面活性劑降低界面張力的能力并不顯著，去污能力、起泡能力和滲透能力均較低，這些特征與一般表面活性劑有很大差別。但高分子在各種表面界面有很好的吸附能力，因而其分散性、凝聚性和增容性均較好，用量較大時(shí)還具有很好的乳化性和乳化穩(wěn)定性，并可以作為溫泡劑使用，由此可見高分子乳化劑在乳化瀝青工業(yè)中有較好的前景。
乳化瀝青的乳化機(jī)理
研究瀝青乳化，首當(dāng)其沖必須了解瀝青乳化過程的微觀機(jī)理。所謂乳化就是加入的乳化劑使兩相間產(chǎn)生單分子定向膜，以降低兩相的界面張力、削弱油相的自行聚集的趨勢(shì)，使互不相溶的兩種液體形成一定穩(wěn)定性的液－液分散體系的作用。
乳化劑在油－水兩相界面的吸附機(jī)理
當(dāng)兩種不相混溶的液體(水與瀝青)接觸時(shí)即形成界面，界面上的分子受到來自本相和另一相中的分子吸引作用，但由于兩相分子對(duì)界面分子的吸引力形式不同(同相分子間主要是范力、氫鍵等，異相主要是范力且較小)，繼而使兩相分子對(duì)不同分子的吸引力大小有所不同，因此產(chǎn)生力的不平衡(即產(chǎn)生表面張力)使兩相只能以鋪展、黏附等易于存在的方式存在，而不能混溶。乳化劑正是為了消除或削弱存在于界面上的這種不平衡力的，乳化劑本身擁有兩種不同性質(zhì)的基團(tuán):A＞、親水基團(tuán)，主要有磺酸基、羧酸基、硫酸基、磷酸基、胺基、酰胺基、醇基等基團(tuán);B＞、親油基團(tuán)(親瀝青的基團(tuán)主要是8－18的碳鏈)。根據(jù)有機(jī)化學(xué)中的“相似相容原理”可知，乳化劑中的親水基、親油基會(huì)各自插入同性質(zhì)的一側(cè)，使其自身處于水－油界面處。
由吉布斯吸附公式可以看出，在瀝青乳化的過程中，乳化劑的過剩量與乳化溫度成反比。提高乳化溫度時(shí)液體分子之間的距離增加，共存蒸汽的密度增加，相對(duì)于低溫而言，表面層分子所受液體內(nèi)部的吸引力減少，因而表面張力降低。乳化劑的過剩量與乳化劑濃度成正比，與瀝青在水中的濃度成反比。乳化劑濃度增加時(shí)，乳化劑在界面吸附量變大，表面張力降低，但在達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)后，表面張力基本不再隨濃度的增加而變化，趨于一定值。
乳化劑的隔離機(jī)理
當(dāng)乳化劑被吸附在水－油界面處時(shí)，由于乳化劑在較低濃度時(shí)以單分子層形式定向排列在兩相界面，使界面處形成一種“界面膜”，這種界面膜可以起到特殊作用，并將油滴包裹(水包油式)，使其處于被隔離的狀態(tài)，進(jìn)而阻止了油滴間的相互碰撞，避免被乳化開的瀝青再次聚結(jié)。
該種界面膜的緊密程度和強(qiáng)度，與乳化劑在水中的濃度有密切的關(guān)系。當(dāng)乳化劑在界面膜上定向緊密排列時(shí)，該狀態(tài)下乳化劑用量為最佳值，此時(shí)界面膜的強(qiáng)度最高，瀝青微滴聚結(jié)需要克服較大的阻力，因而保證了油－水體系的穩(wěn)定性。
雙電層的穩(wěn)定機(jī)理
當(dāng)密排的乳化劑在兩相界面上形成穩(wěn)定的界面膜時(shí)，由于電離、吸附和瀝青微滴與水之間的摩擦等作用使得瀝青微滴都帶有一定的電荷，從而使瀝青－水界面上形成符合Stern雙電層分布模型的電荷層結(jié)構(gòu)。
乳化瀝青的兩相界面上形成的這種雙電層由兩部分組成:第一部分為單分子層，基本上固定在界面上，這層電荷與瀝青微滴的電荷相反，因此稱為吸附層;第二部分由吸附層向外，電荷向水介質(zhì)中擴(kuò)散，此層稱為擴(kuò)散層。乳化瀝青的穩(wěn)定性取決于在吸附層與擴(kuò)散層界面上的電動(dòng)電位的大小。
由于同一體系中的乳化瀝青微粒外表帶有相同符號(hào)的電荷，當(dāng)乳化瀝青微粒接近到一定距離時(shí)，隨著距離的接近，排斥力逐漸增強(qiáng)，阻礙了乳化瀝青微粒之間的聚結(jié)，從而提高了乳化瀝青的穩(wěn)定性。
綜上所述，由于有乳化劑在油－水兩相界面處的吸附使得油－水兩相界面張力減小，從而使得油水“相溶”;當(dāng)油水“相溶”時(shí)，會(huì)在兩相界面上形成乳化劑界面膜，此膜的存在將各油粒相互隔開，避免相互相碰撞而聚結(jié)，以增加體系穩(wěn)定性;此外，由于界面上的雙電層作用，使得乳液具有更高的穩(wěn)定性。
乳化瀝青的使用現(xiàn)狀
陽離子瀝青乳化劑近年來在我國(guó)發(fā)展非常迅速，產(chǎn)品的種類及產(chǎn)量目前還較少，還無法完全滿足國(guó)內(nèi)路用乳化瀝青的要求，但其在國(guó)內(nèi)已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
較常用的路用陽離子乳化瀝青類型:
①快裂快凝型一用于現(xiàn)有路面的修補(bǔ)及瀝青貫人式路面;②慢裂慢凝型一用于冷態(tài)施工，用作透層油、下封層;③慢裂中凝型一用于拌制粗粒式瀝青混凝土;④慢裂快凝型用于稀漿封層。
目前國(guó)內(nèi)使用的陽離子乳化劑根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同主要可以劃分為:烷基多胺類、季銨鹽類、酰胺基胺類、咪唑啉類、木質(zhì)素類等幾類。
烷基多胺類瀝青乳化劑
烷基多胺類瀝青乳化劑是以8－18的烷基碳鏈作為親油基，胺基作為親水基，其兩種典型結(jié)構(gòu)如下式中，R為主鏈上碳為8－18的烷基碳鏈。
以上2類乳化劑有良好的乳化能力、穩(wěn)定性，趙亞峰等合成碳鏈為9的有以上結(jié)構(gòu)的瀝青乳化劑，所得的乳化瀝青的乳化效果、儲(chǔ)存穩(wěn)定性均能達(dá)到公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
季銨鹽類瀝青乳化劑
季銨鹽類瀝青乳化劑大部分是由伯胺、仲胺或叔胺與烷基化試劑作用而成。季銨鹽類的乳化劑目前是我國(guó)生產(chǎn)和應(yīng)用最多的一種，多為中快裂型，與石料等基體結(jié)合破乳后形成的覆蓋膜層較薄。
據(jù)王月欣等調(diào)查知，我國(guó)生產(chǎn)的季銨鹽類陽離子瀝青乳化劑有十六－十九烷基三甲基氯化銨(代號(hào)NOT或1831)，十四－十八烷基二甲基羥乙基氯化銨(代號(hào)1621)，十六烷基三甲基溴化銨(代號(hào)1631)以及通過環(huán)氧氯丙烷間接合成的雙季銨鹽(代號(hào)HY)。其中:HY屬慢裂型，NOT屬中裂型，1631和1621屬快裂型。以上幾種乳化劑類型中，十八烷基三甲基類季銨鹽具有較好的乳化效果。烷烴中碳鏈少于14的季銨鹽不宜作瀝青乳化劑;一些支鏈上有苯環(huán)或芐基的季銨鹽的應(yīng)用效果差，通常不作為瀝青乳化劑。
酰胺基胺類瀝青乳化劑
酰胺類瀝青乳化劑主要是由脂肪酸和多乙烯多胺在溶劑和催化劑存在下反應(yīng)脫水縮合而制得，其分子結(jié)構(gòu)中存在有酰胺基和胺基。
酰胺類乳化劑根據(jù)所用原料的不同，可分為慢、中、快裂型乳化劑，在吉林雙陽區(qū)曾采用此類乳化瀝青(JSA－1型慢裂乳化劑)修補(bǔ)路面，其效果良好，能滿足當(dāng)?shù)貝毫拥臍夂颉?/p>
咪唑啉類
咪唑啉型瀝青乳化劑的結(jié)構(gòu)中親水基部分為含有雜環(huán)基咪唑啉的基團(tuán)，親油基為烷基碳鏈。
陽離子咪唑啉乳化劑是早在上個(gè)世紀(jì)四十年代國(guó)外開發(fā)出來，并在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，在我國(guó)是九十年代“七五”攻關(guān)項(xiàng)目開發(fā)出來。但由于我國(guó)當(dāng)時(shí)還處于乳化瀝青研究的初期，無法完善其乳化性能，不能將其推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中。近年來，隨著公路交通的大力發(fā)展，對(duì)乳化劑的品種、質(zhì)量提出更高的要求，陽離子咪唑啉乳化劑以其獨(dú)特環(huán)狀化學(xué)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的乳化性能，才成為瀝青乳化劑新品種，在公路工程中得到廣泛應(yīng)用。
結(jié)語
乳化瀝青如今已是國(guó)內(nèi)鋪、修瀝青道路的不二選擇，但有于國(guó)內(nèi)乳化瀝青的研究起步較晚，技術(shù)還不成熟。
(1)目前，國(guó)內(nèi)的瀝青乳化劑品種較少，僅有幾種常規(guī)的陽離子乳化劑;國(guó)產(chǎn)瀝青乳化劑乳化效率低，在新乳液中常存在部分未乳化的瀝青，由于這些瀝青的存在會(huì)降低乳化瀝青的穩(wěn)定性;還由于乳化瀝青本身的局限性使得乳液不穩(wěn)定，難以滿足施工運(yùn)輸?shù)囊?
(2)由于國(guó)產(chǎn)乳化劑普適性差，一種乳化劑往往僅適用于個(gè)別幾類瀝青甚至只有一種，這使得其推廣受到限制，以及國(guó)內(nèi)乳化劑基本是基于國(guó)外其他國(guó)家的乳化劑及瀝青基礎(chǔ)上的再研究，而對(duì)我國(guó)的瀝青有所不適用;由于乳化劑性能的局限性，乳液油水比較低(國(guó)內(nèi)僅為65%左右，其他發(fā)達(dá)國(guó)家可達(dá)到80%以上)，使得工程造價(jià)增高等。
顯然，乳化瀝青的性能主要取決于乳化劑，高性能、強(qiáng)針對(duì)性乳化劑的研究是我們研究工作的重中之重。所以在今后我們必須加大對(duì)乳化劑微觀結(jié)構(gòu)的深入研究，從根源上解決問題，以提高乳化劑的乳化性能，拓寬乳化劑的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)乳化瀝青的高性能化。此外分散設(shè)備性能也是影響乳化瀝青性能另一重要因素。國(guó)內(nèi)常見的分散設(shè)備有膠體磨、剪切機(jī)、裝有槳葉的攪拌器、帶噴嘴的齒輪泵等。但由于設(shè)備的生產(chǎn)工藝與設(shè)計(jì)的不到位，也會(huì)在一定程度上降低乳化效果。此外，乳化瀝青生產(chǎn)過程管理的不科學(xué)與疏忽也會(huì)給乳液的整體性能帶來影響。
乳化瀝青的生產(chǎn)是一個(gè)整體過程，生產(chǎn)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能，而且這種影響不是簡(jiǎn)單的疊加，而是乘積運(yùn)算(比如各個(gè)環(huán)節(jié)都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的90%，這樣在5個(gè)環(huán)節(jié)后就只能達(dá)到0.95=59%)。所以，我們?cè)谏钊胙芯咳榛瘎┑耐瑫r(shí)，應(yīng)對(duì)其相關(guān)設(shè)備技術(shù)、生產(chǎn)流程、管理策略等的研究配套跟進(jìn)，盡可能使每個(gè)環(huán)節(jié)都能達(dá)標(biāo)，以期獲得理想的乳化瀝青。
