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【摘要】为了解决改性乳化沥青稀浆混合料成型阶段经常出现的问题，介绍了电荷理论、化学反应理论和振动功能理论，阐述了阳离子乳化剂的作用原理，通过对粘聚力——耗水率关系的研究，得出了粘聚力——耗水率曲线范围，揭示了改性乳化沥青稀浆混合料成型的规律。
【关键词】改性乳化沥青;稀浆混合料;粘聚力：微表处
Research on modified asphalt emulsion slurry mixture forming mechanism
Chen Guo-qiang
（Pingdingshan Highway AdministrationPingdingshanHenan467000）
【Abstract】To solve the modified asphalt emulsion slurry mix formative stages recurring problems， introduced a charge theory， the theory of chemical reactions and vibration function theory to explain the role of the principle of cationic emulsifiers， through cohesion - water consumption rate relationship the study， obtained cohesion - water consumption rate curve range， revealing the modified asphalt emulsion slurry mix molding of the law.
【Key words】Modified asphalt emulsion;Slurry mixture;Cohesion;Micro-Surfacing
1. 前言
微表处在公路工程和公路养护中的使用越来越多，工程实践时常会出现一些问题，如开放交通后掉粒过多等，这与没有搞清楚改性乳化沥青稀浆混合料的成型机理不无相关。
2. 成型机理
2.1改性乳化沥青稀浆混合料的成型是指混合料拌和摊铺后直至其粘聚力达到最大，微表处结构稳定的阶段。
2.2新拌和摊铺的乳化沥青稀浆混合料是三相体——固体、液体和气体，其中固体和气体占绝大部分。
2.3稀浆混合料的成型，一方面是沥青胶泥填充骨架间隙，发挥连接和粘结作用;另一方面是在外力作用下使粗细集料排列紧密，相互嵌挤锁结，排出液体和气体，使结构稳定。
2.4沥青胶泥的形成过程实质上就是乳化沥青转变为沥青和水，并且水分逐步消耗的过程，这个过程分两个阶段。
2.4.1第一阶段是破乳前，在这个阶段中，稀浆混合料的变化主要是在电荷、空气、阳光等的综合作用下使水和沥青分离。这个阶段也叫破乳阶段。破乳理论有三即电荷理论、化学反应理论和振动功能理论。
2.4.1.1电荷理论。
（1）这种理论认为，集料可分为带正电荷的碱性石料和带负电荷的酸性石料两类。阴离子乳液由于沥青微粒带负电荷，它与表面上基本带正电荷的碱性集料（如石灰石、白云石等）具有较好的粘附性;同样，阳离子乳液由于沥青微粒带正电荷，它与表面基本带负电荷的酸性集料（如硅质岩或花岗岩）具有较好的粘附性。
（2）工程常用的是阳离子乳化沥青，用于阳离子乳化沥青的阳离子乳化剂几乎都是含氮化合物，也就是有机胺的衍生物，其分子都是由非极性的亲油基和极性的亲水基两部分组成。亲油基部分一般都是直链基或烷基苯基。亲水基部分主要是胺基，少数是含有羟基或其它基团。
（3）阳离子乳化沥青与集料拌和时，如果集料是干的，乳液中的水相首先与集料接触，润湿其表面，并沿毛细孔进入集料内部。集料吸收水分，表面形成一层吸附水膜。在水相流动的同时，乳化剂分子也随之移动。这首先是处于乳液水相中自由移动的单个乳化剂分子及以胶束形式存在的乳化剂分子，其次是乳液中沥青微珠界面膜上的乳化剂分子。由亲水亲油的两亲性质决定，乳化剂分子的移动是有一定的取向的，即亲水基一端沿着水流动方向移动首先与集料接触。水相流动，乳化剂分子随着移动，与集料接触后，乳液体系失去平衡，沥青微珠也向集料表面靠近。在这个过程中沥青微珠产生变形，逐渐趋向于薄膜形。同时，沥青微珠界面膜上的乳化剂分子由于具有向着集料表面取向的趋势从而发生重新排布，原有的界面膜破裂，乳化剂分子排布到薄膜下部。亲油基端插入沥青中，亲水基端向着集料方向插入水中。由于阳离子乳化剂分子亲水基的组成元素主要是氮原子，而氮原子无论与酸性集料还是碱性集料都能强烈地吸附于集料表面，并深入到毛细孔中，牢固地附着于其上。又由于亲油性质决定，乳化剂分子亲油基端吸附于集料表面的同时，亲油基端也随之向集料表面靠近，又由于亲油基端紧紧插入沥青微珠中，于是沥青微珠被拉到集料表面上，乳化剂分子就象一座桥梁一样，沥青微珠通过它到达集料表面。由于众多的乳化剂分子的“桥梁”作用和“牵拉”作用，使得沥青微珠与集料表面的结合力远远大于水与集料表面的结合力。于是在沥青微珠通过桥梁到达集料表面与集料接触的瞬间，将产生一个较大的挤压力，这个挤压力把集料表面吸附的水分挤出去，让位于沥青。被挤出去的水分互相聚集，最终聚结成为连续水相。若干个沥青微珠都产生这样的作用，水分从微珠与微珠界面之间被挤出去，于是沥青微珠之间相互吸附、扩散、渗透，最后融合到一起，界面消失，集料表面被沥青完全覆盖，形成一层薄膜，如图1所示。在薄膜完全形成之时，聚结的水相全部被挤出来处于沥青薄膜之上，大气之中，如果气温较高，湿度较小，而且有风时，水分就会很快挥发或蒸发而消耗掉。这是阳离子乳化沥青之所以破乳、凝结、成型快的根本原因，如图2所示。另外，其中一部分水分通过和集料（如水泥）反应而消耗掉。 （4）阳离子乳化沥青与集料拌和时，如果集料是湿润的，即在集料薄膜已形成了吸附水膜，则在乳液和集料接触时，由于吸附水膜中不含乳化剂，乳液中水相和吸附水膜之间存在着乳化剂浓度差，于是乳液水相中的乳化剂分子将迅速向吸附水膜中移动，直至达到乳化剂浓度平衡。随着水相的流动，乳化剂分子也随之移动，沥青微珠向集料表面靠近，于是将产生破乳。
（5）乳化剂是影响乳化沥青破乳的关键因素。阳离子乳化剂是具有特殊功能的表面活性剂，与洗涤剂相比，它具有负洗涤功能。也有资料认为它颠倒了洗涤作用，也就是说阳离子表面活性剂能使污垢更牢固地固定在污垢载体上面。所以，阳离子表面活性剂一般不能作为洗涤剂使用，而作为沥青乳化剂来说，这一点正好是可以利用的。阳离子乳化剂与集料强烈的亲和性、吸附性与负洗涤性在实质上都是相同的，亲和性、吸附性与负洗涤性来源于乳化剂分子亲水基中的氮原子，它与集料表面结合，改变了集料表面的性能，使其在一定程度上活化，使之与沥青薄膜的结合更加紧密牢固，从而增加了粘附性。这种作用与氮原子的原子结构和构型密切相关，此外还与集料的化学组成有关。集料由于其造岩矿物成分复杂，无论酸性集料还是碱性集料都是由多种性质各异的矿物成分组成，这些都是十分复杂的问题，要揭示它们的实质，还有待于进一步深入细致地研究。
图1沥青微珠相互融合示意图
图2阳离子乳化沥青破乳过程示意图
（6）阳离子乳化剂分子亲水基中的氮原子与集料表面强烈的吸附亲和，牢固地结合在一起，改变了沥青和集料本身的粘附性，使原来不粘附的变为粘附，使原来粘附性不好的变得好了，使原来粘附性好的变得更好。这一结论与振动功能理论是完全一致的。
2.4.1.2化学反应理论。
这种理论认为，传统的电荷理论是值得怀疑的。因为实践表明，带正电荷的阳离子乳化沥青不仅能与带负电荷的酸性集料具有较好的粘附性，而且与带正电荷的碱性集料同样具有较好的粘附性。因此认为，阳离子乳化沥青与碱性集料具有较好的粘附性，是由于石灰石（CaCO3）与阳离子乳化沥青中的HCl作用，可形成H2CO3;而H2CO3在水中，又可电离出CO32-，它与阳离子乳化剂电离后的正电荷原子团具有较好的亲和力。
2.4.1.3振动功能理论。
（1）化学反应理论的解释并未能取得所有研究者的赞同。因此，有的研究者则另辟途径，提出一种“振动功能”（vibration kinetic energy）理论来进行解释。这种理论认为阳离子乳液由于具有高的振动功能，所以它不论是对酸性集料或是碱性集料表面都具有较好的亲和力。
（2）关于乳化沥青破乳机理的三大理论：电荷理论、化学反应理论和振动功能理论是从不同角度解释了乳化沥青的破乳机理。
2.4.2第二阶段。
（1）是从破乳到成型，在这个阶段中，稀浆混合料的变化主要是通过反应（化学变化）和水分的挥发和蒸发（物理变化）使从乳化沥青中分离出来而成的自由水和外加水消耗掉而凝固，可以称之为耗水理论。这个阶段就是习惯上所说的成型阶段。图3是根据大量试验绘出的稀浆混合料（集料最大粒径20mm）成型过程中粘聚力——耗水率关系曲线（范围）图。
图3稀浆混合料粘聚力——耗水率关系图
（2）稀浆混合料成型是一个渐变的过程，当水分消耗到一定程度时，已具备了碾压条件，这时称其已初步成型。研究表明，当稀浆混合料中的水分消耗掉60～70%时就初步成型;当稀浆混合料中的水分消耗掉70～80%以上时，具备开放交通条件，这时称之为成型。但实践表明，微表处在使用初期还会有少量掉粒和结构再密实等变化，微表处结构真正达到稳定，一般需要一个月左右的使用时间。这时称之为稳定成型。
3. 结束语
综上所述，稀浆混合料的成型机理分为二个方面：
（1）一方面，摊铺后的稀浆混合料通过物理化学等综合作用粘聚力随着水分的消耗逐渐增加，一般情况下，当稀浆混合料中的水分消耗掉60～70%时就初步成型;当稀浆混合料中的水分消耗掉70～80%以上时，具备开放交通条件，称之为成型。粘聚力——耗水率关系曲线呈“S”型，两头缓中间陡，其切线斜率反映粘聚力随耗水率变化的速率，耗水率在60～90%之间时粘聚力变化最快。
（2）另一方面，在外力作用下使粗细集料排列紧密，相互嵌挤锁结，排出液体和气体，使结构稳定。
参考文献
[1]彭波、李文瑛、危拥军、等. 沥青混合料材料组成与特性[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2]黄晓明，等.沥青路面设计.北京：人民交通出版社，2002.
[3]交通部公路科学研究院.微表处和稀浆封层技术指南.北京：人民交通出版社，2006.
[4]CJJ 66-95，路面稀浆封层施工规程.
[5]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范.
[6]邓学钧、黄晓明.路面设计原理与方法. 北京：人民交通出版社，2007.
【关键词】改性乳化沥青;稀浆混合料;粘聚力：微表处
Research on modified asphalt emulsion slurry mixture forming mechanism
Chen Guo-qiang
（Pingdingshan Highway AdministrationPingdingshanHenan467000）
【Abstract】To solve the modified asphalt emulsion slurry mix formative stages recurring problems， introduced a charge theory， the theory of chemical reactions and vibration function theory to explain the role of the principle of cationic emulsifiers， through cohesion - water consumption rate relationship the study， obtained cohesion - water consumption rate curve range， revealing the modified asphalt emulsion slurry mix molding of the law.
【Key words】Modified asphalt emulsion;Slurry mixture;Cohesion;Micro-Surfacing
1. 前言
微表处在公路工程和公路养护中的使用越来越多，工程实践时常会出现一些问题，如开放交通后掉粒过多等，这与没有搞清楚改性乳化沥青稀浆混合料的成型机理不无相关。
2. 成型机理
2.1改性乳化沥青稀浆混合料的成型是指混合料拌和摊铺后直至其粘聚力达到最大，微表处结构稳定的阶段。
2.2新拌和摊铺的乳化沥青稀浆混合料是三相体——固体、液体和气体，其中固体和气体占绝大部分。
2.3稀浆混合料的成型，一方面是沥青胶泥填充骨架间隙，发挥连接和粘结作用;另一方面是在外力作用下使粗细集料排列紧密，相互嵌挤锁结，排出液体和气体，使结构稳定。
2.4沥青胶泥的形成过程实质上就是乳化沥青转变为沥青和水，并且水分逐步消耗的过程，这个过程分两个阶段。
2.4.1第一阶段是破乳前，在这个阶段中，稀浆混合料的变化主要是在电荷、空气、阳光等的综合作用下使水和沥青分离。这个阶段也叫破乳阶段。破乳理论有三即电荷理论、化学反应理论和振动功能理论。
2.4.1.1电荷理论。
（1）这种理论认为，集料可分为带正电荷的碱性石料和带负电荷的酸性石料两类。阴离子乳液由于沥青微粒带负电荷，它与表面上基本带正电荷的碱性集料（如石灰石、白云石等）具有较好的粘附性;同样，阳离子乳液由于沥青微粒带正电荷，它与表面基本带负电荷的酸性集料（如硅质岩或花岗岩）具有较好的粘附性。
（2）工程常用的是阳离子乳化沥青，用于阳离子乳化沥青的阳离子乳化剂几乎都是含氮化合物，也就是有机胺的衍生物，其分子都是由非极性的亲油基和极性的亲水基两部分组成。亲油基部分一般都是直链基或烷基苯基。亲水基部分主要是胺基，少数是含有羟基或其它基团。
（3）阳离子乳化沥青与集料拌和时，如果集料是干的，乳液中的水相首先与集料接触，润湿其表面，并沿毛细孔进入集料内部。集料吸收水分，表面形成一层吸附水膜。在水相流动的同时，乳化剂分子也随之移动。这首先是处于乳液水相中自由移动的单个乳化剂分子及以胶束形式存在的乳化剂分子，其次是乳液中沥青微珠界面膜上的乳化剂分子。由亲水亲油的两亲性质决定，乳化剂分子的移动是有一定的取向的，即亲水基一端沿着水流动方向移动首先与集料接触。水相流动，乳化剂分子随着移动，与集料接触后，乳液体系失去平衡，沥青微珠也向集料表面靠近。在这个过程中沥青微珠产生变形，逐渐趋向于薄膜形。同时，沥青微珠界面膜上的乳化剂分子由于具有向着集料表面取向的趋势从而发生重新排布，原有的界面膜破裂，乳化剂分子排布到薄膜下部。亲油基端插入沥青中，亲水基端向着集料方向插入水中。由于阳离子乳化剂分子亲水基的组成元素主要是氮原子，而氮原子无论与酸性集料还是碱性集料都能强烈地吸附于集料表面，并深入到毛细孔中，牢固地附着于其上。又由于亲油性质决定，乳化剂分子亲油基端吸附于集料表面的同时，亲油基端也随之向集料表面靠近，又由于亲油基端紧紧插入沥青微珠中，于是沥青微珠被拉到集料表面上，乳化剂分子就象一座桥梁一样，沥青微珠通过它到达集料表面。由于众多的乳化剂分子的“桥梁”作用和“牵拉”作用，使得沥青微珠与集料表面的结合力远远大于水与集料表面的结合力。于是在沥青微珠通过桥梁到达集料表面与集料接触的瞬间，将产生一个较大的挤压力，这个挤压力把集料表面吸附的水分挤出去，让位于沥青。被挤出去的水分互相聚集，最终聚结成为连续水相。若干个沥青微珠都产生这样的作用，水分从微珠与微珠界面之间被挤出去，于是沥青微珠之间相互吸附、扩散、渗透，最后融合到一起，界面消失，集料表面被沥青完全覆盖，形成一层薄膜，如图1所示。在薄膜完全形成之时，聚结的水相全部被挤出来处于沥青薄膜之上，大气之中，如果气温较高，湿度较小，而且有风时，水分就会很快挥发或蒸发而消耗掉。这是阳离子乳化沥青之所以破乳、凝结、成型快的根本原因，如图2所示。另外，其中一部分水分通过和集料（如水泥）反应而消耗掉。 （4）阳离子乳化沥青与集料拌和时，如果集料是湿润的，即在集料薄膜已形成了吸附水膜，则在乳液和集料接触时，由于吸附水膜中不含乳化剂，乳液中水相和吸附水膜之间存在着乳化剂浓度差，于是乳液水相中的乳化剂分子将迅速向吸附水膜中移动，直至达到乳化剂浓度平衡。随着水相的流动，乳化剂分子也随之移动，沥青微珠向集料表面靠近，于是将产生破乳。
（5）乳化剂是影响乳化沥青破乳的关键因素。阳离子乳化剂是具有特殊功能的表面活性剂，与洗涤剂相比，它具有负洗涤功能。也有资料认为它颠倒了洗涤作用，也就是说阳离子表面活性剂能使污垢更牢固地固定在污垢载体上面。所以，阳离子表面活性剂一般不能作为洗涤剂使用，而作为沥青乳化剂来说，这一点正好是可以利用的。阳离子乳化剂与集料强烈的亲和性、吸附性与负洗涤性在实质上都是相同的，亲和性、吸附性与负洗涤性来源于乳化剂分子亲水基中的氮原子，它与集料表面结合，改变了集料表面的性能，使其在一定程度上活化，使之与沥青薄膜的结合更加紧密牢固，从而增加了粘附性。这种作用与氮原子的原子结构和构型密切相关，此外还与集料的化学组成有关。集料由于其造岩矿物成分复杂，无论酸性集料还是碱性集料都是由多种性质各异的矿物成分组成，这些都是十分复杂的问题，要揭示它们的实质，还有待于进一步深入细致地研究。
图1沥青微珠相互融合示意图
图2阳离子乳化沥青破乳过程示意图
（6）阳离子乳化剂分子亲水基中的氮原子与集料表面强烈的吸附亲和，牢固地结合在一起，改变了沥青和集料本身的粘附性，使原来不粘附的变为粘附，使原来粘附性不好的变得好了，使原来粘附性好的变得更好。这一结论与振动功能理论是完全一致的。
2.4.1.2化学反应理论。
这种理论认为，传统的电荷理论是值得怀疑的。因为实践表明，带正电荷的阳离子乳化沥青不仅能与带负电荷的酸性集料具有较好的粘附性，而且与带正电荷的碱性集料同样具有较好的粘附性。因此认为，阳离子乳化沥青与碱性集料具有较好的粘附性，是由于石灰石（CaCO3）与阳离子乳化沥青中的HCl作用，可形成H2CO3;而H2CO3在水中，又可电离出CO32-，它与阳离子乳化剂电离后的正电荷原子团具有较好的亲和力。
2.4.1.3振动功能理论。
（1）化学反应理论的解释并未能取得所有研究者的赞同。因此，有的研究者则另辟途径，提出一种“振动功能”（vibration kinetic energy）理论来进行解释。这种理论认为阳离子乳液由于具有高的振动功能，所以它不论是对酸性集料或是碱性集料表面都具有较好的亲和力。
（2）关于乳化沥青破乳机理的三大理论：电荷理论、化学反应理论和振动功能理论是从不同角度解释了乳化沥青的破乳机理。
2.4.2第二阶段。
（1）是从破乳到成型，在这个阶段中，稀浆混合料的变化主要是通过反应（化学变化）和水分的挥发和蒸发（物理变化）使从乳化沥青中分离出来而成的自由水和外加水消耗掉而凝固，可以称之为耗水理论。这个阶段就是习惯上所说的成型阶段。图3是根据大量试验绘出的稀浆混合料（集料最大粒径20mm）成型过程中粘聚力——耗水率关系曲线（范围）图。
图3稀浆混合料粘聚力——耗水率关系图
（2）稀浆混合料成型是一个渐变的过程，当水分消耗到一定程度时，已具备了碾压条件，这时称其已初步成型。研究表明，当稀浆混合料中的水分消耗掉60～70%时就初步成型;当稀浆混合料中的水分消耗掉70～80%以上时，具备开放交通条件，这时称之为成型。但实践表明，微表处在使用初期还会有少量掉粒和结构再密实等变化，微表处结构真正达到稳定，一般需要一个月左右的使用时间。这时称之为稳定成型。
3. 结束语
综上所述，稀浆混合料的成型机理分为二个方面：
（1）一方面，摊铺后的稀浆混合料通过物理化学等综合作用粘聚力随着水分的消耗逐渐增加，一般情况下，当稀浆混合料中的水分消耗掉60～70%时就初步成型;当稀浆混合料中的水分消耗掉70～80%以上时，具备开放交通条件，称之为成型。粘聚力——耗水率关系曲线呈“S”型，两头缓中间陡，其切线斜率反映粘聚力随耗水率变化的速率，耗水率在60～90%之间时粘聚力变化最快。
（2）另一方面，在外力作用下使粗细集料排列紧密，相互嵌挤锁结，排出液体和气体，使结构稳定。
参考文献
[1]彭波、李文瑛、危拥军、等. 沥青混合料材料组成与特性[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2]黄晓明，等.沥青路面设计.北京：人民交通出版社，2002.
[3]交通部公路科学研究院.微表处和稀浆封层技术指南.北京：人民交通出版社，2006.
[4]CJJ 66-95，路面稀浆封层施工规程.
[5]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范.
[6]邓学钧、黄晓明.路面设计原理与方法. 北京：人民交通出版社，2007.