绿色低碳型乳化沥青胶结料及其聚合物改性方法研究进展

罗蕉 LUO Jiao

（广西锦绣前程人力资源股份有限公司，南宁 530000）

0 引言

传统的沥青混凝土在生产、施工和养护等环节会释放大量的二氧化碳和其他有害气体，这对环境造成不可忽视的负面影响[1]。而绿色低碳型乳化沥青胶结料作为一种新型的道路建材，可以有效减少道路施工中对环境的不良影响[2]。因此，深入研究乳化沥青胶结料的性能、制备工艺以及在实际工程中的应用，对于推动道路工程的可持续发展具有积极的意义。目前，关于乳化沥青胶结料的研究主要集中在其基本性质、改性技术、工程应用等方面[1-6]。具体地，研究者们通过实验、模拟和场地试验等手段，深入探讨了该材料的稳定性、耐久性、适用范围等关键性能，并在实际道路工程中进行了一系列的应用验证[7-15]。本论文首先对乳化沥青胶结料进行了系统的介绍，包括其组成、特性以及制备工艺等。然后，阐述了不同的乳化沥青改性方法及三种主要的聚合物改性乳化沥青。在此基础上，对乳化沥青及改性乳化沥青的当前研究进行了总结，并提出进一步研究的方向及意义。

1 乳化沥青简介

1.1 主要分类

根据乳化剂的种类可将乳化沥青分为阳离子、阴离子、非离子及两性离子型乳化沥青[1，2]。阳离子与阴离子乳化沥青微颗粒表面分别带正电荷和负电荷。如图1 所示，集料能够与阳离子乳化沥青快速且牢固地相结合，这是因为带正电的阳离子乳化沥青与集料之间存在静电吸引作用[3]。依照破乳速率的快慢，乳化沥青的可分为慢裂、中裂以及快裂型。另外，按照工程应用的不同，乳化沥青又可分为拌和、灌入和喷撒型。

图1 阳离子乳化沥青吸附性能展示图[3]

1.2 优缺点

乳化沥青技术避免过了路面施工中高温加热与有毒物质排放而影响环境的情况。研究者通过计算得知，与传统热拌沥青技术相比，乳化沥青混合料技术可以显著降低能源及原料使用量、有害气体产生量及损害人员健康风险率，如图2 所示[4]。但是，乳化沥青混合料在黏结性能、柔韧性以及强度等方面低于热拌沥青混合料，这大大限制了乳化沥青在道路高层面结构以及新建公路中的应用。

图2 冷拌与热拌技术对比图[4]

2 乳化原理、工艺及设备

2.1 乳化原理

在少量乳化剂以及高速剪切的共同作用下，熔融状态下的沥青与水溶液之间的界面张力显著减小，乳化剂与沥青微粒之间存在相互作用，即乳化剂亲油基团定向排列在沥青微粒表面，同时其亲水基团与乳液体系中的水相连接，最终使沥青分散成微小颗粒，并均匀分布在水溶液中。

2.2 制备工艺

图3 展示了乳化沥青的一般制备工艺。首先需通过加热的方式获取熔融状沥青，同时将少量乳化剂与水溶液混合均匀，并加入一定量助剂，保持混合液体温度在55℃～60℃之间；然后将皂液先倒入胶体磨中，紧接着缓慢加入熔融状沥青，使两者得到充分剪切与分散，最后完成制备。

图3 乳化沥青制备过程

2.3 破乳过程

乳化沥青最终能够发挥其粘结剂作用的条件是水分的完全蒸发。在集料与沥青乳液接触时，微小的沥青微颗粒开始分裂，并相互接触凝聚，随着水分的不断蒸发，沥青薄膜形成于集料表面，这就是乳化沥青的破乳过程，如图4 所示[5]。

图4 阳离子乳化沥青破乳过程示意图[5]

2.4 乳化设备

常用的乳化沥青制备设备为胶体磨仪器，液体材料在其研磨区瞬间速度以及方向时刻变化，这使液体同时受到高速剪切和研磨。熔融状沥青与皂液在约3000 转/分高速旋转的胶体磨定盘与转盘之间的间隙时被剪切研磨，同时在乳化剂的作用下形成乳化沥青微颗粒。

3 聚合物改性乳化沥青

3.1 聚合物改性机理

为弥补乳化沥青混合料的水稳定性的不足，采用橡胶、树脂等高聚物以及部分无机物等作为改性剂，以改善乳化沥青及其混合料的性能。在聚合物改性乳化沥青体系中，聚合物应与沥青完全相容，形成均匀的混合物，从而在储存、运输和应用过程中最大限度地减少相分离问题。另外，聚合物改性剂对沥青不产生化学效果，一般聚合物改性剂会在吸收沥青轻组分的情况下发生膨胀，改性剂所形成界面与沥青界面相互作用，进而保持了两相稳定以及聚合物的均匀分布，同时聚合物所形成网状结构，发挥其固有性质，这可以使沥青的性能得到明显改善[6]。

3.2 改性方法

根据改性步骤在制备聚合物改性乳化沥青过程中的先后顺序可将制备工艺分为先改性后乳化、边改性边乳化和先乳化后改性这三种，具体制备方法如图5 所示[7]。先改性的方法需要先将基质沥青进行改性，形成聚合物改性沥青，然后再对其进行乳化处理。其中，这会存在难以对粘度较大的聚合物改性沥青进行乳化的问题。此外，边乳化边改性的制备方法只需一个工序即可完成，不仅高效、易操作，还具有价廉的优点。对于先乳化后改性的制备工艺，需先对基质沥青进行乳化处理，再采用机械搅拌将聚合物改性胶乳与乳化沥青混合均匀。

图5 乳化沥青改性方法[7]

3.3 SBR 改性乳化沥青

SBR 对沥青的性能改善效果较为明显。在SBR 胶乳掺量增加的情况下，改性乳化沥青的储存稳定显示出先提升后降低的趋势[8]。这可能是大量沥青轻组分被SBR 胶乳溶胀吸收，胶质与沥青质等大分子发生絮凝、凝聚，影响了乳化沥青的稳定性。乳化沥青的常规性能随着SBR 掺量的增加得到显著改善，宏观上表现为沥青延性增加、软化点增加、针入度降低[9]。这是因为SBR 颗粒充分膨胀形成连接网络，显著增强了沥青的低温和高温性能。图6 展现了改性乳化沥青的流变性能在不同SBR 胶乳掺入量下的变化情况[8,10]。可以明显地看到，随着SBR 胶乳掺量的增加，相位角（δ）呈现减小的趋势，而车辙因子（G*/sin δ）逐渐提高，这表明增加SBR 胶乳的用量能够提升乳化沥青粘结剂的高温稳定性。

图6 SBR 改性乳化沥青流变性能[8，10]

3.4 SBS 改性乳化沥青

SBS 拥有橡胶与塑料的两重性质，因其强度较高的聚苯乙烯结构能够提升沥青的高温稳定性，柔韧性优异的聚丁二烯结构具有增强沥青低温抗裂性能的作用。随着SBS含量的逐渐增加，乳化沥青蒸发残留物的针入度不断减小，而低温延展性随之提升，这说明高低温稳定性具有明显的提高[11]。SBS 改性沥青的高粘度和高软化点在一定程度上增加了乳化过程的难度，对沥青乳化剂的选择要求也更高。使用复合乳化剂的方法降低乳化剂临界胶束浓度与沥青在皂液中的表面张力，从而提升对SBS 改性沥青的乳化能力与效率[12，13]。

3.5 水性环氧乳化沥青

水性环氧树脂具有附着力好、收缩率小、抗蠕变性能大、相容性适宜等优点。弥补了普通乳化沥青粘着力低、强度低的缺点。水性环氧树脂渗透乳化沥青后，微小的沥青颗粒均匀聚集并填充在乳化沥青颗粒周围，通过复杂的交联反应形成稳定的三维整体，如图7 所示[14，15]。改性乳化沥青的硬度随着水性环氧树脂掺量的增加而逐渐提高，剪切强度和拉拔强度逐渐增强，同时热稳定性明显提高。当环氧树脂投加量达到30%时，材料的粘度指数和低温脆性将达不到规范要求。因此，水性环氧树脂的最佳掺量为15%～20%[14]。

图7 荧光显微镜检测[14，15]

4 经济价值分析

乳化沥青技术除了有效降低对环境的影响，其在经济成本方面也具有明显优势。与热拌沥青混合料相比，冷拌再生沥青混合料总能耗降低了46.4%。其中，原材料生产阶段、混合料生产阶段、运输阶段以及摊铺阶段可以分别降低47.5%、87.6%、13.0%和74.3%的能源消耗[16]。采用40000t 废旧沥青混合料进行路面修复工程中，乳化沥青冷再生混合料不仅能够满足路用性能要求，还能节约矿石采购费用约为428 万元，减少约为标准煤量437.67t 的能耗[17]。通过40 年全寿命周期经济成本分析可知，以泡沫沥青冷再生混合料为柔性基层的路面结构与以沥青稳定碎石混合料为基层的路面结构相比，1km 的分析基元净现值减少72.96 万元，这是因为回收利用大量废旧沥青混合料降低了成本[18]。

5 总结与展望

通过对绿色低碳乳化沥青胶结料的全面介绍和深入分析，本论文旨在为相关领域的研究者提供全面而清晰的了解，为推动这一领域的研究和应用做出贡献。希望通过这一研究，能够为未来道路工程的绿色、低碳、可持续发展提供有益的启示和支持。

①沥青作为一种新型绿色环保胶结料，对公路与铁路的建设及其养护工程具有重要意义。

②适宜的乳化剂、合适的制备方法以及符合要求的胶体磨设备是制备性能良好乳化沥青的主要条件。

③聚合物改性剂可以在乳化沥青中形成交联结构，进而提升其使用性能，但需注意高掺量改性剂所带来的负面影响。

④乳化沥青在不同气候和道路条件下的适用性、制备工艺的优化等问题亟待解决。

⑤对普通乳化沥青进行改性，制备耐久性高性能乳化沥青，使其应用于高等级路面建设，这将有利于推动绿色环保型道路的发展。