1. 引言
由于交通荷载更加重型化、大幅度增加的交通量以及越来越严重的超载车辆，使得路面结构的损坏得到加快。与公路的建设发展速度相比，我国的养护维修技术就显得相对薄弱。尤其是目前的沥青路面出现了大量的路面沉陷、网裂和空洞、松散剥落、车辙、坑槽、泛油、平整度变差等病害，为了防止这些病害加速对沥青路面的危害并保证路面的行车安全和良好有序的路况，急需进行养护维修工作。因此，如何使得沥青路面的使用寿命更长具有很广阔的市场前景 [1] 。
石油沥青本身有三个主要的有点，第一它具有很强的结合能力；第二，沥青本身具有抗老化的性能；第三由于沥青是一种憎水性材料，因此具有较好的防水能力 [2] 。所以沥青被广泛的应用于筑路工程、防水和密封材料使用等方面，但是同时沥青具有几个缺点，例如在高温下会变成流动状态、在低温环境中容易发生脆性开裂，此外沥青混凝土里面大多数采用的是现场熬制的热拌施工，不但严重污染环境，也对工人身体危害大，高温下施工现场容易发生火灾；随着世界能源危机的不断加剧，人们的环保意识越来越强，因此沥青的乳化改性开发成为沥青混凝土路面发展的必然趋势。
从1935年开始，中国乳化沥青开始应用在道路工程中，并且使用的产品多为国外进口产品，在1951年中国研制出阴离子型乳化沥青，三年后研制出乳化煤焦油沥青，1958年针对某些地区缺少砂石修路的情况研制出快裂型、慢裂型和中裂型阴离子乳化沥青 [3] 。目前我国的乳化沥青生产基地遍布全国各地，大部分地区建立完备的乳化沥青车间，发展迅速 [4] 。但我国乳化沥青的发展仍然与西方国家存在一些差距：第一，国外的乳化沥青中沥青的含量占比高于70%，甚至80%的水包油(O/W)型乳液，我国研制的乳化沥青含量只在65%以下 [5] [6] ；第二，国外的乳化剂种类多种多样并且质量好，可针对不同的地区、不同的用途使用相应的产品，而我国的乳化沥青种类稀少，适应各种沥青的性能差 [7] 。如何能研制出高固含量、适用范围广的乳化沥青十分必要。
2. 乳化沥青的制作
2.1. 乳化剂的构成
阳离子表面活性剂按照氮原子在分子中的位置不同分为三类，分别是铵盐型、季铵盐型和杂环型。铵盐型、季铵盐型属于中、快裂乳化剂，但是烷基铵盐型比季铵盐型所制备的乳化沥青的破乳速度要快很多，杂环型属于典型的慢裂乳化剂，它的破乳速度相比会慢很多。因此选择烷基胺类乳化剂 [8] 。
为了提高乳化沥青的稳定性并改善乳化效果，可以通过加入盐酸的方式，调节水溶液的PH值，增加溶液的离子强度。
制备的乳化沥青共采用两种稳定剂，一种稳定剂是纤维素类，又称作增稠剂，是一种有机水溶性高分子，一方面是水溶性高分子通过自身的粘度来增加水相的粘度，另外是水溶性高分子化合物和水中的分散相及其他高分子化合物发生反应，使得增稠效果高于聚合物本身粘度所造成的增稠效果。一般情况下，乳化沥青的黏度越大，分散在水中的沥青微粒的热运动速度就会越慢，那么微粒间的碰撞和聚集的概率会相对应的减小，因此黏度增加，乳化沥青也会更加稳定 [9] [10] 。乳化沥青稳定剂的确定另外一种稳定剂是无机盐，由于在制备乳化沥青的过程中会出现乳液颗粒粗大而不均匀造成乳液发生絮凝或沉淀的现象，加入无机盐稳定剂后会改变乳液的Zeta电位，导致沥青微粒间的作用力改变，从而影响粒度分布，最终影响乳化沥青的储存稳定性 [11] [12] 。稳定剂对季铰盐阳离子型乳化沥青储存稳定性的影响、改性乳化沥青的研制及其储存稳定性考察。
2.2. 阳离子乳化沥青的制作
2.2.1. 实验试剂与实验装置
实验试剂与实验装置如表1、规格如表2。
Table 1. Laboratory instruments and devices
表1. 实验仪器与装置
2.2.2. 制作方法
1) 将阳离子乳化剂与水按比例混合后，经过搅拌充分溶解形成皂液，准备两份。
2) 将基质沥青加热至90℃，皂液加热至60℃。
3) 将一份60℃皂液皂液再次搅拌倒入研磨机中，使得仪器中的环境与实验环境相同，研磨两分钟后倒出。
4) 再次将60℃皂液倒入研磨机中，研磨两分钟后，取出90℃基质沥青，缓慢倒入研磨机中研磨，研磨十分钟后即形成乳化沥青倒出。
5) 将稳定剂溶于10 g水中，在第四步研磨的第五分钟倒入。
2.2.3. 实验结果对比
实验结果对比如表3。
Table 3. Comparison of experimental results
表3. 实验结果对比
实验结果表明：在不添加稳定剂的情况下，若能够在制作出乳化沥青后两个小时内与骨料拌和则不影响；加入羟乙基纤维素的效果会更好，而氯化钙并没有起到稳定剂的作用。
2.3. 乳化沥青蒸发残留物含量实验
通过乳化沥青蒸发残留物含量实验测得乳化沥青中沥青的固含量约为65% (表4)。
Table 4. Experimental result evaporative residue content
表4. 蒸发残留物含量实验结果
3. 非离子乳化沥青的制作
3.1. 实验装置
实验所用的仪器装置规格见下表5、表6。
Table 5. Laboratory instruments and devices
表5. 实验仪器与装置
3.2. 制作方法
1) 将沥青加入烧瓶中，90℃油浴至转子(转速15 r/s)可以转动状态。
2) 将非离子乳化剂(失水山梨醇单油酸酯)与水、按比例混合后，经过搅拌充分溶解形成皂液，加热到60℃。
3) 将煤油倒入烧瓶中，90℃油浴5分钟，达到稀释作用。
4) 将60℃的皂液倒入烧瓶中，在90℃油浴下充分搅拌五分钟后倒出。
5) 将0.5 g稳定剂溶于5 g水中搅拌使得充分溶解，需要加稳定剂的在第四步时加入。
6) 利用可调高速均质机进行高速剪切，使得沥青与乳化剂充分乳化。
3.3. 实验结果对比
结果对比如表7。
Table 7. Comparison of experimental results
表7. 实验结果对比
说明：制作非离子乳化剂的时候也采用和阳离子一样的方式，但存在问题是，非离子乳化剂不能乳化90℃的沥青，研磨机会发生堵塞。
3.4. 乳化沥青蒸发残留物含量实验
通过乳化沥青蒸发残留物含量实验测得乳化沥青中沥青的固含量约为70.1% (表8)。
Table 8. Experimental result evaporative residue content
表8. 蒸发残留物含量实验结果
4. 乳化沥青混合料实验
4.1. 乳化沥青混合料的破乳过程
第一过程：裹附将自制乳化剂喷洒在矿料表面，使得乳化沥青与矿料充分接触，打破乳化沥青的平衡体系，一部分乳化沥青进行首次破乳。
第二过程：初凝矿料被乳化沥青充分裹附后，由于电荷作用，会导致乳化沥青发生不可逆吸附矿料表面发生，从而挤出矿料表面的水分，致使乳化沥青破乳；与此同时，由于第一过程乳化剂吸附在矿料的表面，会降低乳化沥青中乳化剂的浓度，将乳化沥青周围乳化剂形成的界面膜破坏，增加乳化沥青的界面能，发水聚合破乳现象。最终，乳化沥青的微粒在矿料表面相互接触排列，使得混合料形成初步的强度 [13] 。
第三过程：固化随着时间的推移，水分会持续蒸发，使得乳化沥青的浓度逐渐增大，沥青微粒在聚合的作用下相互接触的面积增大，紧密聚集在一起，使得原来的球体形状改变，沥青微粒形变的主要原因是体系的界面张力的变化。沥青微粒紧密聚集至形成连续相，这时被乳化沥青吸附的结合水将大量释放，变成自由水，游离于乳化沥青和矿料之间的微小空隙。此时的混合料虽然强度没有达到最大，但是在行车的不断作用下，水分会上浮形成水膜结构，也就是轮胎接触的并不是沥青，因此可以开放交通。此外，在轮胎碾压下会加速乳化沥青的破乳过程，进一步使得乳化沥青聚集 [14] 。
第四过程：成型当水分持续蒸发至彻底消散，乳化沥青会完全破乳，随着行车的不断碾压作用而重新分布，最终具备基质沥青的强度特性。这一过程与外界环境变化密切相关，可能最终甚至需要几个月时间 [15] [16] 。
4.2. 混合料实验
1) AC-16级配油石比：6%沥青：509骨料(表9)：8491阳离子乳化沥青(沥青含量60%)
拌和分为三个步骤：第一步，在骨料表面喷洒乳化剂；第二步，将骨料粒径 ≥ 9.5的大粒径骨料先与乳化沥青拌和，使得乳化沥青能够与大粒径骨料充分接触；第三步，将剩余粒径骨料倒入拌和(表10)。
Table 9. The quality of the aggregate
表9. 骨料质量
Table 10. Marshall stability test results
表10. 马歇尔稳定度实验结果
2) AC-16级配油石比：10%沥青：818骨料：8182阳离子乳化沥青(沥青含量60%)
马歇尔稳定度实验结果(表11~12)。
Table 12. Marshall stability test results
表12. 马歇尔稳定度实验结果
4.3. 实验调整
通过观察图片和实验结果发现，乳化沥青混合料的稳定度偏小，达不到标准要求；试件中的沥青少，粘度小(如图1所示)。当油石比由6%提高至10%，稳定度并没有太大的提高，通过分析得出由于乳化沥青中沥青的含量百分比煤油变化，虽然提高了油石比，但是相应的水也增加，所以将乳化沥青的沥青含量提高至67%。
3) AC-16级配油石比：10%沥青：818骨料：8182阳离子乳化沥青(沥青含量65%) (表13，表14)。
Table 14. Marshall stability test results
表14. 马歇尔稳定度实验结果
4.4. 实验结论
通过提高乳化沥青的固含量，可以明显提高沥青混合料的马歇尔稳定度，使得混合料的初始强度能够达到规范要求。
5. 结论
本论文探究制作出两种乳化沥青，一种为阳离子乳化沥青，一种为非离子乳化沥青，分别通过不同的方式提高乳化沥青中沥青的固含量，由于阳离子乳化沥青可以很好地与骨料进行裹覆，因此进行阳离子乳化沥青混合料实验，并通过马歇尔实验验证得出，新型乳化沥青混合料的强度能够达到规范要求。