乳化瀝青干燥過(guò)程的影響因素

孫海明　馬世東　張乾　劉凡愷　趙品暉

摘要：基于乳液干燥成膜理論研究乳化瀝青干燥過(guò)程，分析干燥過(guò)程的影響因素，探討乳化瀝青干燥過(guò)程與穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)果表明：乳化劑摻量和皂液pH值對(duì)乳化瀝青的干燥過(guò)程影響較小，而干燥溫度和試樣厚度對(duì)干燥過(guò)程影響較大；厚度10 mm的乳化瀝青試樣與厚度3 mm試樣初始干燥速率相近，但3 mm試樣干燥至水分臨界狀態(tài)體積分?jǐn)?shù)（φm）的時(shí)間是10 mm試樣的1.2倍；60 ℃時(shí)乳化瀝青試樣初始干燥速率約為30 ℃時(shí)的4.2倍，而干燥至φm的時(shí)間只需30 ℃時(shí)的約1/4；乳化瀝青1 d貯存穩(wěn)定性越差，平均粒徑越大，zeta電位越小，水分臨界狀態(tài)體積分?jǐn)?shù)φm越小，表明乳化瀝青越不穩(wěn)定，越容易破乳，相同條件下水分干燥的越充分。

關(guān)鍵詞：乳化瀝青； 干燥過(guò)程； 破乳； 穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U 414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：孫海明，馬世東，張乾，等.乳化瀝青干燥過(guò)程的影響因素［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（2）：180-188.

SUN Haiming， MA Shidong， ZHANG Qian， et al. Influence factors of drying process for emulsified asphalt［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（2）：180-188.

Influence factors of drying process for emulsified asphalt

SUN Haiming1， MA Shidong2， ZHANG Qian2， LIU Fankai3， ZHAO Pinhui2

（1.Yantai Highway Development Center， Yantai 264001， China;2.Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China;3.Shandong Hi-speed Construction Management Group Company Limited， Jinan 250001， China）

Abstract：The drying process of emulsified asphalt was studied on the basis of emulsion drying film theory， and the influencing factors of drying process were analyzed. The relationship between drying process and stability of emulsified asphalt was discussed as well. The results show that the emulsifier content and pH value of soap solution have little effect on the drying process of emulsified asphalt， while the drying temperature and sample thickness present great influence. The initial drying rate of 10 mm thick emulsified asphalt sample is similar to that of 3 mm thick sample. However， the drying time of 3 mm sample to the critical moisture volume fraction （φm） is 1.2 times that of 10 mm sample. The initial drying rate of emulsified asphalt sample at 60 ℃ is about 4.2 times that at 30 ℃， and the drying time to φm is only about 1/4 of that at 30 ℃. The worse the 1d storage stability of emulsified asphalt is， the larger the average particle size is， the smaller the zeta potential is， and the smaller the critical state volume fraction φm of asphalt moisture is. It indicates that the more unstable the emulsified asphalt is， the easier the demulsification is， and the more sufficient the moisture is dried under the same conditions.

Keywords：emulsified asphalt; drying process; demulsification; stability

瀝青路面由于具有表面平整、無(wú)接縫、行車(chē)舒適性高、噪音低等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在世界各地的道路工程中得到了廣泛的應(yīng)用。瀝青路面大多采用傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料技術(shù)，瀝青和集料通常在超過(guò)145 ℃下混合［1-2］，高溫會(huì)消耗大量的能源，產(chǎn)生大量的廢氣和固體粉塵［3-6］。與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料相比，基于乳化瀝青的冷拌瀝青混合料技術(shù)由于具有施工便捷、節(jié)能環(huán)保、減輕瀝青老化、減少揚(yáng)塵、延長(zhǎng)施工季節(jié)等突出優(yōu)勢(shì)而受到重視［7］。乳化瀝青適合路面維修、養(yǎng)護(hù)和修復(fù)［8-10］。然而乳化瀝青材料由于其破乳固化后才能達(dá)到所需的力學(xué)性能和黏結(jié)性能，其應(yīng)用受到限制。乳化瀝青是由加熱熔融的瀝青在機(jī)械作用下以細(xì)小的微滴分散到含有乳化劑的水溶液中形成的水包油乳狀液［11］，在本質(zhì)上是改變了瀝青的流動(dòng)狀態(tài)，而發(fā)揮黏結(jié)作用的依然是瀝青自身。為了恢復(fù)瀝青原有的黏結(jié)性能，乳化瀝青中的大部分水分需要蒸發(fā)掉，破乳形成瀝青膜。乳化瀝青材料黏結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展速度取決于乳化瀝青的破乳成膜速度。按照破乳等級(jí)可將乳化瀝青分為快凝、中凝和慢凝3種類(lèi)型［12-13］，乳化瀝青的破乳等級(jí)是衡量乳化瀝青與集料混合后的穩(wěn)定性［14-15］和施工時(shí)間［16］的一項(xiàng)指標(biāo)，而該方法并不能定量表征乳化瀝青的破乳速度和破乳成膜后的狀態(tài)。乳化瀝青的黏結(jié)能力不僅與瀝青的成膜狀態(tài)有關(guān)，還與其含水率有關(guān)。乳化瀝青的破乳成膜過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)水分不斷蒸發(fā)的干燥過(guò)程，這個(gè)過(guò)程很大程度影響了乳液的破乳速度、破乳后瀝青膜的狀態(tài)和含水率，并決定了黏結(jié)強(qiáng)度［17-20］。乳液干燥過(guò)程可采用蒸發(fā)試驗(yàn)定量表征，得到干燥速率、最大堆積密度等定量指標(biāo)［21］。因此可從乳液干燥的角度定量表征乳化瀝青破乳速度，揭示破乳行為。此外乳化瀝青是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，乳液的穩(wěn)定和破乳是乳化瀝青最重要的性能和典型特征，影響乳化瀝青穩(wěn)定性的主要因素包括組成材料的影響（如乳化劑、助劑的類(lèi)型和用量，皂液pH值等）和外界條件的影響（如溫度、厚度、基材等）［22-23］。乳化瀝青穩(wěn)定性研究一般可采用貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)來(lái)直接表征，也可采用平均粒徑和zeta電勢(shì)來(lái)間接表征。為定量表征乳化瀝青的破乳性能，筆者基于乳液干燥成膜理論，采用蒸發(fā)試驗(yàn)的方法，對(duì)乳化瀝青的干燥過(guò)程進(jìn)行研究，揭示乳化瀝青干燥過(guò)程的各個(gè)階段及其物理意義，提出定量表征干燥過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，考察乳化劑用量、皂液pH值、厚度和溫度等對(duì)乳化瀝青干燥過(guò)程的影響，并探討乳化瀝青的干燥過(guò)程與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選用一種新型高黏乳化瀝青為研究對(duì)象，其主要應(yīng)用于黏層，具有黏結(jié)強(qiáng)度高、破乳速度快和不黏車(chē)輪等優(yōu)勢(shì)。該高黏乳化瀝青以HLB值為10～12，顆粒極性為+，且不溶于水的脂肪胺類(lèi)陽(yáng)離子乳化劑（Aemu-18）和高黏瀝青為主要原料，基于管道加壓技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室條件下制備得到。其中，瀝青和水的密度分別取1.028和0.998 g/cm3，乳液密度為1.012～1.019 g/cm3。經(jīng)試驗(yàn)分析（括號(hào)中為試驗(yàn)方法），高黏瀝青的針入度為18×10-1 mm（T0604），軟化點(diǎn)為67 ℃（T0606），25 ℃延度為21 cm（T0605），閃點(diǎn)為342? ℃（T0633），溶解度為100%（T0607），蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%（T0615），密度為1.028 g/cm3（T0603），極性四組分的飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分別為13.8%、28.3%、40.3%和17.6%（T0618）。

1.2 高黏乳化瀝青的制備

采用改性乳化瀝青試驗(yàn)一體機(jī)（MD-300）膠體磨在實(shí)驗(yàn)室制備高黏乳化瀝青：將一定量的乳化劑加入到水中，并調(diào)節(jié)到合適的pH值制備得到皂液，將皂液加熱到約55 ℃，備用；同時(shí)將高黏瀝青加熱到約160 ℃，備用；打開(kāi)膠體磨，先將出口壓力設(shè)置為0.2 MPa，皂液和高黏瀝青同時(shí)經(jīng)過(guò)膠體磨的研磨后即可制得高黏乳化瀝青。

1.3 乳化瀝青干燥試驗(yàn)

通過(guò)重量法測(cè)定乳化瀝青中水的蒸發(fā)失重，考察乳化瀝青的干燥過(guò)程。試樣制備方法是將待干燥的乳化瀝青倒入直徑60 mm、高度15 mm、底面積為0.002 827 m2的圓柱形玻璃容器中，如圖1所示。為考察層厚對(duì)干燥過(guò)程的影響，調(diào)整倒入乳化瀝青的用量，獲得3、6和10 mm的層厚度，為保證試件的準(zhǔn)確層厚，根據(jù)層厚、待干燥乳化瀝青體積和密度計(jì)算出乳化瀝青試件的質(zhì)量。同時(shí)，選取了30、45和60 ℃作為干燥溫度。所有干燥試驗(yàn)都在可控溫的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行。

在從干燥過(guò)程開(kāi)始至結(jié)束的每20 min時(shí)間間隔內(nèi)，用精度為10-4 g的天平測(cè)量水分的損失，直到?jīng)]有觀察到水分蒸發(fā)為止。每個(gè)干燥過(guò)程重復(fù)3次，共12組，36個(gè)試樣。

為了使干燥過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，所有重量參數(shù)用單位面積質(zhì)量（g/m2）表示，蒸發(fā)率用單位面積和單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)水的質(zhì)量（g/（m2·min-1））表示。在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上，計(jì)算乳液的關(guān)鍵物理性質(zhì)-水分體積分?jǐn)?shù)φ，即

φ=（mW，unit-mloss）ρW-1（mA，unitρA-1+（mW，unit-mloss）ρW-1）-1.（1）

式中，mA，unit和 mW，unit分別為單位面積的瀝青和初始水的質(zhì)量，g；mloss為水分質(zhì)量損失，g；ρA和ρW分別為瀝青和水的密度，g/cm3；φ為水分體積分?jǐn)?shù)。

2 乳化瀝青干燥過(guò)程的物理特性

2.1 干燥過(guò)程的定性描述

Vanderhoff等采用最簡(jiǎn)單的稱(chēng)量法將膠乳水分揮發(fā)分為三個(gè)階段：初始階段為水分的勻速揮發(fā)階段，而后為減速揮發(fā)階段，最后階段為蒸發(fā)速度接近0的緩慢揮發(fā)階段［24］。Croll等［25］發(fā)現(xiàn)膠乳干燥只存在勻速揮發(fā)和減速揮發(fā)二個(gè)階段。其實(shí)這二個(gè)階段在分散體干燥過(guò)程中都是真實(shí)存在的。2種模型的區(qū)別在于，Vanderhoff發(fā)現(xiàn)的三階段乳液干燥過(guò)程實(shí)際上是在干燥過(guò)程中乳液出現(xiàn)了“結(jié)皮”現(xiàn)象。在干燥初期“結(jié)皮”尚未形成，表現(xiàn)出勻速揮發(fā)，隨著揮發(fā)的進(jìn)行，膠乳粒子在表面濃縮成致密薄膜，即形成了“結(jié)皮”，而水分需要突破“結(jié)皮”才能揮發(fā)進(jìn)入空氣，揮發(fā)速度下降，隨著揮發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，“結(jié)皮”厚度越來(lái)越大，水分揮發(fā)的速度也隨之越來(lái)越低，直至“結(jié)皮”到達(dá)基材，剩余水分被“鎖住”，揮發(fā)也進(jìn)入到最后的極慢速揮發(fā)階段。而Croll發(fā)現(xiàn)的二階段干燥過(guò)程，是膠乳干燥過(guò)程中未發(fā)生“結(jié)皮”現(xiàn)象，水分以接近純水的速度揮發(fā)，直至濃縮至臨界濃度，分散體粒子形成緊密堆積，其后水分揮發(fā)進(jìn)入慢速階段。

由于瀝青液滴之間存在很強(qiáng)的自聚力，乳化瀝青干燥成膜過(guò)程中，表面“結(jié)皮”現(xiàn)象是普遍存在的，而且乳化瀝青的破乳過(guò)程，實(shí)際上是瀝青顆粒從小到大的聚并過(guò)程。因此在Vanderhoff模型的基礎(chǔ)上對(duì)乳化瀝青的破乳過(guò)程進(jìn)行描述，通過(guò)以下三個(gè)階段連續(xù)轉(zhuǎn)變（圖2）。

初始階段對(duì)應(yīng)于處于半稀釋狀態(tài)的乳液，此時(shí)瀝青液滴的體積分?jǐn)?shù)足夠低，足以提供由圖2（a）中表面活性劑分子的排斥力（通過(guò)靜電和振蕩結(jié)構(gòu)力）維持的乳液的熱力學(xué)穩(wěn)定性。液滴之間的距離足夠大，使它們的相對(duì)遷移率和從試樣自由表面的干燥速率持續(xù)較高，與純水或乳化劑稀水溶液的干燥速率相當(dāng)。這一區(qū)域范圍從最初的φ0到水分的關(guān)鍵體積分?jǐn)?shù)φcrit。

中間階段對(duì)應(yīng)于破乳聚并濃縮區(qū)，此時(shí)水分體積分?jǐn)?shù)小于φcrit，同時(shí)原有的球形瀝青液滴發(fā)生聚并。在這一階段由于水-氣界面面積變小，干燥速率逐漸減小。這個(gè)過(guò)程是由水從聚并的瀝青顆粒之間的縫隙中流出，直到它們結(jié)合成大致連續(xù)的薄膜來(lái)決定的。在中間階段存在一個(gè)類(lèi)似于圖2（b）的時(shí)刻，此時(shí)水分達(dá)到臨界體積狀態(tài)。

最后階段對(duì)應(yīng)于瀝青液滴滲出時(shí)的致密區(qū)，從而成為圖2（c）中水相夾雜的連續(xù)相。可蒸發(fā)的水要么通過(guò)凝聚液滴之間的毛細(xì)孔隙擴(kuò)散逃逸，要么通過(guò)瀝青相的重新配置擠壓出去。在這一階段，水分干燥速率要小得多，并且趨于漸近值。

2.2 干燥過(guò)程的定量分析

根據(jù)所采用的物理模型，干燥過(guò)程可以由以下一組獨(dú)立的內(nèi)在參數(shù)來(lái)定義：定義初始階段的平均干燥速率（簡(jiǎn)稱(chēng)初始干燥速率）為0，初始階段和中間階段之間邊界的水分的關(guān)鍵體積分?jǐn)?shù)為φcrit，達(dá)到質(zhì)量基本不變時(shí)水分臨界體積狀態(tài)的體積分?jǐn)?shù)為φm，以及相應(yīng)的時(shí)間t（φcrit）和t（φm）。乳化瀝青的水分體積分?jǐn)?shù)從φ0到φcrit、φm，具有較高的干燥速率。因此，φcrit、φm越小，表明乳化瀝青在干燥速率為0的情況下可以干燥到更加稠密的狀態(tài)，時(shí)間越小則表明干燥越迅速。

雖然有三個(gè)干燥階段，但仍然很難得到φcrit到φm的真實(shí)干燥時(shí)間。因此根據(jù)φcrit和φm的物理意義，給出了干燥時(shí)間的數(shù)學(xué)定義。在φcrit干燥時(shí)間之前，乳化瀝青應(yīng)具有恒定的干燥速率，從而得到：

mloss=Et.（2）

式中，mloss 為單位面積的水分損失，g/m2；t為干燥時(shí)間，h。

初始階段的干燥過(guò)程應(yīng)很好地符合等式（2），并給出了與水分關(guān)鍵體積分?jǐn)?shù)φcrit相對(duì)應(yīng)的時(shí)間t（φcrit）的數(shù)學(xué)定義。按公式計(jì)算，相關(guān)系數(shù)R2應(yīng)大于0.99。用式（2）在φcrit干燥時(shí)間之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，但在這一時(shí)刻之后該值急劇下降。圖3給出了確定t（φcrit）的一個(gè)例子。

此外，t（φm）比t（φcrit）時(shí)間的測(cè)定困難得多。理論上，在達(dá)到φcrit之前，瀝青液滴沒(méi)有明顯的顆粒變形和聚結(jié)，但在這一時(shí)刻之后發(fā)生了顯著的顆粒變形和聚并，在達(dá)到φm時(shí)瀝青顆粒達(dá)到最大聚并狀態(tài)，從而使水分達(dá)到臨界體積狀態(tài)。因此達(dá)到φm時(shí)干燥速率的變化應(yīng)在干燥曲線上最大。即在干燥曲線上，這個(gè)范圍內(nèi)的曲率半徑應(yīng)該是最小的。然而干燥曲線的精確函數(shù)尚不清楚，因此第一級(jí)和第三級(jí)擬合線的交點(diǎn)被用來(lái)計(jì)算φm的干燥時(shí)間，得到這一時(shí)間后，就可以準(zhǔn)確地估計(jì)干燥曲線相應(yīng)的失水量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

將φcrit和φm在干燥時(shí)的失水質(zhì)量代入式（1）可以得到φcrit和φm。根據(jù)上述數(shù)學(xué)方法，可以計(jì)算出圖2中試樣的關(guān)鍵干燥參數(shù)：初始干燥速率0為8.456 4 g/（m2·min-1），并且干燥時(shí)間在100與137 min時(shí)水分關(guān)鍵體積分?jǐn)?shù)φcrit與水分臨界體積分?jǐn)?shù)φm依次達(dá)到21.7%與19.5%。

2.3 干燥試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從乳化瀝青組成的角度來(lái)說(shuō)，在選定的乳化劑和瀝青類(lèi)型下，影響乳化瀝青干燥過(guò)程的主要因素是乳化劑摻量和皂液pH值，基于乳化劑生產(chǎn)廠家的推薦用量范圍和前期大量的研究工作基礎(chǔ)，乳化劑的摻量選取0.5%、1%、2%、3%和4%；同時(shí)作為一種脂肪胺類(lèi)陽(yáng)離子乳化劑在酸性條件下才能更好的發(fā)揮乳化作用，皂液pH值選取了1、2、3、4（經(jīng)研究在更高的皂液pH值下乳化劑無(wú)法在水中溶解）。而從使用的角度，影響乳化瀝青干燥過(guò)程的主要因素是干燥溫度和撒布厚度，由于乳化瀝青在環(huán)境溫度下撒布到基材表面，根據(jù)推薦和常用的施工季節(jié)和路面溫度，干燥溫度選取了30、45和60 ℃；根據(jù)常見(jiàn)黏層油用乳化瀝青的撒布量，并參考常見(jiàn)封層混合料厚度，干燥厚度選取了3、6和10 mm?？疾烊榛瘎┯昧?、皂液pH值、厚度和干燥溫度對(duì)乳化瀝青干燥過(guò)程的影響，根據(jù)上述干燥過(guò)程分析方法，計(jì)算全部試件的干燥參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

乳化瀝青的破乳成膜性能與φm及其干燥至φm所需要的時(shí)間密切相關(guān)。因此根據(jù)干燥曲線計(jì)算出的φm可以從干燥的角度來(lái)判斷乳化瀝青的質(zhì)量。由表1可知，在考察的試驗(yàn)條件下，蒸發(fā)至水分基本不變或變化異常緩慢時(shí)，φm依然較大，尤其是在乳化劑含量較高或厚度較大的情況下。說(shuō)明在實(shí)際工況條件下如果不采用諸如添加水泥等加速破乳的話，乳化瀝青完全失水至瀝青原始狀態(tài)是一個(gè)非常困難的過(guò)程，這也是制約乳化瀝青大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。

3 結(jié)果與討論

3.1 乳化劑摻量的影響

范維玉等［26］采用分子模擬的手段發(fā)現(xiàn)乳化劑摻量越大，界面形成能增加，乳化劑單層膜的穩(wěn)定性增加，降低油水界面的張力的能力增強(qiáng)。為更好地反映乳化劑摻量對(duì)乳化瀝青干燥過(guò)程的影響，圖4給出皂液pH值為2、干燥溫度為60 ℃和干燥厚度為3 mm條件下不同乳化劑摻量乳化瀝青的干燥曲線。由圖4計(jì)算得到的干燥參數(shù)見(jiàn)表1中的3、4、6、9、10組數(shù)據(jù)。從圖4可知，在所考察的乳化劑摻量范圍內(nèi)，除乳化劑摻量為0.5%的樣品外，其他乳化瀝青樣品具有相似的干燥過(guò)程。值得注意的是，乳化劑摻量為0.5%的樣品干燥曲線與其他樣品差別較大，出現(xiàn)了異常干燥過(guò)程，可能的原因是由于乳化劑摻量過(guò)低，導(dǎo)致乳化效果不理想，制備后的樣品很快就會(huì)破乳（圖5），出現(xiàn)油水分離的現(xiàn)象，在進(jìn)行干燥試驗(yàn)時(shí)，所取樣品中的自由水含量較高，從而導(dǎo)致樣品干燥曲線異常。

由表1可知，乳化劑的摻量對(duì)0、t（φcrit）、t（φm）、φcrit的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律性，在一定的乳化劑摻量范圍內(nèi)，減少乳化劑摻量并不能有效縮短乳化瀝青的干燥過(guò)程。但φm隨著乳化劑摻量的增加而增加，即乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，其干燥后期的殘水量越小。

3.2 皂液pH值的影響

趙品暉等［27］研究發(fā)現(xiàn)皂液pH值對(duì)于乳化瀝青有一定影響，因此在乳化劑摻量為2.0%、干燥厚度為3 mm和干燥溫度為60 ℃條件下，考察皂液pH值對(duì)乳化瀝青干燥過(guò)程的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6計(jì)算得到的干燥參數(shù)見(jiàn)表1中的5、6、7、8組數(shù)據(jù)。

由圖6和表1可知，4種皂液pH值的乳化瀝青樣品的干燥曲線非常接近，在考察的皂液pH值范圍內(nèi)，改變?cè)硪旱膒H值不會(huì)明顯縮短或延長(zhǎng)乳液的干燥過(guò)程，對(duì)乳液初始干燥速率也沒(méi)有明顯影響。但皂液pH值為2的樣品φm優(yōu)于其他3種樣品，說(shuō)明在該pH值下乳化瀝青更容易干燥至更加稠密的狀態(tài)。

3.3 厚度的影響

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于黏層用乳化瀝青，往往需要根據(jù)路面狀況、功能需要等撒布不同厚度的乳化瀝青，但是厚度的不同又會(huì)影響乳化瀝青的破乳時(shí)間和后期成膜性能，從而影響工程進(jìn)度。為此在乳化劑摻量為2.0%、皂液pH值為2和干燥溫度為30 ℃條件下，考察厚度對(duì)干燥過(guò)程的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7計(jì)算得到的干燥參數(shù)見(jiàn)表1中1、11、12組數(shù)據(jù)。

如圖7可知，干燥厚度對(duì)乳化瀝青的干燥過(guò)程有較大的影響。其中不同厚度的乳化瀝青的初始干燥速率（0）和干燥至φm的時(shí)間（t（φm）如圖8所示。

從圖8（a）看出，在相同的干燥溫度下，初始干燥速率和干燥至φm的時(shí)間均隨著厚度的增加而增加。這是因?yàn)?，?duì)于所考察的高黏乳化瀝青，在初始階段，由于水分受到瀝青的“束縛”較小，厚度較大的水分能夠持續(xù)快速地蒸發(fā)出去，表現(xiàn)出較高的初始干燥速率，然而初始干燥速率并未隨厚度的增加而線性增加。但厚度對(duì)干燥至φm的時(shí)間影響較大，圖8（b）表明，3和6 mm相對(duì)比，當(dāng)厚度加倍時(shí)，乳化瀝青干燥至φm的時(shí)間增加接近一倍。這是因?yàn)闉r青顆粒在垂直方向上分布不均勻，厚度越大，這種不均勻分布越明顯，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，表面瀝青顆粒聚并，阻礙水分的蒸發(fā)，因此干燥至φm的速度顯著降低。因此厚度是影響乳化瀝青干燥時(shí)間的重要因素，增加厚度可極大延長(zhǎng)乳化瀝青的干燥過(guò)程。對(duì)于高黏乳化瀝青而言，要根據(jù)撒布的厚度，確定合適的工程進(jìn)度安排。

3.4 溫度的影響

乳化瀝青的干燥過(guò)程是一個(gè)水分蒸發(fā)的過(guò)程，因此溫度對(duì)干燥過(guò)程的影響是顯而易見(jiàn)的，在乳化劑用量為2.0%、皂液pH為2和干燥厚度為3 mm條件下，乳化瀝青的干燥過(guò)程隨溫度的變化規(guī)律如圖9所示，由圖9計(jì)算得到的干燥參數(shù)見(jiàn)表1中的1、2、6組數(shù)據(jù)。

由圖9可知，溫度對(duì)乳化瀝青的干燥過(guò)程有較大的影響。其中不同溫度下乳化瀝青的初始干燥速率和干燥至φm時(shí)間如圖10所示。

從圖10（a）可以看出，乳化瀝青的初始干燥速率隨著溫度的增加而增加，在相同條件下，60 ℃時(shí)的乳化初始干燥速率約為30 ℃時(shí)的4.2倍。圖10（b）結(jié)果表明，干燥至φm的時(shí)間同樣隨著溫度的增加而明顯減少，將溫度從30 ℃提高到60 ℃，可以大大縮短φm處的干燥時(shí)間。因此，溫度對(duì)乳化瀝青干燥過(guò)程有很大影響，實(shí)際工程可以通過(guò)提高撒布溫度或在夏季施工的方式減少破乳時(shí)間，達(dá)到加快工程進(jìn)度的目的。

4 乳化瀝青的穩(wěn)定性與干燥性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系

以上部分研究了乳化瀝青干燥破乳過(guò)程的影響因素，這些因素同時(shí)也是影響乳化瀝青穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。為此，進(jìn)一步探討了乳化瀝青的穩(wěn)定性與干燥過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.1 乳化瀝青穩(wěn)定性

首先參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中的“乳化瀝青貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)（T0655）”測(cè)定了不同乳化劑摻量下乳化瀝青的1 d貯存穩(wěn)定性，并采用90Plus PALS高靈敏度zeta電位及粒度分析儀（美國(guó)Brookhaven）測(cè)定了乳化瀝青的放置1 d后的平均粒徑和zeta電位，采用以上3個(gè)指標(biāo)綜合表征乳化瀝青的穩(wěn)定性。在皂液pH值為2且等其他條件一定的條件下，考察了乳化劑摻量對(duì)乳化瀝青穩(wěn)定性的影響，如圖11所示。

由Stokes沉降方程可知，乳化瀝青的平均粒徑越小，瀝青微粒發(fā)生沉降的可能性越?。欢呻p電層理論可知，zeta電勢(shì)越大，瀝青微粒之間的排斥力越大，微粒發(fā)生聚并的可能性越小。因此由圖11可知，隨著乳化劑摻量的增加乳化瀝青的平均粒徑均減小，zeta電勢(shì)增大，表現(xiàn)為乳化瀝青的1 d貯存穩(wěn)定性值變小，穩(wěn)定性變好。這說(shuō)明在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，增加乳化劑用量可以提高乳化瀝青的穩(wěn)定性。

4.2 乳化瀝青穩(wěn)定性與φm的關(guān)聯(lián)

為探討乳化瀝青的穩(wěn)定性與干燥性能的關(guān)系，將不同乳化劑摻量下的乳化瀝青樣品的貯存穩(wěn)定性、平均粒徑和zeta電位分別與φm作圖，如圖12所示。

從圖12可以看出，乳化瀝青的干燥過(guò)程與穩(wěn)定性之間存在密切相關(guān)性。φm隨著1 d貯存穩(wěn)定性值和平均粒徑的增加而減小，隨著zeta電位的增加而增加。這說(shuō)明乳化瀝青越穩(wěn)定越不容易干燥至稠密狀態(tài)，反之乳化瀝青的穩(wěn)定性越差，越容易干燥至原始狀態(tài)。這是因?yàn)槿榛癁r青穩(wěn)定性越好，瀝青微粒對(duì)水分子的“束縛”作用越大，水分越難以脫離乳液體系而形成自由水，水分干燥也就越困難。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，在保證一定的貯存穩(wěn)定性，滿(mǎn)足儲(chǔ)存和運(yùn)輸要求的前提下，盡量使用較低摻量的乳化劑（包括助劑），以達(dá)到良好的破乳成膜性能。

5 結(jié) 論

（1）高黏乳化瀝青的干燥過(guò)程符合Vanderhoff模型，可分為三個(gè)階段：蒸發(fā)速率高且恒定的初始蒸發(fā)階段、蒸發(fā)速率迅速下降的中間階段和蒸發(fā)速率非常小且隨時(shí)間緩慢下降的最后階段。

（2）厚度和干燥溫度對(duì)乳化瀝青的干燥過(guò)程影響較大。初始蒸發(fā)速率隨厚度的增加而減小，當(dāng)乳化瀝青厚度增加一倍時(shí)干燥時(shí)間可增加一倍以上。提高干燥溫度可以大大提高蒸發(fā)速率，從而縮短干燥過(guò)程。

（3）乳化劑摻量對(duì)干燥速率影響不大，但對(duì)φm有較大的影響，隨著乳化劑摻量的增加φm增加。此乳化劑摻量為0.5%的乳化瀝青樣品由于穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)了異常蒸發(fā)現(xiàn)象。在考察的皂液pH值范圍內(nèi)，pH值對(duì)乳化瀝青的干燥過(guò)程影響較小。

（4）乳化劑用量越多乳化瀝青越穩(wěn)定，但是越難破乳。隨著乳化劑用量的增加1 d貯存穩(wěn)定性和平均粒徑變小、zeta電位增大，即乳化瀝青穩(wěn)定性越好。乳化瀝青的干燥過(guò)程與穩(wěn)定性之間存在密切相關(guān)性，干燥失水體積分?jǐn)?shù)φm隨著貯存穩(wěn)定性和平均粒徑的增加而減小，隨著zeta電位的增加而增加，乳化瀝青的穩(wěn)定性越好越難蒸發(fā)至原始狀態(tài)。在實(shí)際工程中盡量選擇較低摻量的乳化劑。

參考文獻(xiàn)：

［1］JAMSHIDI A， GOLCHIN B， HAMZAH M O， et al. Selection of type of warm mix asphalt additive based on the rheological properties of asphalt binders［J］. Journal of Cleaner Production， 2015，100（4）：89-106.

［2］TANG N， DENG Z X， DAI J G， et al. Geopolymer as an additive of warm mix asphalt： preparation and properties［J］. Journal of Cleaner Production， 2018，192（3）：906-915.

［3］RUBIO M C， MARTINEZ G， BAENA L， et al. Warm mix asphalt： an overview［J］. Journal of Cleaner Production， 2012，24（6）：76-84.

［4］BUDDHALA A， HOSSAIN Z， WASIUDDIN N M， et al. Effects of an amine anti-stripping agent on moisture susceptibility of sasobit and aspha-min mixes by surface free energy analysis［J］. Journal of Testing and Evaluation， 2012，40（1）：91-99.

［5］CAPITAO S D， PICADO-SANTOS L G， MARTINBO F. Pavement engineering materials： review on the use of warm-mix asphalt［J］. Construction and Building Materials， 2012，36（8）：1016-1024.

［6］ALMEIDA-COSTA A， BENTA A. Economic and environmental impact study of warm mix asphalt compared to hot mix asphalt［J］. Journal of Cleaner Production， 2016，112（4）：2308-2317.

［7］SONG Malin， ZHANG Guijun， ZENG Wuxiong， et al. Railway transportation and

environmental efficiency in China［J］. Transportation Research Part D-Transport and Environment， 2016，48（2）：488-498.

［8］虎增福.乳化瀝青及稀漿封層技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001：158-162.

［9］姚洪帥.稀漿封層施工技術(shù)在公路路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用［J］.交通世界，2022，629（35）：112-114.

YAO Hongshuai. Application of slurry seal construction technology in highway pavement maintenance［J］. Transport World， 2022，629（35）：112-114.

［10］嚴(yán)江峰.乳化瀝青在道路工程中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18（8）：216-217.

YAN Jiangfeng. Application of emulsified asphalt in road engineering［J］. Sci-Tech Information Development & Economy， 2008，18（8）：216-217.

［11］ZHANG Guangbin， GONG Ziwen， QIN Xinliang， et al. Effect of coalescing agent on the performance of emulsified bitumen waterproofing sealant［J］. Chinese Building Waterproof， 2022（12）：21-25.

［12］OUYANG J， HU L， LI H， et al. Effect of cement on the demulsifying behavior of over-stabilized asphalt emulsion during mixing［J］. Construction and Building Materials， 2018，177（20）：252-260.

［13］交通運(yùn)輸部.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTGE20-2011［M］.北京：人民交通出版社，2011：167-169.

［14］OUYANG J， TAN Y， CORR D J， et al. Investigation on the mixing stability of asphalt emulsion with cement through viscosity［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2016，28（12）：81-85.

［15］OUYANG J， TAN Y， LI Y， et al. Demulsification process of asphalt emulsion in fresh cement-asphalt emulsion paste［J］. Materials and Structures， 2015，48（12）：3875-3883.

［16］MILJKOVIC＇ M， RADENBERG M， FANG X， et al. Influence of emulsifier content on cement hydration and mechanical performance of bitumen emulsion mortar［J］. Materials and Structures， 2017，50（3）：759-767.

［17］FANG X， GARCIA A， WINNEFELD F， et al. Impact of rapid-hardening cements on mechanical properties of cement bitumen emulsion asphalt［J］. Springer Netherlands， 2016，49（1）：487-498.

［18］GRAZIANI A， GODENZONI C， CARDONE F， et al. Effect of curing on the physical and mechanical properties of cold-recycled bituminous mixtures［J］. Materials & Design， 2016，95：358-369.

［19］SAADOON T， GARCIA A， GMEZ-MEIJIDE B. Dynamics of water evaporation in cold asphalt mixtures［J］. Materials & Design， 2017，134：196-206.

［20］WANG Z， DAI N， WANG X， et al. Laboratory investigation on effects of microwave heating on early strength of cement bitumen emulsion mixture［J］. Construction and Building Materials， 2020，236（10）：117439.1-117439.13.

［21］OUYANG J， MENG Y， TANG T， et al. Characterization of the drying behaviour of asphalt emulsion［J］. Construction and Building Materials， 2021，274（8）：122090.1-122090.12.

［22］趙品暉.乳化瀝青體系形成與穩(wěn)定的影響因素研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2013.

ZHAO Pinhui. Study on the effects of formation and stability for emulsified asphalt［D］. Qingdao： China University of Petroleum （East China）， 2013.

［23］許磊.集料化學(xué)成分特性對(duì)乳化瀝青傳質(zhì)和破乳速度的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

XU Lei. Study on the effect of chemical composition characteristics of aggregate on mass transfer and demulsification speed of emulsified asphalt［D］. Chongqing： Chongqing Jiaotong University， 2019.

［24］VANDERHOFF J W， BRADFORD E B， CARRINGTON W K. The transport of water through latex films［J］. Journal of Polymer Science： Polymer Symposia， 1973，41（1）：155-174.

［25］CROLL D H， SRIPADA P K， HAMILTON J A. Temperature-dependent molecular motions and phase behavior of cholesteryl ester analogues［J］. Journal of Lipid Research， 1987，28（12）：1444-1454.

［26］范維玉，趙品暉，康劍翹，等.分子模擬技術(shù)在乳化瀝青研究中的應(yīng)用［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，38（6）：179-185.

FAN Weiyu， ZHAO Pinhui， KANG Jianqiao， et al. Application of molecular simulation technology to emulsified asphalt study［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2014，38（6）：179-185.

［27］趙品暉，范維玉，董爽，等.陰離子乳化瀝青穩(wěn)定性與油水界面張力的關(guān)系［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，36（3）：175-179.

ZHAO Pinhui， FAN Weiyu， DONG Shuang， et al. Relationship between stability of anionic asphalt emulsion and oil-water interfacial tension［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2012，36（3）：175-179.

（編輯 劉為清）

收稿日期：2022-08-10

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2021ME189）;國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51608511）

第一作者：孫海明（1979-），男，正高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)楣凡牧虾凸こ坦芾?。E-mail：shm185001@163.com。

通信作者：趙品暉（1985-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭蜑r青材料和表面活性劑。E-mail：zhaopinhui08@163.com。