在无机微凝胶作用下，高沥青含量乳化沥青的界面特性研究

《Fuel》：Interface investigation of high asphalt content emulsified asphalt under the action of inorganic micro-gels

　　冷拌沥青混凝土中高沥青含量乳化沥青（HACEA）的制备与稳定性研究。通过界面增强策略，利用层状双氢氧化物（LDHs）与阳离子乳化剂的协同作用形成稳定微凝胶结构，成功制备出沥青含量75%的HACEA，维持稳定期超过90天。实验发现沥青含量阈值68%，超过该值表面张力显著升高且长期稳定性增强。多尺度表征揭示微凝胶作为稳定连续相的作用机制，分子动力学模拟阐明界面分子作用及结合能，验证了微凝胶结构对界面稳定性和混合料粘结性的提升效果，为工程应用提供理论支持。

　　

吴志超|严家龙|王佳宇|Serji Amirkhanian|肖飞鹏

中国上海同济大学教育部道路与交通工程重点实验室，邮编201804

摘要

随着全球对环境保护和施工效率要求的日益迫切，基于乳化沥青的冷拌沥青混合料已成为路面工程中的环保选择。然而，传统乳化沥青的低沥青含量严重限制了其实际应用。为了解决这一挑战，高沥青含量乳化沥青（HACEA）成为了一种有前景的解决方案。本研究采用了一种界面增强策略，利用连续相中的微凝胶结构实现了界面增强。这种协同作用使得制备出沥青含量为75%的乳化沥青成为可能，并且该乳化沥青在90天以上时间内保持稳定。通过不同沥青含量下的稳定性评估和表面张力测试，确定了68%的沥青含量阈值：超过这一阈值后，表面张力迅速增加，同时长期稳定性也得到提升。多尺度表征技术表明，由乳化剂和层状双氢氧化物（LDHs）形成的微凝胶结构为沥青滴提供了稳定的连续相。分子动力学模拟进一步阐明了沥青-水界面的分子排列及分子间的结合能。此外，对乳液性能和乳化沥青混合料性能的测试证实，微凝胶结构增强了界面稳定性和混合料的粘附性。总之，这种界面增强技术生产出了具有高稳定性和良好施工性的乳化沥青，从而提高了工程效率和经济效益。

引言

由于环境效益[1]、[2]，冷拌沥青混合料在路面工程中受到了越来越多的关注。乳化沥青作为CMA中的关键粘合剂，能够在常温下进行混合和压实，从而避免了热拌沥青所需的高能耗。然而，传统乳化沥青存在局限性：低沥青含量导致水分蒸发缓慢和固化时间延长，而沥青与骨料之间的后固化粘附力不足以及储存稳定性差，限制了其在高性能路面中的应用[3]、[4]。这些挑战需要开发新的制备策略来提高沥青含量和稳定性。

乳化沥青的稳定性主要受沥青滴与水相之间界面相互作用的影响，其中乳化剂在降低界面张力和在滴周围形成保护膜方面起着关键作用[5]、[6]。然而，由于“界面诅咒”和“乳化剂限制”，要同时实现高沥青含量的乳化沥青和所需的稳定性是非常具有挑战性的。这是因为过于密集的沥青滴由于静电排斥不足或空间位阻不够而容易聚集。同时，增加乳化剂的用量以乳化更多沥青滴可能会导致乳化沥青在应用过程中抗水损坏能力下降。Nú?ez等人研究了沥青浓度和滴径分布对高浓度沥青-水乳液流变性的影响，发现双峰分布的乳液粘度较低[7]。Nuria Querol等人回顾了沥青-水乳液的研究，特别关注通过HIPR（高内相比）方法制备的浓缩乳液[8]。此外，研究人员还探索了聚合物、纳米材料和粘土等添加剂来改进乳化沥青的性能[9]、[10]、[11]。其中，层状双氢氧化物（LDHs）是一类具有可调化学成分和表面性质的带正电荷层状纳米材料，通过静电相互作用和空间效应在稳定胶体系统方面显示出潜力[12]、[13]。

最近的研究表明，带正电荷的纳米颗粒与乳化剂之间的协同效应可以在与阳离子乳化剂结合时提升乳液性能[14]、[15]、[16]、[17]。吴等人提出使用HTLc与阳离子乳化剂结合，并研究了不同乳化剂与HTLc的协同效应[18]。李等人开发了一种用剥离水滑石胶体制改的无机层状复合乳化沥青，该乳化沥青具有优异的耐磨性、强度和抗老化性，具有广泛的应用前景[17]。然而，其背后的机制仍需进一步探索，特别是氢键和界面相互作用在实现高沥青含量和长期稳定性中的作用，以及解决高固体含量沥青中沥青分布密集导致的分散问题。

以往关于高沥青含量乳化沥青（HACEA）的研究主要集中在配方优化上，对控制稳定性的分子尺度相互作用的研究较少。

本研究旨在开发高沥青含量的乳化沥青，并通过评估乳液和沥青混合料的性能来研究其特性，首次提出了利用带正电荷LDHs悬浮液与阳离子乳化剂之间的微凝胶效应，并探讨了HACEA的稳定机制。具体目标包括：

1)

优化HACEA的制备工艺，完成乳化沥青生产的整个材料制备过程；

2)

确定不同沥青含量乳化沥青的性能；

3)

阐明稳定机制，重点研究乳化沥青样品中改性剂的分布及乳化沥青体系中的分子间结合能；

4)

评估所开发乳化沥青的混合料性能。

实验部分

实验设计流程如图1所示。

LDHs悬浮液的制备与表征

在实验前阶段，通过共沉淀法制备的LDHs悬浮液进行了表征。图2(a)中的SEM显微图显示了不规则的片状颗粒，表明初步形成了层状结构。但由于缺乏碱化处理和过滤步骤，结构仍然不规则。LDHs悬浮液的ζ电位为45 mV。为了进一步分析其体相结构，对冻干的Mg₂Al

结论

基于“界面增强”概念，本研究提出了一种具有高沥青含量和高稳定性的乳化沥青制备策略。对原材料、制备工艺和HACEA的机制进行了全面研究。通过对其微观形态和动力学反应机制的分析，并结合混合料的实验表征，构建了一个从微观到宏观的研究框架

作者贡献声明

吴志超：撰写——初稿，研究，数据分析。严家龙：研究，数据分析。王佳宇：资源提供，研究。Serji Amirkhanian：撰写——审稿与编辑，资源提供，方法论设计。肖飞鹏：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52378459和52308441）的支持。作者感谢山东大学为本研究提供研究基础和部分实验表征的支持。