乳化瀝青路用技術及現狀芻議

樊亮，虎增福

（1.山東省交通科學研究院，濟南 250031；2.鄭州興和路業技術有限公司，鄭州 450016）

道路工程中常用的乳化瀝青為水包油型，即瀝青為分散相、水為連續相的乳狀液，固含量多在70%以下。這類乳化瀝青按照離子類型可分為陽離子、陰離子、兩性離子和非離子，其中陽離子類乳化瀝青由于對礦料表面的粘附力改善顯著，在道路工程中更多使用[1,2]。由于乳化瀝青常溫下黏度很低、流動性好，其殘留物也保留了固體瀝青的性質，因此乳化瀝青具有良好的施工特性和物理膠結能力。與常規熱瀝青相比，乳化瀝青提供了一種更為安全、節能和環保的技術系統，既可以避免高溫操作和有害排放，提高施工作業安全水，也可以實現多種形式的應用技術。一般的，根據噴灑、拌和需要，乳化瀝青可以作為粘層油、透層油、霧封層、碎石封層等形式使用；也可以作為稀漿混合料、微表處、冷再生混合料等技術形式使用。在現有道路工程建設領域中，乳化瀝青在噴灑施工、薄層混合料和復合薄層罩面技術上已體現出比熱拌瀝青更好的適用性和發展態勢[3,4]。

一個現狀是，乳化瀝青的應用已經不再囿于傳統領域，它在道路工程、建筑防水、表面防腐、土壤改良及治沙、鐵路道床以及水利工程中均得到了普遍關注和應用。特別是隨著乳化瀝青的配方技術、乳化技術、膠體磨技術的創新，專用生產及施工設備不斷升級，其應用更趨于專業化和精細化，有利于道路工程建養中的新技術發展和更好地保障道路質量。未來隨著環保理念的不斷深入、瀝青路面的預防性養護工作大量展開，以及新形勢下農村低等級道路升級改造的需要，乳化瀝青的應用范圍將不斷拓展，其技術形式也會變得復雜多樣。

基于相關文獻，結合既有研究和山東省內乳化瀝青的部分應用實踐，闡述道路工程中乳化瀝青的技術發展現狀，芻論相關問題與不足，希望為乳化瀝青應用技術的科學發展提供一些參考、建議。

1 乳化瀝青應用技術

乳化瀝青的常溫施工、節約資源、減少排放的特點決定了其良好的經濟、社會和環境效益，其使用也成為了道路建設和養護中的重要手段之一。自問世以來，乳化瀝青的應用基本涵蓋了道路工程所有的應用層面，如表面處治、貫入式路面、乳化瀝青碎石混合料路面、透層、粘層和封層，以及防沙治沙工程、改善土壤等方面的應用。近幾年來，以改性乳化瀝青和特種乳化瀝青為革新，以精細化、專業化施工設備為手段，實現了乳化瀝青在道路建設、養護中的新用途，如復合碎石封層、高滲透乳化瀝青透層、冷再生技術、冷拌瀝青混合料、超薄罩面等。

1.1 透層、粘層

透層是通過在瀝青路面的級配沙礫、級配碎石基層，水泥、石灰、粉煤灰等無機結合料穩定土或粒料的半剛性基層上，澆灑乳化瀝青形成透入基層表面的薄層，可以起到層間聯結、封閉基層裂縫、控制基層水分揮發保證養生的作用。我國規范將稀釋瀝青作為透層推薦材料，在實際工程中利用固含量較低的乳化瀝青（以陰離子類為主），普遍滲透能力不足，乳化瀝青噴灑后，在基層表面破乳形成粘稠瀝青薄膜，效果并不理想。2013年的一項調研表明，國內高速公路透層油中乳化瀝青應用最廣泛，占調查公路數量百分比45%，其次是煤油稀釋瀝青和改性乳化瀝青。但有一定數量的公路并不采用透層油，在面層和基層層間處治技術采用下封層，路面性能甚至超過了采用透層油者[5]。不得不說，這與透層用乳化瀝青材料本身和工藝上存在許多亟待解決的問題。

除了透層材料自身因素外，透層作為隱蔽工程，其材料類型和用量設計、施工控制上存在較大的混亂和隨意狀態，導致透層的作用發揮不充分，難以提供有效的粘結、防水作用。目前高滲透乳化瀝青可望改善這一應用局面，其滲透效果好，相當于稀釋瀝青的滲透性能；層間粘結性能優良，抗疲勞剪切能力遠大于其他封層；且環境效益顯著，對施工人員的健康損害都非常小，具有良好的應用前景[6,7]。

粘層是路面結構之間起黏結作用的結構層。是為了加強路面瀝青層與瀝青層之間，或瀝青層與水泥混凝土面板、瀝青穩定碎石基層之間的粘結而灑布的薄瀝青層。實際工程對粘層的重視程度遠高于透層，多采用快裂或中裂型的乳化瀝青或者熱瀝青進行。

除了常規的乳化瀝青檢測指標外，很多研究者關注乳化瀝青粘層油的粘結強度和抗剪切強度，發展出改性乳化瀝青以更好的改善層間粘結。同時為了適應薄層罩面、復合式罩面等養護技術的需要，改性乳化瀝青及特種乳化瀝青已然出現。近兩年應用的不粘輪乳化瀝青、高粘改性乳化瀝青，體現出更加優良的層間粘結效果和路用優勢[8,9]。

1.2 微表處

微表處技術是一個相對成熟的技術體系。按照ISSA 定義，微表處須采用改性乳化瀝青、集料、填料、水和外加劑，按照合理配比拌合，通過專門施工設備攤鋪，達到迅速開放交通的薄層結構。在氣溫24 ℃、濕度小于50%的情況下，微表處施工后1 h 即可開放交通。盡管微表處有相應的設計方法和體系，但是因為概念不清、認識不足、設計與控制脫節、忽略材料的化學敏感性而放松原材料質量控制、以及監控手段不足等因素存在，微表處的實際工程應用中仍出現了較多的質量問題，一度造成微表處的推廣應用障礙。微表處施工及控制工藝流程見圖1。

圖1 微表處施工及控制工藝流程

微表處的施工過程不像熱拌瀝青混合料間歇式生產，可以在每個階段有充分的時間進行質量可控。圖1 表明，微表處質量的好壞更多在于室內混合料設計與材料穩定性上，以及施工過程控制與攤鋪設備的標定、人為控制經驗、以及施工環境的選擇上。近兩年，微表處多由小型專業化施工單位進行，不同單位對微表處技術的經驗和認識有區別，技術重視程度和施工水平也參次不齊。

在改性乳化瀝青上，出現了乳液電荷不強，乳液pH 值呈中性的案例，微表處混合料難以成型、上強度慢，嚴重影響了開放交通時間；同時乳化瀝青的儲存穩定性已然成為一個大問題。在礦料潔凈度和穩定性上，受限于資源配置因素，合成礦料的砂當量指標較低，級配浮動大，基本偏離了目標配比和規范范圍，造成了微表處材料配伍性不良，濕輪磨耗試驗結果不佳，罩面容易剝落的現象；在施工車輛操作及其標定方面，國內外品牌攤鋪車在細節控制上有著較大差別，操作人員現場調整能力較弱，帶來較大的質量隱患；另外，不注意施工管理，開放交通過早或者封閉交通時間太長，以及忽略施工季節和天氣因素的影響，也帶來較多微表處混合料失敗的案例。2019年微表處施工失敗案例示意圖見圖2。

目前微表處的相關研究仍在不斷推陳出新，如新型乳化瀝青、外加材料的使用，和其他封層技術復合使用等方面體現出了更多應用空間，如水性環氧乳化瀝青[10]、SBS 改性乳化瀝青[11]、纖維微表處[12]、橡膠微表處[13]、回收RAP 料微表處[14]、和開普封層[15]等，每種技術都對傳統微表處進行了若干改進和功能拓展。同時，微表處在農村低等級道路上也不再以單純的預防性養護技術角色出現，如“微表處（1 cm）+瀝青表處（3 cm）+二灰碎石（18 cm）”、“微表處（0.5 ～1.5 cm）+水泥穩定碎石（18 ～25 cm）+級配碎石（18 ～30 cm）+土基”等農村鄉道路面結構，可以大大降低造價，較好地滿足農村人口的出行需要。從這個意義上說，微表處的發展仍是方興未艾、機遇與挑戰同在。

1.3 冷再生

從冷再生瀝青混合料的物相組成上來看，該技術可保證大量使用舊瀝青混合料，并在乳化瀝青、水泥雙重膠結的作用下，既發揮出瀝青類混合料的柔韌性，也能使混合料具有較高的承載強度；同時其常溫施工特點保證了其環境友好程度。因此，冷再生技術的經濟效益和社會效益顯著，常被應用于高、中級公路的基層甚至底基層，或者低級公路的面層結構中。圖3 為乳化瀝青冷再生相位角云圖@25℃，不同瀝青混合料的松弛時間對比見圖4。

圖2 2019年微表處施工失敗案例

圖3 乳化瀝青冷再生相位角云圖@25℃

圖4 不同瀝青混合料的松弛時間對比

由于不同水灰比環境下的水泥水化程度和產物組成不同，水泥-乳化瀝青冷再生混合料的粘彈性與水泥劑量、乳化瀝青用量有關；圖3表明，水泥比乳化瀝青更能改變混合料的相位角，使混合料的模量增大。但在合適的水泥劑量存在下，與其他類型混合料相比，乳化瀝青混合料更多偏向于熱拌瀝青混合料的柔性，其混合料松弛時間可與LSPM 柔性基層相當（圖4），而泡沫瀝青冷再生則體現更多的半剛性特點，松弛時間長，可能預示著較低的耐疲勞性能和抗反射裂縫的能力。

目前，研究者已經較為系統的研究乳化瀝青對冷再生強度的影響，并改進了相關材料技術要求。山東省地方標準DB37/T 3566—2019 認為，冷再生層應用于道路基層或重交通以下道路下面層時，宜采用普通乳化瀝青；應用于重交通及以上交通等級道路下面層時，應采用改性乳化瀝青；并結合大量工程實踐，規定了兩類乳化瀝青的技術要求。乳化瀝青中瀝青顆粒最大粒徑不超過15 μm，乳化瀝青中瀝青顆粒粒徑小于10 μm 的含量大于90%。乳化瀝青中瀝青顆粒分布曲線應接近正態分布，不得出現雙峰或多峰分布。乳化瀝青混合料40 ℃條件下的工作時間應不小于2 h。混合料技術要求也與行業標準進行了優化和調整（見表1）。

表1 冷再生用乳化瀝青技術要求（DB37/T 3566）

目前，乳化瀝青冷再生的工程實踐日益增多，在乳化瀝青和乳化劑上得到了較多創新。山東省較早開展了SBR 改性乳化瀝青的冷再生工作，也有用SBRSBS 復合改性乳化瀝青進行冷再生應用者；研究表明，SBS、SBR 復合改性劑的摻入能有效提高冷再生混合料各項路用性能。當SBS 摻量為3%、SBR 摻量為3.5%時,混合料28 d 的殘留穩定度達85.3%,劈裂強度比也均達到93.6%,動穩定度超過10 000 次/mm,彎拉應變達到3 500 με[16]。李國濤利用特種乳化劑和乳化瀝青，在115 ～120 ℃成型溫度下，實現了高RAP 比例（98%～100%）的溫拌再生，具有極佳的路用性能，抗車轍能力尤其突出[17]。另外，亦有采用水性環氧乳化瀝青[18]、水性丙烯酸乳化瀝青[19]、SBS 改性乳化瀝青[20]、摻加纖維的乳化瀝青冷再生技術[21]，盡管很多技術尚停留在試驗室和試驗段階段，但其潛在目的在于提升冷再生混合料的應用層位，從底基層上升到基層和瀝青面層中。由此可見，乳化瀝青冷再生由于巨大的經濟、社會于環境效益，將在未來一段時間長期發展，并趨向應用于瀝青面層中，前景廣闊。

1.4 封層

傳統的封層是在道路面層上依次灑布乳化瀝青和單一粒徑的集料，形成單層或多層的碎石薄層結構；既能封閉瀝青面層表面空隙，也能防止水分侵入面層或基層，分為上封層和下封層；可用于加鋪磨耗層、應力吸收層、防水粘結層等。但是單純利用乳化瀝青進行封層會存在粘結力不足、抗剪切能力不足的問題，影響著封層效果的發揮。

封層用乳化瀝青的創新隨著養護和預防性養護的需要而蓬勃發展。乳化瀝青已不再局限在傳統的普通乳化瀝青，或按照不同的應用形式和方法，發展出一系列專用型養護技術。山東高速建材采用的PMRE 乳化瀝青（指標見表2），可以用作應力吸收層，大大提高了瀝青混合料的整體耐疲勞性能和抗反射裂縫的能力；山東大山路橋開發的抗滑低噪超表處技術將特種乳化瀝青、單一集料分5 層灑布/撒布，可以形成0.3 cm、0.6 cm、0.8 cm 的耐磨薄層，其中乳化瀝青的性質（見表3）是粘結力的主要貢獻方。Novachip 技術利用專用設備將乳化瀝青粘層油和熱拌瀝青混合料進行同時攤鋪，可以形成1 ～2 cm 的超薄罩面，耐松散和剝落能力顯著。開普封層以碎石封層為底層，然后加鋪稀漿封層或微表處作為表層，這種結構結合了碎石封層和微表處兩者的優點，在具有優良的抗滑性能和阻止反射裂縫的能力的同時，可以有效地阻止路表水的下滲[1][4]?？梢哉f，現在很多常溫條件下施工的預防性養護技術多溯源到封層的技術概念，他們在分類上有混淆，多從專業施工設備和商品名字上進行區別。

近三年，山東省預防性養護工作采用了較多新技術和新工藝，包括含砂霧封層、星封層（Starseal）、冷拌冷鋪薄層罩面、乳化瀝青微罩面、抗滑低噪超表處等?，F有實踐表明，除冷拌冷鋪薄層罩面（采 用稀釋瀝青膠結料）暫不理想外，其他技術采用乳化瀝青類膠結料體現出不同的路用效果和壽命。

圖5 為不同預防性養護技術的抗滑性能對比。圖5 表明低噪抗滑超表處和微罩面的性能維持較好、基本無衰減，而其他兩類涂層類養護方案在交通荷載下容易磨耗、耐久性較弱，路面的抗滑能力顯著降低。從這個角度而言，乳化瀝青性能發揮與應用技術形式相關，預防性養護技術的創新仍然面臨很大的挑戰。

表2 PMRE 特種乳化瀝青技術指標

表3 抗滑低噪超表處用乳化高黏瀝青技術要求

圖5 不同預防性養護技術的抗滑能力對比

1.5 土壤穩定

瀝青材料穩定土壤是個較老的技術。美國較早地采用瀝青和石灰進行粉土穩定，以解決沙質土壤地區集料來源缺乏的局面，在曼尼托巴省和美國幾個州用于公路底基層建設。國內張登良等人也對瀝青、乳化瀝青加固土進行了研究，對其強度形成機理進行了初步摸索[22,23]。在粉土地區，由于粉土工程性質不良，作為路基填料性能極差，常規無機穩定粉土的水穩定性極差，在水浸泡和凍融條件下容易發生結構性的崩解。近年來，乳化瀝青穩定粉土開始出現，山東省已在黃泛區粉土地區開展了農村路粉土穩定試驗段的鋪筑工作，證實了乳化瀝青在粉土穩定上的可行性。

研究表明，乳化瀝青穩定粉土時，可以在土體中形成一定比例的人造黏粒，為土體帶來穩定的瀝青膠凝結構，保障初期強度和水穩定性。利用陽離子乳化瀝青、水泥復合穩定粉土，其7 d無測限強度滿足現有公路第底基層的強度要求，水穩定性可以達到粉煤灰、水泥綜合穩定土的兩倍以上[24]。這些研究及實踐經驗有望在粉土分布地區的低等級農村道路建設中發揮作用，緩解砂石料資源緊張，降低道路的整體造價。

綜上所述，乳化瀝青在傳統應用技術基礎上，又得到了性能升級和用途拓展，應用形式更趨于專用化。隨著大養護的到來，及綠色建設理念的加強，乳化瀝青應用會量級發展。

2 乳化瀝青評價技術

2.1 一個認識

由于乳化瀝青的使用過程伴隨著黏附、破乳、析水、凝結等機制——無論拌和還是噴灑工藝——其施工有著與熱瀝青不同的特點和要求。如何根據乳化瀝青的特性，掌握施工規律和方法是至關重要的。根據既有研究，筆者更愿意認為乳化瀝青和瀝青不能等同的，盡管乳化瀝青殘留物主體成分是瀝青，并按照瀝青指標進行評價，但是其與礦料的黏附機制有著很大的不同。研究認為，乳化瀝青混合料膠漿與熱拌瀝青膠漿的粘結機制區別明顯，不同粉膠比的礦粉加入對不同膠漿的界面粘結力存在不同的變化規律[25]。不同瀝青膠漿的界面黏附系數的對比見圖6。

圖6 表明，乳化瀝青殘留物膠漿的界面黏附性是隨著粉膠比增加而提高的，而熱拌瀝青膠漿則是降低的，這就表明乳化瀝青殘留物等不能同于瀝青；加之乳化瀝青的工作特性和破乳特點，不可能將乳化瀝青完全當作瀝青的替代品。而對于不同類型、不同用途的乳化瀝青，其乳液和殘留物有所不同，在施工也更應該分別對待和控制。從這一點上，研究者更多認為，我國乳化瀝青的科學利用仍缺乏基礎性規律的研究，規范的更新滯后與此原因相關[4][26]。

圖6 不同瀝青膠漿的界面黏附系數的對比

我國的乳化瀝青分類方法亦與國外有所區別[1]，[2]。如改性乳化瀝青分類上，國內分其為PCR、BCR 兩類；日本則以用途區分，建立了不粘輪乳化瀝青（PKM-T）、粘層用橡膠改性瀝青乳化瀝青（PKR-T）、表面處治用橡膠改性乳化瀝青（PKR-S-1）、寒冷季節用表面處治橡膠改性乳化瀝青（PKR-S-2）和微表處用乳化瀝青（MS-1）技術標準，使之更具細節控制上針對性；美國則按照凝結速度分為快凝（RS）、中凝（MS）、慢凝（SS）和速凝（QS）,凝結速度較破乳速度更具有工程指導意義。在這個方面，我國乳化瀝青分類方法亟需優化，如何廓清不同應用目的乳化瀝青技術屬性、如何規范乳化劑市場及乳化劑的命名及產品信息等，需要在行業管理層面進行統籌。

2.2 評價體系發展

雖然乳化瀝青的分類存在差異，但多數性能檢測方法仍借鑒傳統的經驗方法，如殘留物的針入度、軟化點、延度、溶解度等，并體現出較寬的指標控制范圍，且與實際應用的路用性能關聯性差。現有技術指標更多體現為乳化瀝青產品的質量控制，而缺乏對施工特性、路用性能預估和評價的能力，如碎石封層、霧封層的噴灑性和流動性，微表處混合料的拌和性，以及高低溫氣候和交通水平的適用性等等[6][27]?？紤]到我國乳化瀝青的應用體量巨大，乳化瀝青品種多，而相應評價體系和規范單一的局面，亟需推進乳化瀝青的規范和試驗方法的更新，以更好的保障應用質量。

美國乳化瀝青工作組（ETF）參照瀝青PG性能分級理念，提出了基于路用性能的乳化瀝青分級體系。目前，有兩種分級體系正在研究，分別是表面處治性能分級（SPG）和乳化瀝青分級（EPG）,后者EPG 試驗方法具有明顯的創新性質，用于噴灑和拌和用乳化瀝青，主要采用旋轉黏度計及動態剪切流變儀進行乳化瀝青性能評價，有望最終發展成為新型的乳化瀝青性能等級規范（EAPG）。表7 為兩種分級體系與瀝青分級體系的區別，具體可參考相關文獻[26-28]。目前，這方面的研究工作僅限于國內少數科研機構，在體系成熟和應用層面還需要一段時間。

3 結語

綜合來看，乳化瀝青的發展正面臨著一個歷史機遇，技術形式發展多樣化。未來，乳化瀝青品質提升，生產及施工技術配套不斷升級，乳化瀝青在代替傳統熱拌瀝青及混合料技術上上會有一個較大的嘗試和革新。采用復合式應用理念，可以更好地發揮乳化瀝青封層類技術優勢，并以磨耗層罩面的形式實現功能提升，在道路建設、養護以及低等級道路改造升級中發揮更大的應用。

乳化瀝青的基礎研究仍顯薄弱，與路用性能相關的檢測方法和評價體系亟待發展。由于市場上乳化劑和乳化瀝青品種繁多，應用方在材料性能和質量控制方面仍面臨諸多認識上的不足，不能進行很好的技術適用性設計，不能充分發揮乳化瀝青的優越性。為滿足日益增長的乳化瀝青科學應用需要，乳化瀝青的檢測方法和評價體系亟待發展，與路用性能相關的乳化瀝青性能分級體系需要建立。

表7 乳化瀝青性能分級體系對比