乳化瀝青礦料膠漿霧封層材料性能評價

趙 蔚，桂啟濤，杜衛峰，李雪鋒，段永霞

（1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.交科院科技集團有限公司，北京 100013）

0 引言

當前，我國公路重交通作用和超載現象頻發，直接導致部分瀝青路面使用性能快速下降[1-2]，“亞健康”瀝青路面逐年增多。實踐證明，采取表面封層技術[3-4]對瀝青路面進行養護，可有效減緩路面使用性能的下降，防止因老化問題引起路面過早破壞。霧封層、含砂霧封層是最常用的預防性養護封層技術，相關封層材料種類繁多，針對不同封層材料的特點和使用要求，就其性能進行有效評價，對提高封層的工程質量至關重要。

截至目前，國內外學者已針對不同霧封層和含砂霧封層的性能及其使用效果進行了一些研究，如Readul Mohammad 等[5]采用兩種乳化瀝青開展了霧封層應用效果試驗，發現霧封層可以顯著提高路面的抗滲水性，初期可使路面摩擦系數降低20%～40%；Yang 等[6]采用大豆基液體密封劑替代傳統石油類乳化瀝青，鋪筑了5.3km 的試驗路，發現生物密封劑可以替代傳統乳化瀝青，起到很好的隔氣和封水作用；徐曾兵等[7]以改性乳化瀝青作為膠結料鋪筑的嵌固型含砂霧封層能同時提高路面的抗滲水性和抗滑性；魏顯權等[8]分別采用有機硅、改性乳化瀝青、TIT 含砂嵌固材料、CAP 瀝青還原劑作為封層材料進行路用性能對比研究，發現4 種封層養護材料的綜合路用性能從優到劣依次是TIT 含砂嵌固、CAP 瀝青還原劑、改性乳化瀝青、有機硅。

總體而言，目前霧封層和含砂霧封層用膠結料主要有乳化瀝青、改性乳化瀝青、水性環氧瀝青、水性環氧瀝青復合改性乳化瀝青、生物基油性密封劑、生物基水性密封劑等。相關研究側重于路面養護作用，如阻氣和封水作用、抗滑性能等，而非封層材料自身的性能評價，如封層膠結料檢測一般直接采用現有乳化瀝青檢測規范[9-10]。然而，乳化瀝青礦料膠漿霧封層膠結料與傳統乳化瀝青在物性上有顯著差異，前者含有大量的礦物膠體，稠度明顯高于后者，采用傳統乳化瀝青檢測規范對其進行檢測和評價不夠合理。為此，本文將基于乳化瀝青礦料膠漿霧封層材料的特點，開展封層材料的性能評價研究，確定其性能評價方法，旨在為相關封層的工程應用提供參考。

1 乳化瀝青礦料膠漿的原材料組成及性能

乳化瀝青礦料膠漿霧封層是將特殊乳化工藝加工而成的乳化瀝青礦料膠漿與添加劑、抗磨骨料（砂）、水等按一定比例混合，通過高壓霧化噴灑車或小型噴灑設備噴灑于瀝青路表面形成的預防性養護薄層。其中乳化瀝青礦料膠漿是該封層最主要的材料，因此本文根據工程應用需要，從乳化瀝青礦料膠漿原材料組成及性能評價、乳化瀝青礦料膠漿性能評價、乳化瀝青礦料膠漿混合料性能評價3個方面逐一展開研究。

乳化瀝青礦料膠漿是由特種瀝青、礦料、表面活化劑和水按照一定比例，采用特殊的乳化工藝制備而成。其中特種瀝青和礦料為主要原材料，其性能直接影響乳化瀝青礦料膠漿的乳化效果、存儲穩定性及霧封層的路用性能。本研究選擇3 種常用特種瀝青和3 種常用礦料，分別對其性能進行試驗，以確定相關技術要求。

1.1 原材料性能評價

本研究選用A1,A2,A33 種可以成功乳化的特種瀝青，針對針入度、10℃延度、軟化點和135℃運動黏度4 個檢測項目，從高低溫路用性能和可乳化性能兩方面對其性能進行評價[11]，試驗結果見表1。

表1 3種特種瀝青性能檢測結果

根據表1 的試驗結果，確定特種瀝青的技術要求符合表2的規定。

表2 瀝青的技術要求

再選用M1,M2,M33 種可以成功乳化的礦料，針對細度、密度和自由膨脹率3 個檢測參數，從單位質量比表面積和水中膨脹效果兩方面對其性能進行研究[12-14]，試驗結果見表3。

表3 3種礦料性能檢測結果

根據表3 的試驗結果，確定礦料技術要求應符合表4的規定。

表4 礦料的技術要求

1.2 制備工藝和材料組成

乳化瀝青礦料膠漿的制備不同于傳統乳化瀝青，其中混入了大量的礦料，采用簡單的攪拌方式即可實現瀝青乳化，具體工藝為：

首先將表面活化劑加入水中，在150rpm±50rpm的轉速下攪拌20～40min，水溫加熱至70℃±10℃。然后，將特種瀝青加熱至140℃±10℃，加入到活化劑水溶液中，攪拌速度調整為1500rpm±200rpm，攪拌時間為20min±5min，攪拌溫度保持在75℃±10℃。接著，按比例同時加入礦料和水，繼續攪拌10min±5min，攪拌溫度為75℃±10℃，攪拌速度為150rpm±50rpm，最終形成泥漿型乳化瀝青礦料膠漿。

乳化瀝青礦料膠漿與傳統乳化瀝青的外觀對比如圖1 所示，可見兩種瀝青在黏稠度和顏色上均有明顯的不同。傳統乳化瀝青的檢測參數和檢測方法如表5 所示。從該表可知，傳統乳化瀝青檢測方法不適用于乳化瀝青礦料膠漿檢測，這是因為乳液中存在大量的礦料。

圖1 乳化瀝青礦料膠漿與傳統乳化瀝青外觀對比圖

表5 傳統乳化瀝青檢測參數和試驗方法及對乳化瀝青礦料膠漿的適用性

根據材料制備工藝和工程應用經驗，乳化瀝青礦料膠漿的材料組成范圍如表6 所示。可以根據工藝特點和工程實際，在該用量范圍內合理選擇乳化瀝青礦料膠漿的原材料配比。

表6 乳化瀝青礦料膠漿原材料配比范圍

2 乳化瀝青礦料膠漿性能評價

乳化瀝青礦料膠漿的物性與傳統乳化瀝青有明顯的不同，因此要根據其物性特點和使用需要選擇合適的檢測參數對其性能進行全面評價。本文從施工和易性、基礎物性、耐高溫性、耐久性和環保性5 個方面，對乳化瀝青礦料膠漿性能評價方法展開研究。根據表6 的原材料配比范圍，選擇5 種配比，制備了5 種乳化瀝青礦料膠漿S1,S2,S3,S4,S5，并對各自的性能評價方法進行研究，結果見表7。

表7 乳化瀝青礦料膠漿的技術要求

2.1 施工和易性評價

常溫狀態下，黏度是材料施工和易性的主要評價指標。乳化瀝青礦料膠漿常溫下為膏狀，由表5 可知，無法采用恩格拉黏度或標準黏度兩種乳化瀝青黏度檢測方法對其進行黏度測試。因為膠漿中含有大量礦料，毛細管黏度測試方法也不適用。鑒于常溫下乳化瀝青礦料膠漿的物性與路面標線水性涂料相似，故選用路面標線涂料黏度的測定方法——斯托默黏度計法對其進行黏度檢測。斯托默黏度計的工作原理[15]與布氏旋轉黏度計類似，考慮到前者在公路行業很少采用，故結合23℃布氏黏度對乳化瀝青礦料膠漿的施工和易性進行評價。

對S1,S2,S3,S4,S55 種乳化瀝青礦料膠漿進行斯托默黏度[15]和布氏黏度檢測，結果見表8。根據檢測結果，可確定兩種黏度的技術要求，如表7所示。

表8 乳化瀝青礦料膠漿黏度試驗結果

2.2 基礎物性和耐高溫性評價

常溫下，乳化瀝青礦物膠漿的基本物理性能（包括相對密度、固體含量等）與乳化瀝青和道路石油瀝青都有明顯的區別，考慮到其狀態與路面標線水性涂料類似，根據《路面標線涂料》（JT/T 280—2004）[16]的要求分別選用《色漆和清漆密度的測定比重瓶法》（GB/T 6750—2007）和《色漆、清漆和塑料布揮發物含量的測定》（GB/T 1725—2007）對其進行密度和固體含量檢測。鑒于霧封層路面實際使用過程中，路面最高溫度可達60℃左右，故采用建筑防水材料的耐熱性試驗[17]來評價霧封層材料的高溫耐熱性，試驗溫度設定為80℃。5 種乳化瀝青礦料膠漿的相對密度、固體含量和耐熱性試驗結果見表9，據此可確定相應的技術要求，如表7所示。

表9 乳化瀝青礦料膠漿密度、固體含量和耐熱性試驗結果

2.3 耐久性評價

霧封層材料的耐老化性及其與原路面的黏結性直接決定路面的耐久性，故選用人工加速耐候性[18]和黏結性兩個指標來評價乳化瀝青礦料膠漿的耐久性。5 種乳化瀝青礦料膠漿的黏結性和人工加速耐候性試驗結果見表10，據此可確定相應的技術要求，如表7所示。

表10 乳化瀝青礦料膠漿黏結性和人工加速耐候性試驗結果

2.4 環保性評價

乳化瀝青礦料膠漿屬于水溶性材料，而在公路領域水性材料還沒有明確的環保性測試方法和要求，因此選用與乳化瀝青礦料膠漿物性相似的建筑材料環保性測試方法對其進行環保性測試[19]，同時選擇環保要求比較嚴格的內墻用水性涂料的相應技術性能指標作為環保性能的控制指標。5種乳化瀝青礦料膠漿的環保性試驗結果見表11，據此可知其環保性能均符合內墻用建筑涂料的技術要求（如表7所示）。

表11 乳化瀝青礦料膠漿環保性試驗結果

3 乳化瀝青礦料膠漿混合料性能評價

乳化瀝青礦料膠漿混合料由乳化瀝青礦料膠漿、添加劑、砂料按一定比例拌和而成。本文參考《公路瀝青路面養護技術規范》（JTG 5142—2019）中含砂霧封層材料的性能評價方法，同時結合乳化瀝青礦料膠漿混合料的物性特點和使用要求選擇合適的檢測參數對其性能進行全面評價，并從施工和易性、使用耐久性兩個方面對乳化瀝青礦料膠漿混合料進行性能評價方法研究。采用1 種乳化瀝青礦料膠漿，按照3 種配比配制乳化瀝青礦料膠漿混合料B1,B2,B3并進行性能評價研究，結果見表12。

表12 乳化瀝青礦料膠漿混合料的技術要求

3.1 施工和易性評價方法

選用和乳化瀝青礦料膠漿相同的黏度測試方法對乳化瀝青礦料膠漿混合料進行施工和易性評價，同時采用目視法評價其噴涂施工性能，采用穩定性試驗評價其材料穩定性。3 種乳化瀝青礦料膠漿混合料的黏度、施工性能和穩定性試驗結果見表13。根據試驗結果和規范要求，可確定乳化瀝青礦料膠漿混合料相關參數的技術要求，如表12所示。

表13 乳化瀝青礦料膠漿混合料施工和易性試驗結果

3.2 耐久性評價方法

在采用與乳化瀝青礦料膠漿相同的耐久性試驗方法——黏結性和人工加速耐候性試驗的同時，增加了耐磨性、耐水性、耐堿性、耐低溫抗裂性試驗對乳化瀝青礦料膠漿混合料的耐久性進行綜合評價。其中，耐磨性采用《公路瀝青路面養護技術規范》中的含砂霧封層濕輪磨耗損失來評價；耐水性、耐堿性和耐低溫抗裂性評價均參考《路面標線涂料》（JT/T 280—2004）[16]中對耐水性、耐堿性和耐低溫抗裂性的評價方法。根據3 種乳化瀝青礦料膠漿混合料的耐久性試驗結果（見表14）及相關標準要求，確定乳化瀝青礦料膠漿混合料相關參數的技術要求，如表12所示。

表14 乳化瀝青礦料膠漿混合料耐久性試驗結果

4 結語

本文針對乳化瀝青礦料膠漿及其混合料的材料特性和使用需求，從原材料、乳化瀝青礦料膠漿和乳化瀝青礦料膠漿混合料3 個方面，對乳化瀝青礦料膠漿霧封層進行了全面的檢測評價，并介紹了乳化瀝青礦料膠漿的制備工藝及原材料組成范圍，最終得出如下結論：

（1）特種瀝青應從高低溫性能和可加工性兩方面進行評價，具體檢測指標可包括25℃針入度、軟化點、10℃延度和135℃運動黏度；

（2）礦料應從比表面積和水中膨脹效果兩方面進行評價，具體檢測指標可包括細度、密度和自由膨脹率；

（3）乳化瀝青礦料膠漿應從施工和易性、基礎物性、耐高溫性能、使用耐久性和環保性能5個方面進行評價，具體檢測指標可包括斯托默黏度、布氏黏度、相對密度、固體含量、80℃耐熱性、黏結性、人工加速老化性、VOC 含量，以及苯、甲苯、二甲苯、乙苯含量總和；

（4）乳化瀝青礦料膠漿混合料應從施工和易性、使用耐久性兩個方面進行評價，具體檢測指標可包括斯托默黏度、穩定性、濕輪磨耗損失、耐水性、耐堿性、黏結性、涂層低溫抗裂性、人工加速老化。

在具體的工程應用中，可根據需要全部或部分選取上述檢測指標，以便對材料質量加以控制。本研究全部采用室內試驗，檢測參數的選擇和技術要求的確定需要通過現場試驗段鋪筑和觀測來優化和驗證。下一步，將在全國不同地區開展工程應用試驗，進一步完善相關封層材料的評價方法。