乳化沥青矿料胶浆雾封层材料性能评价

赵 蔚，桂启涛，杜卫峰，李雪锋，段永霞

（1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.交科院科技集团有限公司，北京 100013）

0 引言

当前，我国公路重交通作用和超载现象频发，直接导致部分沥青路面使用性能快速下降[1-2]，“亚健康”沥青路面逐年增多。实践证明，采取表面封层技术[3-4]对沥青路面进行养护，可有效减缓路面使用性能的下降，防止因老化问题引起路面过早破坏。雾封层、含砂雾封层是最常用的预防性养护封层技术，相关封层材料种类繁多，针对不同封层材料的特点和使用要求，就其性能进行有效评价，对提高封层的工程质量至关重要。

截至目前，国内外学者已针对不同雾封层和含砂雾封层的性能及其使用效果进行了一些研究，如Readul Mohammad 等[5]采用两种乳化沥青开展了雾封层应用效果试验，发现雾封层可以显著提高路面的抗渗水性，初期可使路面摩擦系数降低20%～40%；Yang 等[6]采用大豆基液体密封剂替代传统石油类乳化沥青，铺筑了5.3km 的试验路，发现生物密封剂可以替代传统乳化沥青，起到很好的隔气和封水作用；徐曾兵等[7]以改性乳化沥青作为胶结料铺筑的嵌固型含砂雾封层能同时提高路面的抗渗水性和抗滑性；魏显权等[8]分别采用有机硅、改性乳化沥青、TIT 含砂嵌固材料、CAP 沥青还原剂作为封层材料进行路用性能对比研究，发现4 种封层养护材料的综合路用性能从优到劣依次是TIT 含砂嵌固、CAP 沥青还原剂、改性乳化沥青、有机硅。

总体而言，目前雾封层和含砂雾封层用胶结料主要有乳化沥青、改性乳化沥青、水性环氧沥青、水性环氧沥青复合改性乳化沥青、生物基油性密封剂、生物基水性密封剂等。相关研究侧重于路面养护作用，如阻气和封水作用、抗滑性能等，而非封层材料自身的性能评价，如封层胶结料检测一般直接采用现有乳化沥青检测规范[9-10]。然而，乳化沥青矿料胶浆雾封层胶结料与传统乳化沥青在物性上有显著差异，前者含有大量的矿物胶体，稠度明显高于后者，采用传统乳化沥青检测规范对其进行检测和评价不够合理。为此，本文将基于乳化沥青矿料胶浆雾封层材料的特点，开展封层材料的性能评价研究，确定其性能评价方法，旨在为相关封层的工程应用提供参考。

1 乳化沥青矿料胶浆的原材料组成及性能

乳化沥青矿料胶浆雾封层是将特殊乳化工艺加工而成的乳化沥青矿料胶浆与添加剂、抗磨骨料（砂）、水等按一定比例混合，通过高压雾化喷洒车或小型喷洒设备喷洒于沥青路表面形成的预防性养护薄层。其中乳化沥青矿料胶浆是该封层最主要的材料，因此本文根据工程应用需要，从乳化沥青矿料胶浆原材料组成及性能评价、乳化沥青矿料胶浆性能评价、乳化沥青矿料胶浆混合料性能评价3个方面逐一展开研究。

乳化沥青矿料胶浆是由特种沥青、矿料、表面活化剂和水按照一定比例，采用特殊的乳化工艺制备而成。其中特种沥青和矿料为主要原材料，其性能直接影响乳化沥青矿料胶浆的乳化效果、存储稳定性及雾封层的路用性能。本研究选择3 种常用特种沥青和3 种常用矿料，分别对其性能进行试验，以确定相关技术要求。

1.1 原材料性能评价

本研究选用A1,A2,A33 种可以成功乳化的特种沥青，针对针入度、10℃延度、软化点和135℃运动黏度4 个检测项目，从高低温路用性能和可乳化性能两方面对其性能进行评价[11]，试验结果见表1。

表1 3种特种沥青性能检测结果

根据表1 的试验结果，确定特种沥青的技术要求符合表2的规定。

表2 沥青的技术要求

再选用M1,M2,M33 种可以成功乳化的矿料，针对细度、密度和自由膨胀率3 个检测参数，从单位质量比表面积和水中膨胀效果两方面对其性能进行研究[12-14]，试验结果见表3。

表3 3种矿料性能检测结果

根据表3 的试验结果，确定矿料技术要求应符合表4的规定。

表4 矿料的技术要求

1.2 制备工艺和材料组成

乳化沥青矿料胶浆的制备不同于传统乳化沥青，其中混入了大量的矿料，采用简单的搅拌方式即可实现沥青乳化，具体工艺为：

首先将表面活化剂加入水中，在150rpm±50rpm的转速下搅拌20～40min，水温加热至70℃±10℃。然后，将特种沥青加热至140℃±10℃，加入到活化剂水溶液中，搅拌速度调整为1500rpm±200rpm，搅拌时间为20min±5min，搅拌温度保持在75℃±10℃。接着，按比例同时加入矿料和水，继续搅拌10min±5min，搅拌温度为75℃±10℃，搅拌速度为150rpm±50rpm，最终形成泥浆型乳化沥青矿料胶浆。

乳化沥青矿料胶浆与传统乳化沥青的外观对比如图1 所示，可见两种沥青在黏稠度和颜色上均有明显的不同。传统乳化沥青的检测参数和检测方法如表5 所示。从该表可知，传统乳化沥青检测方法不适用于乳化沥青矿料胶浆检测，这是因为乳液中存在大量的矿料。

图1 乳化沥青矿料胶浆与传统乳化沥青外观对比图

表5 传统乳化沥青检测参数和试验方法及对乳化沥青矿料胶浆的适用性

根据材料制备工艺和工程应用经验，乳化沥青矿料胶浆的材料组成范围如表6 所示。可以根据工艺特点和工程实际，在该用量范围内合理选择乳化沥青矿料胶浆的原材料配比。

表6 乳化沥青矿料胶浆原材料配比范围

2 乳化沥青矿料胶浆性能评价

乳化沥青矿料胶浆的物性与传统乳化沥青有明显的不同，因此要根据其物性特点和使用需要选择合适的检测参数对其性能进行全面评价。本文从施工和易性、基础物性、耐高温性、耐久性和环保性5 个方面，对乳化沥青矿料胶浆性能评价方法展开研究。根据表6 的原材料配比范围，选择5 种配比，制备了5 种乳化沥青矿料胶浆S1,S2,S3,S4,S5，并对各自的性能评价方法进行研究，结果见表7。

表7 乳化沥青矿料胶浆的技术要求

2.1 施工和易性评价

常温状态下，黏度是材料施工和易性的主要评价指标。乳化沥青矿料胶浆常温下为膏状，由表5 可知，无法采用恩格拉黏度或标准黏度两种乳化沥青黏度检测方法对其进行黏度测试。因为胶浆中含有大量矿料，毛细管黏度测试方法也不适用。鉴于常温下乳化沥青矿料胶浆的物性与路面标线水性涂料相似，故选用路面标线涂料黏度的测定方法——斯托默黏度计法对其进行黏度检测。斯托默黏度计的工作原理[15]与布氏旋转黏度计类似，考虑到前者在公路行业很少采用，故结合23℃布氏黏度对乳化沥青矿料胶浆的施工和易性进行评价。

对S1,S2,S3,S4,S55 种乳化沥青矿料胶浆进行斯托默黏度[15]和布氏黏度检测，结果见表8。根据检测结果，可确定两种黏度的技术要求，如表7所示。

表8 乳化沥青矿料胶浆黏度试验结果

2.2 基础物性和耐高温性评价

常温下，乳化沥青矿物胶浆的基本物理性能（包括相对密度、固体含量等）与乳化沥青和道路石油沥青都有明显的区别，考虑到其状态与路面标线水性涂料类似，根据《路面标线涂料》（JT/T 280—2004）[16]的要求分别选用《色漆和清漆密度的测定比重瓶法》（GB/T 6750—2007）和《色漆、清漆和塑料布挥发物含量的测定》（GB/T 1725—2007）对其进行密度和固体含量检测。鉴于雾封层路面实际使用过程中，路面最高温度可达60℃左右，故采用建筑防水材料的耐热性试验[17]来评价雾封层材料的高温耐热性，试验温度设定为80℃。5 种乳化沥青矿料胶浆的相对密度、固体含量和耐热性试验结果见表9，据此可确定相应的技术要求，如表7所示。

表9 乳化沥青矿料胶浆密度、固体含量和耐热性试验结果

2.3 耐久性评价

雾封层材料的耐老化性及其与原路面的黏结性直接决定路面的耐久性，故选用人工加速耐候性[18]和黏结性两个指标来评价乳化沥青矿料胶浆的耐久性。5 种乳化沥青矿料胶浆的黏结性和人工加速耐候性试验结果见表10，据此可确定相应的技术要求，如表7所示。

表10 乳化沥青矿料胶浆黏结性和人工加速耐候性试验结果

2.4 环保性评价

乳化沥青矿料胶浆属于水溶性材料，而在公路领域水性材料还没有明确的环保性测试方法和要求，因此选用与乳化沥青矿料胶浆物性相似的建筑材料环保性测试方法对其进行环保性测试[19]，同时选择环保要求比较严格的内墙用水性涂料的相应技术性能指标作为环保性能的控制指标。5种乳化沥青矿料胶浆的环保性试验结果见表11，据此可知其环保性能均符合内墙用建筑涂料的技术要求（如表7所示）。

表11 乳化沥青矿料胶浆环保性试验结果

3 乳化沥青矿料胶浆混合料性能评价

乳化沥青矿料胶浆混合料由乳化沥青矿料胶浆、添加剂、砂料按一定比例拌和而成。本文参考《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142—2019）中含砂雾封层材料的性能评价方法，同时结合乳化沥青矿料胶浆混合料的物性特点和使用要求选择合适的检测参数对其性能进行全面评价，并从施工和易性、使用耐久性两个方面对乳化沥青矿料胶浆混合料进行性能评价方法研究。采用1 种乳化沥青矿料胶浆，按照3 种配比配制乳化沥青矿料胶浆混合料B1,B2,B3并进行性能评价研究，结果见表12。

表12 乳化沥青矿料胶浆混合料的技术要求

3.1 施工和易性评价方法

选用和乳化沥青矿料胶浆相同的黏度测试方法对乳化沥青矿料胶浆混合料进行施工和易性评价，同时采用目视法评价其喷涂施工性能，采用稳定性试验评价其材料稳定性。3 种乳化沥青矿料胶浆混合料的黏度、施工性能和稳定性试验结果见表13。根据试验结果和规范要求，可确定乳化沥青矿料胶浆混合料相关参数的技术要求，如表12所示。

表13 乳化沥青矿料胶浆混合料施工和易性试验结果

3.2 耐久性评价方法

在采用与乳化沥青矿料胶浆相同的耐久性试验方法——黏结性和人工加速耐候性试验的同时，增加了耐磨性、耐水性、耐碱性、耐低温抗裂性试验对乳化沥青矿料胶浆混合料的耐久性进行综合评价。其中，耐磨性采用《公路沥青路面养护技术规范》中的含砂雾封层湿轮磨耗损失来评价；耐水性、耐碱性和耐低温抗裂性评价均参考《路面标线涂料》（JT/T 280—2004）[16]中对耐水性、耐碱性和耐低温抗裂性的评价方法。根据3 种乳化沥青矿料胶浆混合料的耐久性试验结果（见表14）及相关标准要求，确定乳化沥青矿料胶浆混合料相关参数的技术要求，如表12所示。

表14 乳化沥青矿料胶浆混合料耐久性试验结果

4 结语

本文针对乳化沥青矿料胶浆及其混合料的材料特性和使用需求，从原材料、乳化沥青矿料胶浆和乳化沥青矿料胶浆混合料3 个方面，对乳化沥青矿料胶浆雾封层进行了全面的检测评价，并介绍了乳化沥青矿料胶浆的制备工艺及原材料组成范围，最终得出如下结论：

（1）特种沥青应从高低温性能和可加工性两方面进行评价，具体检测指标可包括25℃针入度、软化点、10℃延度和135℃运动黏度；

（2）矿料应从比表面积和水中膨胀效果两方面进行评价，具体检测指标可包括细度、密度和自由膨胀率；

（3）乳化沥青矿料胶浆应从施工和易性、基础物性、耐高温性能、使用耐久性和环保性能5个方面进行评价，具体检测指标可包括斯托默黏度、布氏黏度、相对密度、固体含量、80℃耐热性、黏结性、人工加速老化性、VOC 含量，以及苯、甲苯、二甲苯、乙苯含量总和；

（4）乳化沥青矿料胶浆混合料应从施工和易性、使用耐久性两个方面进行评价，具体检测指标可包括斯托默黏度、稳定性、湿轮磨耗损失、耐水性、耐碱性、黏结性、涂层低温抗裂性、人工加速老化。

在具体的工程应用中，可根据需要全部或部分选取上述检测指标，以便对材料质量加以控制。本研究全部采用室内试验，检测参数的选择和技术要求的确定需要通过现场试验段铺筑和观测来优化和验证。下一步，将在全国不同地区开展工程应用试验，进一步完善相关封层材料的评价方法。