乳化瀝青粘層用油量研究及質量控制分析

孫湘俊

(廣東首匯城建設計有限公司， 廣東 廣州　510060)

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乳化瀝青粘層用油量研究及質量控制分析

孫湘俊

(廣東首匯城建設計有限公司， 廣東 廣州510060)

摘要：針對乳化瀝青粘層質量難以控制的問題，通過室內剪切試驗確定了瀝青路面粘層乳化瀝青最佳用油量。結合施工現(xiàn)場，通過現(xiàn)場檢測和試驗，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青的噴灑量達不到規(guī)范和設計要求。不同的路面層結構對應著不同的最佳噴灑量，乳化瀝青的噴灑量是控制粘層質量的關鍵，噴灑車車速的控制是噴灑量控制的有效技術途徑。有序的施工組織和良好的下臥層清理是控制粘層質量的重要方法。

關鍵詞：瀝青路面； 乳化瀝青粘層； 用油量； 噴灑量； 施工質量

0前言

粘層(tack coat)是指在道路工程中，為了加強路面瀝青層之間、瀝青面層與基層或者瀝青面層與水泥混凝土路面之間的粘結而噴灑的薄瀝青層。粘層的作用是使各面層之間、面層與構造物結成一個整體，并提供層間抗剪切作用，同時還能起一定的防水效果[1-4]。也有研究表明，粘層油使得基層瀝青量飽和，避免了基礎從面層吸收瀝青。目前主要使用乳化瀝青、改性乳化瀝青及熱瀝青等作為粘層材料[5]。我國瀝青路面設計理論，以路面各結構層層間完全連續(xù)為前提，更加強調了粘層在整個路面結構中的重要性。研究表明，層間接觸不良將影響到瀝青面層結構的受力狀態(tài)和使用壽命[6-8]。如果粘層的施工質量無保證，路面很容易發(fā)生推移、擁包、裂縫等水平剪切破壞及水損害，影響道路的服務水平和使用壽命。本文結合廣東某高速公路提質改造工程，首先通過室內剪切試驗確定了乳化瀝青粘層油的合理用量；通過現(xiàn)場試驗，其次對乳化瀝青粘層的噴灑量和施工質量進行了檢測和評估，最后提出了改善乳化瀝青粘層施工質量的方法。

1乳化瀝青技術特點及噴灑原則

1.1乳化瀝青技術特點

乳化瀝青(Asphalt emulsion)是石油瀝青與水在乳化劑、穩(wěn)定劑等作用下經乳化加工制得的均勻瀝青產品，也稱瀝青乳液。這種瀝青乳液在常溫下呈液態(tài)。乳化瀝青始于上世紀20年代，經歷了近百年的技術發(fā)展，產品種類很多。根據(jù)所用離子類型不同，分為陽離子乳化瀝青、陰離子乳化瀝青、兩性離子乳化瀝青、非離子乳化瀝青。根據(jù)破乳速度的不同，分為快裂型乳化瀝青、中裂型乳化瀝青和慢裂型乳化瀝青；根據(jù)使用方法不同，分為噴灑型和拌和型?？筛鶕?jù)不同的路面結構、集料特性、開放交通早晚等合理選擇乳化瀝青類型。相比傳統(tǒng)的熱瀝青材料，乳化瀝青具有優(yōu)良的技術經濟性和節(jié)能環(huán)保性，這主要是源于乳化瀝青的常溫液態(tài)流動性[9]。生產和應用實踐表明，在一定的應用范圍和使用條件下，其社會效益、經濟效益、環(huán)境效益均優(yōu)于熱瀝青施工，具有以下特點：

1) 冷態(tài)常溫施工具有節(jié)能、減排、環(huán)保、安全的優(yōu)勢；相比瀝青材料，乳化瀝青僅僅需要在使用前加熱一次，據(jù)統(tǒng)計資料表明，使用乳化瀝青修筑路面比使用瀝青可節(jié)省能源50%；此外，避免了多次重復加熱，減少了對瀝青質量的影響。

2) 施工快速便捷、可以在短時間內開放交通。

3) 具有良好的儲存穩(wěn)定性。

4) 較少受氣候條件制約，使用乳化瀝青可以減少對天氣的依賴，延長施工作業(yè)期。

5) 便于控制噴灑質量，具有很好的貫入滲透能力和粘附能力，能有效地提高道路質量；節(jié)省瀝青材料，相比熱瀝青，乳化瀝青更容易形成瀝青膜，并且與堿性集料的粘附性很強。統(tǒng)計資料顯示，乳化瀝青可以減少瀝青用量10%～20%。

6) 相比熱瀝青，乳化瀝青致癌物質含量顯著降低，對施工人員的健康威脅減少。

乳化瀝青可以直接采購成品，施工單位也可以根據(jù)自身條件進行現(xiàn)場配制。但是其技術指標必須達到設計文件和規(guī)范的要求。

1.2乳化瀝青噴灑原則

一般來講，對于雙層式或三層式熱拌瀝青混合料路面，在鋪筑上一層之前，需要在下層瀝青表面噴灑粘層瀝青。乳化瀝青的噴灑可以采用瀝青噴灑車、手噴槍噴灑、也可以用小型噴灑機噴灑。粘層油的噴灑強調“遍”和“薄”[10，11]。遍是指粘層的噴灑一定要全面徹底，不能留有任何漏鋪、少鋪的地方。在噴灑車無法噴灑到的邊角，應采用手噴槍噴灑；在路緣石、雨水口、檢查井等，應使用刷子人工涂刷。薄則意味著乳化瀝青作為粘層油，在滿足設計要求的前提下，粘層厚度應盡可能小，以期滿足經濟性要求和降低粘層本身對路面結構的影響。噴灑過量處，應予以刮除。一般情況下，乳化瀝青粘層油的噴灑量為0.2～0.8 kg/m2，具體可以根據(jù)乳化瀝青的濃度及路面層的結構進行調整，但必須確保整個面層上覆蓋有不少于0.2 kg/m2的殘留瀝青連續(xù)封層。盡管乳化瀝青粘層是瀝青路面結構中極其微小的一部分，但是在路面經受車輛交通荷載、風吹日曬等的力學作用和氣候作用過程中起著巨大的作用。

2乳化瀝青粘層室內剪切試驗

粘層油的用量與路面結構和鋪裝材料有關。粘層油并非越多越好，不同的路面結構和面層材料對應著不同的粘層油最佳用量，在最佳用量下，層間結合狀態(tài)最緊密，層間抗剪強度達到最大。粘層油過多或者過少，都會影響層間結合狀況。粘層油用量不足，則不能提供足夠的層間結合；粘層油使用過量，則形成層間富油層，增加層間相對滑移，反而降低層間結合。本工程采用的為陽離子快裂型乳化瀝青，技術指標見表1。

表1 乳化瀝青技術指標類別篩上殘留物(1.18mm篩)/%微粒子電荷恩格拉粘度計E25(粘度)標準粘度計C25.3(粘度)/s殘留物含量/%殘留物針入度(25℃)/(0.1mm)殘留物延度(15℃)/cm儲存穩(wěn)定性/%1d5d測值0.02陽離子(+)4145269>1000.73.6技術要求≤0.1陽離子(+)1～68～20≥5045～150≥40≤1≤5(T0652)(T0653)(T0622)(T0621)(T0651)(T0604)(T0605)(T0655)(T0655) 注:括號內為試驗方法。

一般采用拉拔試驗和剪切試驗來確定層間粘層油的最佳用量[12]。路面結構在服役過程中，不僅受到車輛的豎向荷載，還受到來自車輛剎車、起步等施加的水平力作用。為了更加符合現(xiàn)實的路面狀況，采用了長沙理工大學自主研發(fā)的層間剪切裝置(專利號：CN102519808B)進行層間粘層油最佳用量的確定。該試驗裝置設置了試件傾角來模擬水平力和豎向力的綜合作用。傾角根據(jù)水平力與豎向荷載大小反算確定。試驗裝置如圖1所示。

圖1　層間剪切試驗設備

根據(jù)路面結構分別采用5 cm SMA13上面層+粘層油+5 cm AC20中面層，和5 cm AC20中面層+粘層油+5 cm AC30下面層來分別研究上面層和中面層，及中面層和下面層的粘層油最佳用量。試驗方案采用5個粘層油用量0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 kg/m2，試驗溫度為25 ℃。室內剪切試驗結果如表2所示。

剪切強度與粘層油用量的關系見圖2，用二次多項式進行了擬合，相關性良好，相關性系數(shù)達到0.94以上。計算二次函數(shù)的極值，得到剪切強度最大時，SMA13+AC20和AC20+AC30的層間乳化瀝青用量分別為0.815 kg/m2和0.593 kg/m2，此用量即為2種路面結構的最佳粘層油用量。

表2 不同粘層油用量的剪切強度乳化瀝青用量/(kg·m-2)剪切強度/MPaSMA13+AC20AC20+AC300.20.250.420.40.390.530.60.500.600.80.620.511.00.530.391.20.430.26

圖2　不同粘層油用量的剪切強度

已有國內學者研究表明[2]，最佳粘層油用量受不同的路面結構、路面材料、瀝青混合料級配、溫度條件的影響。一般來講：乳化瀝青的最佳用量溫度較低時比溫度高時要大；SMA路面層間最佳用量>SMA與AC路面層間最佳用量>AC路面層間最佳用量，這主要是因為SMA為密實骨架型結構，有更大的孔隙率，所以需要更多的乳化瀝青來填補空隙，同時SMA結構構造深度、摩擦系數(shù)更大，在最佳乳化瀝青噴灑量時其剪切強度也越大。

3粘層施工質量控制

3.1粘層油噴灑量試驗

乳化瀝青的噴灑量是影響粘層質量最重要的因素。噴灑量過少，不足以形成足夠的層間抗剪強度，粘層失去效應；噴灑量過多，會形成自由瀝青，增加豎向及水平相位移，反而降低層間抗剪強度[13]。過大的噴灑量還會延長破乳時間，一旦水分尚未蒸發(fā)完全便進行上面層施工，將留下嚴重質量隱患。為了檢測乳化瀝青粘層施工質量，進行了AC20中面層+AC30下面層層間乳化瀝青粘層噴灑量和殘留度實驗，試驗過程參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60-2008)[14]?？紤]到噴灑過程中的不均勻性，除了采用搪瓷盤或牛皮紙進行檢測，也可采用噴灑車瀝青總量與噴灑總面積相除來計算。

表3顯示，測得的最大噴灑量為0.406 kg/m2，選取2、3號噴灑量(二者差小于10%)計算均值為0.343 kg/m2。均小于最佳瀝青用量0.593 kg/m2，也小于質量控制文件提出的“0.5～0.8 kg/m2”的噴灑量。

表3 乳化瀝青粘層油噴灑量組號盤重/kg盤和乳液總重量/kg乳液重量/kg盤面積/m2噴灑量/(kg·m-2)10.52280.58540.06260.1540.40620.53100.58600.05500.1540.35730.50000.55060.05060.1540.329 注:1、2、3號盤按照行車方向排列,即1號盤離噴灑車最近。

由表4可以看出，殘留分含量均值為49.67%，略小于規(guī)范要求的50%，也小于室內試驗的結果。這主要是由于現(xiàn)場試驗與室內試驗條件差異所引起的。如果換算成乳化瀝青殘留瀝青噴灑量則分別為0.199、0.185、0.158 kg/m2。結果顯然偏小。

表4 乳化瀝青殘留分含量組號容器及玻璃棒質量/g容器、玻璃棒及乳液質量/g容器、玻璃棒及殘留物質量/g乳化瀝青的殘留分含量/%殘留分含量均值/%168.4324.5194.249.12239.2179.4111.951.8549.67340.5224.5128.948.04

3.2噴灑量影響因素分析

影響乳化瀝青噴灑量的兩個主要因素是噴灑流量和行車速度。乳化瀝青從噴灑車以一定的流量噴灑，同時汽車以一定的速度前行，二者結合決定了最終的噴灑量。因此在正式噴灑之前必須進行相應的試驗性噴灑，以確定最佳的噴灑流量和行車速度。根據(jù)現(xiàn)場觀察，乳化瀝青的噴灑流量是比較穩(wěn)定的，一經調試完成可以認為是恒定的。但是行車速度卻是難以精確控制的，司機在行駛過程中對車輛速度的控制存在著一定偏差，同時行駛條件也會對行車速度造成影響，比如坡段和轉彎路段等均會對車輛速度造成影響。從表3可以看到噴灑量從1號盤至3號盤逐漸減小，其主要原因就是噴灑車在噴灑過程中行進速度在不斷加快?？紤]到測試地點是在彎坡段，出現(xiàn)這種速度不均衡的情況也是難以避免的。這也從側面說明了施工過程中加強施工質量控制的必要性和重要性。因此在乳化瀝青的噴灑過程中，必須嚴格控制車速，以保證粘層油的噴灑量和噴灑的均勻性。

針對噴灑量不足的問題，提出對噴灑量不足的地方，使用人工或者小型機具進行局部補灑，而不要使用噴灑車大規(guī)模噴灑以免過量，對噴灑過量的地方應進行刮除。筆者所在工程段采用了4 cm SMA13(上面層)+10 cm AC20(中面層)+20 cm AC30(下面層)的加鋪結構形式，設計文件和施工方案中僅僅指明乳化瀝青噴灑量為0.5～0.8 kg/m2，筆者認為在施工過程中，應根據(jù)不同的路面結構明確不同的乳化瀝青噴灑量。SMA上面層與AC中面層之間的噴灑量可以比AC中面層與AC下面層之間適當增加，以期得到更好的層間結合狀態(tài)。

4粘層其他質量問題

道路工程的施工是各工種協(xié)調交叉作業(yè)的綜合過程，其他諸多因素都會影響著乳化瀝青的噴灑量及施工質量，根據(jù)調查資料和現(xiàn)場情況，主要有以下幾個問題。

4.1層間污染

實際施工過程中，施工車輛不斷出入乳化瀝青粘層噴灑區(qū)域，造成車輛輪胎沾粘乳化瀝青而造成層間污染并破壞粘層油。主要原因是交通管制不得當造成施工車輛誤入新近噴灑區(qū)，或者現(xiàn)場施工組織設計安排不合理導致粘層油噴灑與上面層鋪筑時間間隔過長而產生污染。如圖3、圖4所示。

圖3運料車駛過噴灑區(qū)

4.2不均勻噴灑

噴灑不均勻是粘層油施工過程中又一病害?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在乳化瀝青的噴灑過程中，乳化瀝青沒有均勻的呈噴霧狀噴灑出來，造成噴灑時局部區(qū)域出現(xiàn)粘層油堆積，部分區(qū)域出現(xiàn)鏤空或者絲縷狀。如圖5、圖6所示。

圖5出現(xiàn)條狀鏤空

4.3下臥層清理不到位

保持下臥層清潔、干燥對粘層的粘結作用至關重要。為了保證粘層油粘結在路面層而非被松散物所吸收，應當對下臥層進行徹底的清理。同時，應根據(jù)需要對下臥層中進行平整，以保證粘層油能均勻地粘附在下臥層上。當粘有土塊時須用水沖刷干凈，待表面干燥后噴灑。噴灑瀝青材料的氣溫不應低于10 ℃，大風、濃霧、下雨或者路面潮濕時不得施工。如圖7、圖8所示。

圖7下臥層局部凸起造成粘層油流失

5結語

本文對瀝青路面層間乳化瀝青粘層的最佳用量進行了室內試驗，并對實體工程中粘層油的噴灑量和施工質量進行了現(xiàn)場調查。主要結論如下：

1) 不同的路面結構對應著不同的乳化瀝青粘層油最佳用量，根據(jù)室內剪切試驗確定了上面層和中面層、中面層和下面層的層間粘層油最佳用量分別為0.815 kg/m2和 0.593 kg/m2；應根據(jù)路面結構、鋪裝材料和環(huán)境溫度，對不同的層間粘層油用量進行差別化設計。

2) 乳化瀝青的噴灑量決定著粘層的質量，過

多或者過少的噴灑量均不能使粘層達到最佳效果。在影響噴灑量的各因素中，重點在于控制行車車速。并根據(jù)不同的路面狀況和道路線性及時調整，以達到最佳噴灑效果。噴灑車應定期對噴頭進行檢查，保證各噴口無堵塞現(xiàn)象，粘層油噴灑均勻，對噴灑量不足的地方進行補灑，噴灑過量的地方進行刮除。

3) 根據(jù)現(xiàn)場情況安排好施工組織，合理管制交通，避免施工車輛或者沿線附屬工程對粘層產生污染。派駐專人對粘層區(qū)域進行看管，及時清除污染物。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0063-04

收稿日期:2016-01-07

作者簡介:孫湘俊( 1984-) ，男，工程師，主要從事道路設計和施工管理工作。

中圖分類號：U 416.217

文獻標識碼：A