乳化瀝青礦料膠漿霧封層材料性能評(píng)價(jià)

趙 蔚，桂啟濤，杜衛(wèi)峰，李雪鋒，段永霞

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

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)公路重交通作用和超載現(xiàn)象頻發(fā)，直接導(dǎo)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(shí)踐證明，采取表面封層技術(shù)[3-4]對(duì)瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可有效減緩路面使用性能的下降，防止因老化問(wèn)題引起路面過(guò)早破壞。霧封層、含砂霧封層是最常用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)封層技術(shù)，相關(guān)封層材料種類繁多，針對(duì)不同封層材料的特點(diǎn)和使用要求，就其性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，對(duì)提高封層的工程質(zhì)量至關(guān)重要。

截至目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)不同霧封層和含砂霧封層的性能及其使用效果進(jìn)行了一些研究，如Readul Mohammad 等[5]采用兩種乳化瀝青開(kāi)展了霧封層應(yīng)用效果試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)霧封層可以顯著提高路面的抗?jié)B水性，初期可使路面摩擦系數(shù)降低20%～40%；Yang 等[6]采用大豆基液體密封劑替代傳統(tǒng)石油類乳化瀝青，鋪筑了5.3km 的試驗(yàn)路，發(fā)現(xiàn)生物密封劑可以替代傳統(tǒng)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(jié)料鋪筑的嵌固型含砂霧封層能同時(shí)提高路面的抗?jié)B水性和抗滑性；魏顯權(quán)等[8]分別采用有機(jī)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(jìn)行路用性能對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)4 種封層養(yǎng)護(hù)材料的綜合路用性能從優(yōu)到劣依次是TIT 含砂嵌固、CAP 瀝青還原劑、改性乳化瀝青、有機(jī)硅。

總體而言，目前霧封層和含砂霧封層用膠結(jié)料主要有乳化瀝青、改性乳化瀝青、水性環(huán)氧瀝青、水性環(huán)氧瀝青復(fù)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(guān)研究側(cè)重于路面養(yǎng)護(hù)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(píng)價(jià)，如封層膠結(jié)料檢測(cè)一般直接采用現(xiàn)有乳化瀝青檢測(cè)規(guī)范[9-10]。然而，乳化瀝青礦料膠漿霧封層膠結(jié)料與傳統(tǒng)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(tǒng)乳化瀝青檢測(cè)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)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(diǎn)，開(kāi)展封層材料的性能評(píng)價(jià)研究，確定其性能評(píng)價(jià)方法，旨在為相關(guān)封層的工程應(yīng)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(guò)高壓霧化噴灑車或小型噴灑設(shè)備噴灑于瀝青路表面形成的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)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(jù)工程應(yīng)用需要，從乳化瀝青礦料膠漿原材料組成及性能評(píng)價(jià)、乳化瀝青礦料膠漿性能評(píng)價(jià)、乳化瀝青礦料膠漿混合料性能評(píng)價(jià)3個(gè)方面逐一展開(kāi)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(chǔ)穩(wěn)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(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)，以確定相關(guān)技術(shù)要求。

1.1 原材料性能評(píng)價(jià)

本研究選用A1,A2,A33 種可以成功乳化的特種瀝青，針對(duì)針入度、10℃延度、軟化點(diǎn)和135℃運(yùn)動(dòng)黏度4 個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目，從高低溫路用性能和可乳化性能兩方面對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種特種瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1 的試驗(yàn)結(jié)果，確定特種瀝青的技術(shù)要求符合表2的規(guī)定。

表2 瀝青的技術(shù)要求

再選用M1,M2,M33 種可以成功乳化的礦料，針對(duì)細(xì)度、密度和自由膨脹率3 個(gè)檢測(cè)參數(shù)，從單位質(zhì)量比表面積和水中膨脹效果兩方面對(duì)其性能進(jìn)行研究[12-14]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3種礦料性能檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表3 的試驗(yàn)結(jié)果，確定礦料技術(shù)要求應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 礦料的技術(shù)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(tǒng)乳化瀝青，其中混入了大量的礦料，采用簡(jiǎn)單的攪拌方式即可實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(diào)整為1500rpm±200rpm，攪拌時(shí)間為20min±5min，攪拌溫度保持在75℃±10℃。接著，按比例同時(shí)加入礦料和水，繼續(xù)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(tǒng)乳化瀝青的外觀對(duì)比如圖1 所示，可見(jiàn)兩種瀝青在黏稠度和顏色上均有明顯的不同。傳統(tǒng)乳化瀝青的檢測(cè)參數(shù)和檢測(cè)方法如表5 所示。從該表可知，傳統(tǒng)乳化瀝青檢測(cè)方法不適用于乳化瀝青礦料膠漿檢測(cè)，這是因?yàn)槿橐褐写嬖诖罅康牡V料。

圖1 乳化瀝青礦料膠漿與傳統(tǒng)乳化瀝青外觀對(duì)比圖

表5 傳統(tǒng)乳化瀝青檢測(cè)參數(shù)和試驗(yàn)方法及對(duì)乳化瀝青礦料膠漿的適用性

根據(jù)材料制備工藝和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，乳化瀝青礦料膠漿的材料組成范圍如表6 所示?？梢愿鶕?jù)工藝特點(diǎn)和工程實(shí)際，在該用量范圍內(nèi)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(píng)價(jià)

乳化瀝青礦料膠漿的物性與傳統(tǒng)乳化瀝青有明顯的不同，因此要根據(jù)其物性特點(diǎn)和使用需要選擇合適的檢測(cè)參數(shù)對(duì)其性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。本文從施工和易性、基礎(chǔ)物性、耐高溫性、耐久性和環(huán)保性5 個(gè)方面，對(duì)乳化瀝青礦料膠漿性能評(píng)價(jià)方法展開(kāi)研究。根據(jù)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(duì)各自的性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 乳化瀝青礦料膠漿的技術(shù)要求

2.1 施工和易性評(píng)價(jià)

常溫狀態(tài)下，黏度是材料施工和易性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。乳化瀝青礦料膠漿常溫下為膏狀，由表5 可知，無(wú)法采用恩格拉黏度或標(biāo)準(zhǔn)黏度兩種乳化瀝青黏度檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行黏度測(cè)試。因?yàn)槟z漿中含有大量礦料，毛細(xì)管黏度測(cè)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(biāo)線水性涂料相似，故選用路面標(biāo)線涂料黏度的測(cè)定方法——斯托默黏度計(jì)法對(duì)其進(jìn)行黏度檢測(cè)。斯托默黏度計(jì)的工作原理[15]與布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)類似，考慮到前者在公路行業(yè)很少采用，故結(jié)合23℃布氏黏度對(duì)乳化瀝青礦料膠漿的施工和易性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)S1,S2,S3,S4,S55 種乳化瀝青礦料膠漿進(jìn)行斯托默黏度[15]和布氏黏度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表8。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，可確定兩種黏度的技術(shù)要求，如表7所示。

表8 乳化瀝青礦料膠漿黏度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 基礎(chǔ)物性和耐高溫性評(píng)價(jià)

常溫下，乳化瀝青礦物膠漿的基本物理性能（包括相對(duì)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(qū)別，考慮到其狀態(tài)與路面標(biāo)線水性涂料類似，根據(jù)《路面標(biāo)線涂料》（JT/T 280—2004）[16]的要求分別選用《色漆和清漆密度的測(cè)定比重瓶法》（GB/T 6750—2007）和《色漆、清漆和塑料布揮發(fā)物含量的測(cè)定》（GB/T 1725—2007）對(duì)其進(jìn)行密度和固體含量檢測(cè)。鑒于霧封層路面實(shí)際使用過(guò)程中，路面最高溫度可達(dá)60℃左右，故采用建筑防水材料的耐熱性試驗(yàn)[17]來(lái)評(píng)價(jià)霧封層材料的高溫耐熱性，試驗(yàn)溫度設(shè)定為80℃。5 種乳化瀝青礦料膠漿的相對(duì)密度、固體含量和耐熱性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，據(jù)此可確定相應(yīng)的技術(shù)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(yàn)結(jié)果

2.3 耐久性評(píng)價(jià)

霧封層材料的耐老化性及其與原路面的黏結(jié)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(jié)性兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)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(jié)性和人工加速耐候性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10，據(jù)此可確定相應(yīng)的技術(shù)要求，如表7所示。

表10 乳化瀝青礦料膠漿黏結(jié)性和人工加速耐候性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 環(huán)保性評(píng)價(jià)

乳化瀝青礦料膠漿屬于水溶性材料，而在公路領(lǐng)域水性材料還沒(méi)有明確的環(huán)保性測(cè)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(huán)保性測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行環(huán)保性測(cè)試[19]，同時(shí)選擇環(huán)保要求比較嚴(yán)格的內(nèi)墻用水性涂料的相應(yīng)技術(shù)性能指標(biāo)作為環(huán)保性能的控制指標(biāo)。5種乳化瀝青礦料膠漿的環(huán)保性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11，據(jù)此可知其環(huán)保性能均符合內(nèi)墻用建筑涂料的技術(shù)要求（如表7所示）。

表11 乳化瀝青礦料膠漿環(huán)保性試驗(yàn)結(jié)果

3 乳化瀝青礦料膠漿混合料性能評(píng)價(jià)

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(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）中含砂霧封層材料的性能評(píng)價(jià)方法，同時(shí)結(jié)合乳化瀝青礦料膠漿混合料的物性特點(diǎn)和使用要求選擇合適的檢測(cè)參數(shù)對(duì)其性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，并從施工和易性、使用耐久性兩個(gè)方面對(duì)乳化瀝青礦料膠漿混合料進(jìn)行性能評(píng)價(jià)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(jìn)行性能評(píng)價(jià)研究，結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 乳化瀝青礦料膠漿混合料的技術(shù)要求

3.1 施工和易性評(píng)價(jià)方法

選用和乳化瀝青礦料膠漿相同的黏度測(cè)試方法對(duì)乳化瀝青礦料膠漿混合料進(jìn)行施工和易性評(píng)價(jià)，同時(shí)采用目視法評(píng)價(jià)其噴涂施工性能，采用穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)其材料穩(wěn)定性。3 種乳化瀝青礦料膠漿混合料的黏度、施工性能和穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)范要求，可確定乳化瀝青礦料膠漿混合料相關(guān)參數(shù)的技術(shù)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(yàn)結(jié)果

3.2 耐久性評(píng)價(jià)方法

在采用與乳化瀝青礦料膠漿相同的耐久性試驗(yàn)方法——黏結(jié)性和人工加速耐候性試驗(yàn)的同時(shí)，增加了耐磨性、耐水性、耐堿性、耐低溫抗裂性試驗(yàn)對(duì)乳化瀝青礦料膠漿混合料的耐久性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中，耐磨性采用《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的含砂霧封層濕輪磨耗損失來(lái)評(píng)價(jià)；耐水性、耐堿性和耐低溫抗裂性評(píng)價(jià)均參考《路面標(biāo)線涂料》（JT/T 280—2004）[16]中對(duì)耐水性、耐堿性和耐低溫抗裂性的評(píng)價(jià)方法。根據(jù)3 種乳化瀝青礦料膠漿混合料的耐久性試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表14）及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，確定乳化瀝青礦料膠漿混合料相關(guān)參數(shù)的技術(shù)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(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)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(gè)方面，對(duì)乳化瀝青礦料膠漿霧封層進(jìn)行了全面的檢測(cè)評(píng)價(jià)，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(jié)論：

（1）特種瀝青應(yīng)從高低溫性能和可加工性兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體檢測(cè)指標(biāo)可包括25℃針入度、軟化點(diǎn)、10℃延度和135℃運(yùn)動(dòng)黏度；

（2）礦料應(yīng)從比表面積和水中膨脹效果兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體檢測(cè)指標(biāo)可包括細(xì)度、密度和自由膨脹率；

（3）乳化瀝青礦料膠漿應(yīng)從施工和易性、基礎(chǔ)物性、耐高溫性能、使用耐久性和環(huán)保性能5個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體檢測(cè)指標(biāo)可包括斯托默黏度、布氏黏度、相對(duì)密度、固體含量、80℃耐熱性、黏結(jié)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(yīng)從施工和易性、使用耐久性兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體檢測(cè)指標(biāo)可包括斯托默黏度、穩(wěn)定性、濕輪磨耗損失、耐水性、耐堿性、黏結(jié)性、涂層低溫抗裂性、人工加速老化。

在具體的工程應(yīng)用中，可根據(jù)需要全部或部分選取上述檢測(cè)指標(biāo)，以便對(duì)材料質(zhì)量加以控制。本研究全部采用室內(nèi)試驗(yàn)，檢測(cè)參數(shù)的選擇和技術(shù)要求的確定需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段鋪筑和觀測(cè)來(lái)優(yōu)化和驗(yàn)證。下一步，將在全國(guó)不同地區(qū)開(kāi)展工程應(yīng)用試驗(yàn)，進(jìn)一步完善相關(guān)封層材料的評(píng)價(jià)方法。