新型霧封層材料的制備及性能研究

馮雷雷

(楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100)

截至2020年底，全國公路通車總里程達519.81萬公里，其中高速公路通車里程16.10萬公里，居世界第一。隨著交通量的劇增，很多瀝青路面在重載甚至超載以及包括溫度、光照等外界環境在內的眾多因素的綜合作用下，僅使用5～10年就出現早期損壞的現象。另外，新建的瀝青路面通常具有較大孔隙率，水和空氣能夠輕易滲透到路面中，造成水損害。預防性養護能夠在路面結構強度沒有被破壞的情況下，有效延長道路使用年限，節約養護成本，變被動養護為主動養護。目前我國主要的預養護技術有：裂縫修補、霧封層、稀漿封層、微表處、薄層罩面等。

霧封層技術是一種將常溫下的液體養護材料以霧狀形式噴灑在路面上，形成很薄的一層路面保護層，補充輕質組分，還原老化瀝青，黏結松散集料，以達到改善瀝青路面外觀、封閉縫隙防止水損害和延長路面使用壽命等功能的養護技術。研究表明，霧封層具有造價低、施工簡便快捷、道路封閉時間短的特點。一般在瀝青路面使用1～4年后實施霧封層養護，可以延長路面壽命2～4年。霧封層技術已在國外普遍應用，但是在國內高速公路使用較少，對其材料性能指標和試驗方法的研究幾乎處于空白，其施工工藝和質量控制也沒有翔實的規范要求[1]。

1 適用時機

霧封層技術的使用要滿足瀝青路面預防性養護時機的基本規律，養護時機選擇得恰到好處，養護效果及經濟效益就好。目前，路面預防性養護時機主要依據路面維修養護的方法來確定，主要有基于路況(PCI)的方法、行駛質量指數和破壞法、費用效益法、壽命周期效益評估法等[2]。霧封層預養護的主要功能是改善舊瀝青路面的摩擦系數、滲水系數及構造深度等指標，對原路面的結構強度沒有改善作用，所以原路面應具有足夠的剛度和強度(反復荷載情況下不能發生嚴重的剪切和彎拉破壞)、良好的熱穩定性、整體水穩定性、表面整潔、平整度高。

2 作用機理

噴灑新型霧封層材料的霧封層技術主要起到密封表面孔隙、再生表層瀝青的作用，同時具備改善路容路貌、固結路面輕微松散的功能。

密封機理：新型霧封層養護材料是一種滲透性較好的溶劑型材料，常溫狀態下具有良好的流動性，可以均勻地在裸露集料表面形成一層薄膜，或在集料間的坑洼處聚積，形成較厚的瀝青膜，有效封閉表面的孔隙，最大程度地減少水和空氣進入，減緩因此造成的不利影響。按照表面能理論、相似相溶理論、Hansen溶解度參數理論解釋，養護劑材料通過微小孔隙滲入路面結構中，將老化瀝青還原，同時新、老瀝青結合成一個穩定的整體，它們保持著對溫度相同的變化率，緊密地結合在一起[3]。

再生機理：新型霧封層材料含有再生劑組分，通過滲透和擴散作用，與老化的瀝青融合，補充其中的芳香分和膠質成分，使老化瀝青組分重新調和，根據相容性理論使老化瀝青的性能出現逆方向變化，達到一定水平上的性能恢復。

3 霧封層材料

霧封層技術中，霧封層養護材料是關鍵，起著決定性作用。傳統霧封層材料有乳化瀝青和改性乳化瀝青，瀝青乳液破乳后，在路面上形成一層薄膜。新型霧封層材料含有的再生組分具有很強的滲透性，能夠迅速滲入路面表層，恢復再生瀝青路面表層老化瀝青，含有特有的功能助劑，可以加強再生后的瀝青對松散集料的黏結力。

新型霧封層養護材料越來越受到人們的關注，如美國研制的PDC，主要由軟瀝青質的石油再生劑、精制煤焦油和特制煤焦混合油等三種成分合成，在不改變瀝青表面結構的情況下就能起到密封作用，降低面層瀝青混合料的空隙率，阻礙水的滲透破壞作用，同時可增強溫度穩定性，從而延緩瀝青路面的早期破壞。丹麥經過10多年研究和試驗成功的高科技材料——魁道瀝青復原劑CAP，即瀝青再生王，以其優越的性能在歐洲多個國家的公路上得到了廣泛應用，我國先后在吉林、山東、云南等地區試驗應用，均取得了良好效果。國內上海匯城建筑裝飾有限公司成功研制AWP-3000強滲透性瀝青路面霧封層涂料——HAP高性能瀝青混凝土路面防護劑。貴州橋梁總公司、重慶智翔道路工程有限公司聯合重慶市交科院等單位對霧封層技術的主要施工材料進行了實踐性的研究，取得了突破性的研究成果[4]。應用研究顯示，目前國內新型養護材料的開發數量較少，且性能與國外還存在一定差距。

4 材料性能

研發一種新型養護材料，其性能如何既要進行室內性能試驗研究，還要進行試驗路段性能研究。室內試驗研究可進行物理性能參數、霧封層材料與粗集料粘附性、再生性能等研究；試驗路段研究可進行防水性能檢測、滲透性能檢測、抗滑性能檢測等。霧封層材料的物理性能參數，如密度、布氏黏度、蒸發殘留物等的測試方法，可參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)。霧封層施工質量驗收標準可參照我國瀝青路面驗收規范進行，根據《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80/1—2017)，檢測結果應滿足表1中的質量要求。

表1 霧封層施工質量驗收標準

4.1 與粗集料粘附性

霧封層材料噴灑到路面后，能在2至3年內保持養護效果。這要求材料具有合適的黏度，既能滲透一定深度，又不能滲透過深，造成經濟浪費。其次若粘附性太差，其在車輪的磨耗作用下會很快損耗，不能保證長期的養護效果。霧封層養護材料自身黏度的測試參照瀝青標準黏度試驗法《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程JTG E20—2011(T0621)》，其自身黏度要符合快裂和中裂型乳化瀝青對標準黏度C25，3在8 s～25 s的要求，此時養護劑在使用后可擁有適宜的滲透深度，既能封堵裂縫，也不至于滲透過深[4]。對養護劑與粗集料粘附性的測試，可按照乳化瀝青與粗集料粘附性試驗方法——水煮法進行，檢驗是否能與粗集料表面保持良好的粘附性。

4.2 再生性能

新型霧封層材料應對路面中的老化瀝青具有再生功能，以恢復瀝青路面的使用性能，因此需要進行再生性能的檢驗。試驗方法采用瀝青旋轉薄膜加熱試驗：將材料加入經薄膜烘箱加熱老化后的瀝青中或加入回收的老化瀝青中，對比摻加前后瀝青的針入度、軟化點、延度和黏度的變化。試驗及檢測參照JTG E20—2011(T0604、T0605、T0606)的規定執行。

4.3 路用性能

為了驗證霧封層技術在瀝青路面養護中的實際效果，須用一段瀝青路面實驗路段做工程實體試驗，使用霧封層養護材料，依據霧封層施工質量驗收標準進行霧封層施工，對施工前后情況進行綜合評價。

滲水實驗測試滲水系數：實驗所用的主要設備是路面滲水儀，另外需要一些密封材料、水和秒表等,實驗步驟按照《公路路基路面現場測試規程(JTG 3450—2019)》規范中T0971—2019的實驗方法嚴格進行。

擺式儀測試抗滑值：實驗所用的主要設備是擺式儀,另外需要灑水壺、路面溫度計、橡膠刮板等,實驗步驟按照JTG 3450—2019規范中T0964—2019的實驗方法嚴格進行。

鋪砂法測試構造深度：實驗所用的主要材料及設備有標準砂、量砂筒、推平板、卷尺等,實驗步驟按照JTG 3450—2019規范中T0961—2019的實驗方法嚴格進行。

取芯試驗：使用霧封層材料對試驗路段養護通車7天后，在試驗段樁號處各鉆取一個芯樣，立即封裝帶回實驗室，測試養護劑的平均滲透深度，實驗中須用到取芯機，按照取芯機的操作進行。

5 結束語

國外很早就應用了霧封層預養護技術。美國于20世紀60年代開始對霧封層技術進行研究，最早應用于軍用機場路面，直到80年代才開始轉為民用。2006年加拿大經過十年檢驗取得了良好效果。我國應用霧封層技術起步較晚，對其材料性能指標和試驗方法的研究幾乎處于空白，其施工工藝和質量控制也沒有翔實的規范要求，基本上參照國外發達國家。特別是國內新型養護材料大多數從國外引進，價格昂貴，加上運輸費、關稅、增值稅等，用戶需支付費用較高，所以除少量試驗外，實際上并未大面積應用。

霧封層技術的核心是新型養護材料的研發，這種材料需要具有較強滲透性、防水性、與粗集料表面保持良好的粘附性，更重要的是具有良好的再生老化瀝青的性能及延緩瀝青老化的抗老化性能，施工方便、環境污染少、道路封閉時間短、道路交通障礙所引發的經濟損失少。因此，自主研發出高性能、低成本的新型霧封層養護材料，大力推廣霧封層預養護技術對延長道路的使用年限、節約養護資金及保護環境具有十分重要的現實意義。