乳化沥青粘层用油量研究及质量控制分析

孙湘俊

(广东首汇城建设计有限公司， 广东 广州　510060)



乳化沥青粘层用油量研究及质量控制分析

孙湘俊

(广东首汇城建设计有限公司， 广东 广州510060)

摘要：针对乳化沥青粘层质量难以控制的问题，通过室内剪切试验确定了沥青路面粘层乳化沥青最佳用油量。结合施工现场，通过现场检测和试验，发现乳化沥青的喷洒量达不到规范和设计要求。不同的路面层结构对应着不同的最佳喷洒量，乳化沥青的喷洒量是控制粘层质量的关键，喷洒车车速的控制是喷洒量控制的有效技术途径。有序的施工组织和良好的下卧层清理是控制粘层质量的重要方法。

关键词：沥青路面； 乳化沥青粘层； 用油量； 喷洒量； 施工质量

0前言

粘层(tack coat)是指在道路工程中，为了加强路面沥青层之间、沥青面层与基层或者沥青面层与水泥混凝土路面之间的粘结而喷洒的薄沥青层。粘层的作用是使各面层之间、面层与构造物结成一个整体，并提供层间抗剪切作用，同时还能起一定的防水效果[1-4]。也有研究表明，粘层油使得基层沥青量饱和，避免了基础从面层吸收沥青。目前主要使用乳化沥青、改性乳化沥青及热沥青等作为粘层材料[5]。我国沥青路面设计理论，以路面各结构层层间完全连续为前提，更加强调了粘层在整个路面结构中的重要性。研究表明，层间接触不良将影响到沥青面层结构的受力状态和使用寿命[6-8]。如果粘层的施工质量无保证，路面很容易发生推移、拥包、裂缝等水平剪切破坏及水损害，影响道路的服务水平和使用寿命。本文结合广东某高速公路提质改造工程，首先通过室内剪切试验确定了乳化沥青粘层油的合理用量；通过现场试验，其次对乳化沥青粘层的喷洒量和施工质量进行了检测和评估，最后提出了改善乳化沥青粘层施工质量的方法。

1乳化沥青技术特点及喷洒原则

1.1乳化沥青技术特点

乳化沥青(Asphalt emulsion)是石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等作用下经乳化加工制得的均匀沥青产品，也称沥青乳液。这种沥青乳液在常温下呈液态。乳化沥青始于上世纪20年代，经历了近百年的技术发展，产品种类很多。根据所用离子类型不同，分为阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青、两性离子乳化沥青、非离子乳化沥青。根据破乳速度的不同，分为快裂型乳化沥青、中裂型乳化沥青和慢裂型乳化沥青；根据使用方法不同，分为喷洒型和拌和型。可根据不同的路面结构、集料特性、开放交通早晚等合理选择乳化沥青类型。相比传统的热沥青材料，乳化沥青具有优良的技术经济性和节能环保性，这主要是源于乳化沥青的常温液态流动性[9]。生产和应用实践表明，在一定的应用范围和使用条件下，其社会效益、经济效益、环境效益均优于热沥青施工，具有以下特点：

1) 冷态常温施工具有节能、减排、环保、安全的优势；相比沥青材料，乳化沥青仅仅需要在使用前加热一次，据统计资料表明，使用乳化沥青修筑路面比使用沥青可节省能源50%；此外，避免了多次重复加热，减少了对沥青质量的影响。

2) 施工快速便捷、可以在短时间内开放交通。

3) 具有良好的储存稳定性。

4) 较少受气候条件制约，使用乳化沥青可以减少对天气的依赖，延长施工作业期。

5) 便于控制喷洒质量，具有很好的贯入渗透能力和粘附能力，能有效地提高道路质量；节省沥青材料，相比热沥青，乳化沥青更容易形成沥青膜，并且与碱性集料的粘附性很强。统计资料显示，乳化沥青可以减少沥青用量10%～20%。

6) 相比热沥青，乳化沥青致癌物质含量显著降低，对施工人员的健康威胁减少。

乳化沥青可以直接采购成品，施工单位也可以根据自身条件进行现场配制。但是其技术指标必须达到设计文件和规范的要求。

1.2乳化沥青喷洒原则

一般来讲，对于双层式或三层式热拌沥青混合料路面，在铺筑上一层之前，需要在下层沥青表面喷洒粘层沥青。乳化沥青的喷洒可以采用沥青喷洒车、手喷枪喷洒、也可以用小型喷洒机喷洒。粘层油的喷洒强调“遍”和“薄”[10，11]。遍是指粘层的喷洒一定要全面彻底，不能留有任何漏铺、少铺的地方。在喷洒车无法喷洒到的边角，应采用手喷枪喷洒；在路缘石、雨水口、检查井等，应使用刷子人工涂刷。薄则意味着乳化沥青作为粘层油，在满足设计要求的前提下，粘层厚度应尽可能小，以期满足经济性要求和降低粘层本身对路面结构的影响。喷洒过量处，应予以刮除。一般情况下，乳化沥青粘层油的喷洒量为0.2～0.8 kg/m2，具体可以根据乳化沥青的浓度及路面层的结构进行调整，但必须确保整个面层上覆盖有不少于0.2 kg/m2的残留沥青连续封层。尽管乳化沥青粘层是沥青路面结构中极其微小的一部分，但是在路面经受车辆交通荷载、风吹日晒等的力学作用和气候作用过程中起着巨大的作用。

2乳化沥青粘层室内剪切试验

粘层油的用量与路面结构和铺装材料有关。粘层油并非越多越好，不同的路面结构和面层材料对应着不同的粘层油最佳用量，在最佳用量下，层间结合状态最紧密，层间抗剪强度达到最大。粘层油过多或者过少，都会影响层间结合状况。粘层油用量不足，则不能提供足够的层间结合；粘层油使用过量，则形成层间富油层，增加层间相对滑移，反而降低层间结合。本工程采用的为阳离子快裂型乳化沥青，技术指标见表1。

表1 乳化沥青技术指标类别筛上残留物(1.18mm筛)/%微粒子电荷恩格拉粘度计E25(粘度)标准粘度计C25.3(粘度)/s残留物含量/%残留物针入度(25℃)/(0.1mm)残留物延度(15℃)/cm储存稳定性/%1d5d测值0.02阳离子(+)4145269>1000.73.6技术要求≤0.1阳离子(+)1～68～20≥5045～150≥40≤1≤5(T0652)(T0653)(T0622)(T0621)(T0651)(T0604)(T0605)(T0655)(T0655) 注:括号内为试验方法。

一般采用拉拔试验和剪切试验来确定层间粘层油的最佳用量[12]。路面结构在服役过程中，不仅受到车辆的竖向荷载，还受到来自车辆刹车、起步等施加的水平力作用。为了更加符合现实的路面状况，采用了长沙理工大学自主研发的层间剪切装置(专利号：CN102519808B)进行层间粘层油最佳用量的确定。该试验装置设置了试件倾角来模拟水平力和竖向力的综合作用。倾角根据水平力与竖向荷载大小反算确定。试验装置如图1所示。

图1　层间剪切试验设备

根据路面结构分别采用5 cm SMA13上面层+粘层油+5 cm AC20中面层，和5 cm AC20中面层+粘层油+5 cm AC30下面层来分别研究上面层和中面层，及中面层和下面层的粘层油最佳用量。试验方案采用5个粘层油用量0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 kg/m2，试验温度为25 ℃。室内剪切试验结果如表2所示。

剪切强度与粘层油用量的关系见图2，用二次多项式进行了拟合，相关性良好，相关性系数达到0.94以上。计算二次函数的极值，得到剪切强度最大时，SMA13+AC20和AC20+AC30的层间乳化沥青用量分别为0.815 kg/m2和0.593 kg/m2，此用量即为2种路面结构的最佳粘层油用量。

表2 不同粘层油用量的剪切强度乳化沥青用量/(kg·m-2)剪切强度/MPaSMA13+AC20AC20+AC300.20.250.420.40.390.530.60.500.600.80.620.511.00.530.391.20.430.26

图2　不同粘层油用量的剪切强度

已有国内学者研究表明[2]，最佳粘层油用量受不同的路面结构、路面材料、沥青混合料级配、温度条件的影响。一般来讲：乳化沥青的最佳用量温度较低时比温度高时要大；SMA路面层间最佳用量>SMA与AC路面层间最佳用量>AC路面层间最佳用量，这主要是因为SMA为密实骨架型结构，有更大的孔隙率，所以需要更多的乳化沥青来填补空隙，同时SMA结构构造深度、摩擦系数更大，在最佳乳化沥青喷洒量时其剪切强度也越大。

3粘层施工质量控制

3.1粘层油喷洒量试验

乳化沥青的喷洒量是影响粘层质量最重要的因素。喷洒量过少，不足以形成足够的层间抗剪强度，粘层失去效应；喷洒量过多，会形成自由沥青，增加竖向及水平相位移，反而降低层间抗剪强度[13]。过大的喷洒量还会延长破乳时间，一旦水分尚未蒸发完全便进行上面层施工，将留下严重质量隐患。为了检测乳化沥青粘层施工质量，进行了AC20中面层+AC30下面层层间乳化沥青粘层喷洒量和残留度实验，试验过程参照《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)[14]。考虑到喷洒过程中的不均匀性，除了采用搪瓷盘或牛皮纸进行检测，也可采用喷洒车沥青总量与喷洒总面积相除来计算。

表3显示，测得的最大喷洒量为0.406 kg/m2，选取2、3号喷洒量(二者差小于10%)计算均值为0.343 kg/m2。均小于最佳沥青用量0.593 kg/m2，也小于质量控制文件提出的“0.5～0.8 kg/m2”的喷洒量。

表3 乳化沥青粘层油喷洒量组号盘重/kg盘和乳液总重量/kg乳液重量/kg盘面积/m2喷洒量/(kg·m-2)10.52280.58540.06260.1540.40620.53100.58600.05500.1540.35730.50000.55060.05060.1540.329 注:1、2、3号盘按照行车方向排列,即1号盘离喷洒车最近。

由表4可以看出，残留分含量均值为49.67%，略小于规范要求的50%，也小于室内试验的结果。这主要是由于现场试验与室内试验条件差异所引起的。如果换算成乳化沥青残留沥青喷洒量则分别为0.199、0.185、0.158 kg/m2。结果显然偏小。

表4 乳化沥青残留分含量组号容器及玻璃棒质量/g容器、玻璃棒及乳液质量/g容器、玻璃棒及残留物质量/g乳化沥青的残留分含量/%残留分含量均值/%168.4324.5194.249.12239.2179.4111.951.8549.67340.5224.5128.948.04

3.2喷洒量影响因素分析

影响乳化沥青喷洒量的两个主要因素是喷洒流量和行车速度。乳化沥青从喷洒车以一定的流量喷洒，同时汽车以一定的速度前行，二者结合决定了最终的喷洒量。因此在正式喷洒之前必须进行相应的试验性喷洒，以确定最佳的喷洒流量和行车速度。根据现场观察，乳化沥青的喷洒流量是比较稳定的，一经调试完成可以认为是恒定的。但是行车速度却是难以精确控制的，司机在行驶过程中对车辆速度的控制存在着一定偏差，同时行驶条件也会对行车速度造成影响，比如坡段和转弯路段等均会对车辆速度造成影响。从表3可以看到喷洒量从1号盘至3号盘逐渐减小，其主要原因就是喷洒车在喷洒过程中行进速度在不断加快。考虑到测试地点是在弯坡段，出现这种速度不均衡的情况也是难以避免的。这也从侧面说明了施工过程中加强施工质量控制的必要性和重要性。因此在乳化沥青的喷洒过程中，必须严格控制车速，以保证粘层油的喷洒量和喷洒的均匀性。

针对喷洒量不足的问题，提出对喷洒量不足的地方，使用人工或者小型机具进行局部补洒，而不要使用喷洒车大规模喷洒以免过量，对喷洒过量的地方应进行刮除。笔者所在工程段采用了4 cm SMA13(上面层)+10 cm AC20(中面层)+20 cm AC30(下面层)的加铺结构形式，设计文件和施工方案中仅仅指明乳化沥青喷洒量为0.5～0.8 kg/m2，笔者认为在施工过程中，应根据不同的路面结构明确不同的乳化沥青喷洒量。SMA上面层与AC中面层之间的喷洒量可以比AC中面层与AC下面层之间适当增加，以期得到更好的层间结合状态。

4粘层其他质量问题

道路工程的施工是各工种协调交叉作业的综合过程，其他诸多因素都会影响着乳化沥青的喷洒量及施工质量，根据调查资料和现场情况，主要有以下几个问题。

4.1层间污染

实际施工过程中，施工车辆不断出入乳化沥青粘层喷洒区域，造成车辆轮胎沾粘乳化沥青而造成层间污染并破坏粘层油。主要原因是交通管制不得当造成施工车辆误入新近喷洒区，或者现场施工组织设计安排不合理导致粘层油喷洒与上面层铺筑时间间隔过长而产生污染。如图3、图4所示。

图3运料车驶过喷洒区

4.2不均匀喷洒

喷洒不均匀是粘层油施工过程中又一病害。现场观察发现，在乳化沥青的喷洒过程中，乳化沥青没有均匀的呈喷雾状喷洒出来，造成喷洒时局部区域出现粘层油堆积，部分区域出现镂空或者丝缕状。如图5、图6所示。

图5出现条状镂空

4.3下卧层清理不到位

保持下卧层清洁、干燥对粘层的粘结作用至关重要。为了保证粘层油粘结在路面层而非被松散物所吸收，应当对下卧层进行彻底的清理。同时，应根据需要对下卧层中进行平整，以保证粘层油能均匀地粘附在下卧层上。当粘有土块时须用水冲刷干净，待表面干燥后喷洒。喷洒沥青材料的气温不应低于10 ℃，大风、浓雾、下雨或者路面潮湿时不得施工。如图7、图8所示。

图7下卧层局部凸起造成粘层油流失

5结语

本文对沥青路面层间乳化沥青粘层的最佳用量进行了室内试验，并对实体工程中粘层油的喷洒量和施工质量进行了现场调查。主要结论如下：

1) 不同的路面结构对应着不同的乳化沥青粘层油最佳用量，根据室内剪切试验确定了上面层和中面层、中面层和下面层的层间粘层油最佳用量分别为0.815 kg/m2和 0.593 kg/m2；应根据路面结构、铺装材料和环境温度，对不同的层间粘层油用量进行差别化设计。

2) 乳化沥青的喷洒量决定着粘层的质量，过

多或者过少的喷洒量均不能使粘层达到最佳效果。在影响喷洒量的各因素中，重点在于控制行车车速。并根据不同的路面状况和道路线性及时调整，以达到最佳喷洒效果。喷洒车应定期对喷头进行检查，保证各喷口无堵塞现象，粘层油喷洒均匀，对喷洒量不足的地方进行补洒，喷洒过量的地方进行刮除。

3) 根据现场情况安排好施工组织，合理管制交通，避免施工车辆或者沿线附属工程对粘层产生污染。派驻专人对粘层区域进行看管，及时清除污染物。

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文章编号：1008-844X(2016)02-0063-04

收稿日期:2016-01-07

作者简介:孙湘俊( 1984-) ，男，工程师，主要从事道路设计和施工管理工作。

中图分类号：U 416.217

文献标识码：A