雾封层在高速公路预防性养护上的应用.docx

雾封层在高速公路上的应用张泽星2016年3月雾封层在高速公路上的应用近年来，随着我国经济的快速发展，客货运量迅猛增长，导致高速公路路面压力逐年增大。许多已建成的高速公路因交通量大、车辆超载等原因，远未达到设计使用年限就产生了或多或少的早期损坏。早期损坏降低路面承载能力，严重缩短路面使用寿命。而雾封层技术能有效修复早期损坏，从而延长路面使用寿命。雾封层是指将乳化沥青、改性乳化沥青通过精密的喷洒设备喷洒于出现早期损坏的高等级沥青路面上以封闭早期微裂缝及路面的预防性养护技术。雾封层能为道路迅速提供一个黑色的表面；能封闭道路表面的孔隙及微裂缝，防止水分和空气进入，并且愈合3mm以下的微裂缝；能快速的开放交通，降低施工对道路交通状况的影响；在各种预防养护施工中，其寿命周期内节约的养护总费用最低、效率最高。因此，国外一些发达国家已广泛应用。一、 预防性养护（一）预防性养护的理念预防性养护概念是美国 20 世纪 90 年代初提出的，其有别于传统的道路养护理念。一是让状态良好的道路保持更长时间(Keeping Good Roads Good)；二是在正确的时间，用正确的方法，在正确的路段进行养护(The Right Treatment， on the Right Road， at the Right Time)；AASHTO 对预防性养护最新的定义为：预防性养护是一种在路面状况良好的情况下采取的对现有道路系统进行有计划的、基于费用、效益的养护策略，预防性养护在没有提高路面结构能力的情况下，延迟路面的损坏，维持或改善路面现有的通车条件，通过延长原有路面的使用寿命来推迟昂贵的大修和重建费用。预防性养护起步于国外，从概念的提出到目前的发展，其核心理念除了维持路网较好的服务水平，延迟路面大中修外，更有平衡路网开支，节约养护成本的要求，因此可以将实施预防性养护的理念概括为效益和费用的问题。作为这种理念的重要组成，预防性养护的经济效益分析应是预防性养护研究的重要方面。（二）高速公路预防性养护的意义（1）可以有效地降低高速道路的寿命周期成本一般而言，高速公路的寿命周期成本，主要是指初期的修建费、高速公路路面结构使用寿命以及预定分析期之内可能用发生的维修费用。高速公路维修方案，主要是指各类养护措施及改建措施的组合。根据美国公路行业研究机构对高速道路使用性能及其寿命的调查和研究发现，即便是一条质量等各方面都达标的道路，其使用寿命中四分之一的时间内，道路的各项性能指标会下降百分之四十。实践中，我们称之为预防性的养护阶段。（2）可以有效地提高道路的服务质量随着国民经济的不断发展和入民生活水平的不断提高，交通量也随着不断地增长着，这给高速公路带来了极大的压力，车主们对高速公路的运行环境也提出了更高要求。传统的。反应型养护方式。即当高速公路出现严重病害的时候，才采取相关补救措施，已经不能满足并适应快速发展的城市经济与日益增加的道路交通需求了。转变传统的高速公路养护方式，从而做到防患于未然。在高速公路刚出现病害时，要及时采取一些有效的预防性措施予以修护，从而保证高速公路路面行车的安全性与舒适性。若在高速公路病害较严重时维修，不仅养护资金会大大的提高，还会造成交通的拥堵影响到维修入员的自身安全。（3）利于加强高速公路安全运营高速公路车辆的特点是行车速度快、车流量大。安全工作是高速公路营运的重要课题。若高速公路路面出现微小的功能性病害时，不及时采取有效的措施予以修护，当前蔓延时，才采取相关维修措施。这在一定程度上大大增加了维修工作的工作量，作业时间，易造成交通堵塞，甚至引诱发生交通事故。二、 高速公路沥青路面早期微裂缝（一）早期微裂缝的形式沥青路面开裂是沥青路面最普遍的损坏现象之一，也是沥青路面早期损坏的一种主要形式，裂缝的成因也是各种损坏形式中最复杂的。裂缝可分为纵向裂缝、横向裂缝、龟裂等。微裂缝多属局部裂缝，一般在路面使用35年后发生，其表现多是细线状裂缝。早期微裂缝的形状有以下2种：1）发状或条状：不需要放大即能发现的路面条状裂缝。当沥青路面较薄时，将成为贯穿裂缝。2）反射裂缝：由于基层开裂，反映至沥青面层而出现的条状裂缝，也称反射裂缝。按其在路面上的表现形式，也可分为纵向裂缝和横向裂缝。缝宽较小，一般都小于5。（二）裂缝形成原因及其危害裂缝成因主要从材料及交通气候条件等方面考虑。材料方面，影响裂缝成因主要取决于沥青混合料的性质、沥青的低温劲度模量及级配，其中沥青的劲度模量是决定是否开裂的根本因素。此外，沥青面层的加厚可以减少裂缝的产生，优良的施工质量也可有效降低裂缝率。微裂缝在行车荷载、水及气候环境的综合作用下，其裂缝边缘集料散落，使裂缝的宽度加大，进一步损坏并发展成块裂、龟裂、不规则裂缝等；同时，裂缝的密度不断增大，水分更易渗入微裂缝中，降低路面结构强度，与交通荷载、气候共同作用，导致剥落、松散、卿泥、坑槽，产生新的裂缝并使原有微裂缝更加严重，甚至导致基层或路基产生冻胀、翻浆等，严重影响路面的使用寿命和结构稳定性。因此应在微裂缝时期，采取有效措施封闭微裂缝，以节约成本和资源，延长路面使用寿命。雾封层技术就是有效措施之一。三、雾封层（一）雾封层技术施工概述1.施工特点雾封层技术是一种新型的沥青路面养护技术，在国内使用不多。其所用材料为浓度50、左右的乳化沥青，可大大节约沥青用量。此外，热沥青需要加热到较高温度，会消耗大量能源，而乳化沥青加热温度较低，可节约能源，因此雾封层技术成本较低。乳化沥青流动性大，快速渗入路面表层和集料缝中，填补微小裂缝和空隙，使表层老化沥青再生，防止路面材料进一步老化，从而使路表沥青材料的性能得到恢复，使集料和沥青胶结料粘结紧密，起到防水和抑制松散的作用。雾封层可降低因裂缝渗水而引起的水损坏，使路面焕然一新。为解决原路面雾封层施工后路面摩擦因数降低的问题，补撒铁钢砂可以增大路表面的粗糙程度，起到提高路面摩擦因数、保证行车安全的作用。该工艺施工机具简单、施工速度快，开放交通早。沥青路面经过雾封层技术处治后，可更新和保护旧氧化沥青路面，封闭微裂缝和填补表面空隙，使低温下的路面免受损害，加深沥青路面的颜色，加大沥青路面与标线的对比度，美化沥青路面，防止路面松散，延长沥青路面使用寿命。2.技术原理乳化沥青雾封层喷洒机喷洒于路面后可封闭微裂缝。大致需要经历乳化沥青流入微裂缝中及乳化沥青破乳2个过程。1）乳化沥青流入微裂缝的过程（1）乳化沥青如何流入微裂缝缝隙乳化沥青是水与沥青在乳化剂的作用下相混合而成的乳状液。假设乳化沥青中的沥青与水是均匀混合的，此时，若不考虑该流体的粘性，则乳化沥青为理想的不可压缩流体。选取路表面的微裂缝面及乳化沥青流人微裂缝中最低面为过流断面，假设微裂缝由无数个竖向的圆柱体组成，由于缝隙内流体流动的雷诺数很小，因此可认为此流动属于层流。如图l所示， 乳化沥青的流动可认为是定常流动。当乳化沥青经喷洒器喷洒后，在过流断面A时，设此时乳化沥青的流速为A。方向垂直过流断面A向下(总的流向是从过流断面A到B向下流，因此不考虑水平向的流速)，乳化沥青的比重为，根据总流伯努力方程可得PA+ZA+A2A2g=PB+ZB+B2B2g+hlA-B （1）等式左边：PA代表A过流断面上的单位重量乳化沥青的压力；ZA代表单位重量乳化沥青的势能；A2A2g代表单位重量乳化沥青具有的动能，其中a为动能修正系数，指单位时间通过过流断面的实际流量与按平均速度计算的流量的比值。断面流速分布均匀时，=1；流速分布不均匀时，取1，这里去=1。等式右边前3项的意义等同于等式左边，其中hlA-B表示A、B两断面间单位重量乳化沥青的流动能量损失。选取路表面为零势能面，即过流断面A为零势能面，在过流断面B上时，乳化沥青的流速为0，则公式（1）可变为：PA+2A2g=PB+ZB+hlA-B （2）式中，ZB为位置势能，因此ZB=HB。HB为乳化沥青流入微裂缝的深度，即过流断面A与B的垂直高度，就是乳化沥青流人微裂缝中的深度。（2）乳化沥青在微裂缝中的渗透深度由公式（2）可知乳化沥青流人微裂缝中的深度表达式为：HB=PA+2A2g-PB-hlA-B （3）由公式（3）可知， HB是及P的函数，A断面压强P越大，渗透深度HB越大；速度越大，渗透深度HB越大。同时乳化沥青流动能量的损耗 hlA-B影响乳化沥青的渗透深度，而与乳化沥青的材料性能，即沥青的性能有关。一般而言，沥青的粘度越大，渗透深度越小；沥青的浓度越大，渗透深度越小。当掺加渗透剂时，渗透剂的添加量越大，渗透性能越好，针人度较大的沥青比较小的沥青的渗透性能好。因此在制作乳化沥青时，一定要选择较好的沥青。2）沥青的破乳作用当沥青流入微裂缝中之后，就会与结构层中的集料粘结在一起。在气温、时间的综合作用下，沥青乳液之中的水分逐渐蒸发，经过一系列的作用，最终在集料表面形成连续的覆盖膜，并分解破乳。其破乳机理主要有表面能理论、电荷吸附理论和相似相溶理论。（1）表面能理论。从微观角度出发，当乳化沥青与集料接触时，乳化沥青在两者之间的接触面上将形成定向排列的亲水基，由于亲水基与矿料有着极强的相互吸引作用，使得乳化沥青紧紧地吸附在集料的表面。（2）电荷吸附理论。集料属于带电体的一种，其电荷主要来自集料表面活性成分的电离作用，以及矿料表面的相互吸引。一般来说，集料会在水的作用下产生电离，酸性集料在电离之后将会形成的表面带负电荷的带电体，而碱性集料在电离之后会形成表面带正电荷的带电体。（3）相似相溶理论。沥青与乳化剂都属于有机物，含有相同的碳酸基，所以随着水分的蒸发，在同性质相溶的机理下，乳化剂与沥青相溶；或者乳化剂分子逐渐离开乳化沥青表面聚结在一起，由于高度的自粘性相互结合而溶为一体。3.适用范围雾封层技术能改变原路面的防水性能、平整度和抗滑性能，并改善外观。但是雾封层施工后只能在原路面上形成一层薄膜，并不能改变原路面的结构强度，也不能增加原路面的结构承载力，因此通过雾封层施工后仅能略微改善路面，对路面的稳定性改善不大，也不能改变路面的结构状态，只能修补轻微裂缝、轻微松散等病害，对结构病害没有显著效果；能够有效的封水，有效的降低施工后的渗水系数。雾封层施工技术要求原路面具有足够的强度和刚度，不会产生残余变形以及剪切和弯拉破坏，并具有良好的整体稳定性且表面平整、清洁。雾封层施工主要用于路面出现早期微裂缝、表面集料松散、麻面及路面渗水严重等一些早期破坏，并且路面综合质量指数在良及良以上。具体主要用于以下几种具体情况：n 当路面出现13mm微小裂缝后，可以不预先处理就能直接采用雾封层技术施工，但是较严重的网状裂缝应预先处理，稳定后再采用雾封层技术施工；n 当原路面出现松散、麻面、沥青剥落或老化但是道路整体结构强度较好时，可采用雾封层能有效粘结松散集料，修复老化沥青，改善外观；n 当路面渗水系数增大，渗水严重但是结构强度仍然完好时，可采用雾封层有效的防治路面渗水。（二）雾封层的材料要求雾封层所用材料一般为高渗透性、强粘结力的特殊沥青，应具有较好的耐磨性、良好的防水性，可分为水稀释型乳化沥青和溶剂稀释型特殊沥青。为达到使用效果一般采用溶剂稀释型沥青作为雾封层材料。1.水稀释型乳化沥青水稀释型乳化沥青的主要原材料为乳化沥青、水、胶乳和成膜剂，另外可根据需要加入一定量的添加剂。乳化沥青必须采用阳离子类型，一般选择快裂型。材料按照一定比例混合后的雾封层用材料应符合表1所列技术要求。表1雾封层用水稀释型乳化沥青材料的技术要求检测项目单位技术要求温度50密度（25）g/cm31.04恩格拉粘度（50）s50有效物含量50旋转粘度（25）MPas500闪点100渗透深度mm5粘结强度MPa0.52. 溶剂稀释型特殊沥青溶剂稀释型特殊沥青是一种防护封层剂，采用特殊沥青、高效助粘剂和防水油等材料制成。它具有良好的渗透性，可有效封堵路面上的微小裂缝，其采用特种沥青添加一定的高效助粘剂，形成既坚硬又富韧性的保护膜，夏天不软化，冬天不开裂，并具有牢固的粘结力和耐磨性，活性成分可延缓路面的脆化和老化。表2雾封层用溶剂稀释型特殊沥青材料的技术要求检测项目单位位技术要求粘度50/45密度（15g/cm30.91干燥时间小时14闪点40.5挥发残留物含量55含水量0粘附性（干燥表面）/极佳（三）雾封层施工工艺雾封层施工工艺流程如图1所示。喷砂雾封层采用专业的喷洒设备或人工喷洒工具进行喷洒。当局部路面出现结构性损害时,必须对结构性损害进行修补,然后才能进行雾封层施工。图1 雾封层施工工艺流程1.施工准备1）确定最佳喷洒时间和现场洒布量最低的路表和空气温度为 15，或者大风、高温和潮湿等因素均会影响乳化沥青材料破乳速度。下雨之前不可实施雾封层工艺。喷洒时间节点均与以上有关。喷洒量是关键因素。喷洒过多，会造成路面摩擦因数降低较多，造成路面打滑，影响行车安全 ；过少则起不到应有的作用。对于具体的工程，其路面状况、交通量和所处气候条件等均会有所差异，因此需要在施工前确定适宜本次工程的施工喷洒量。其确定方法为目测法，方法如下所述。将 1 L 雾封层材料均匀地喷洒于 1m2的路表面，肉眼观察雾封层材料在路表面的渗透情况。如发现有较多余留，没有渗入到路表中，则降低用量，在新路面上重新喷洒观察，直到雾封层材料大致渗入路表中 ；如观察到路表还可以吸收更多的雾封层材料，则加大用量，同样在新路面上重新喷洒观察，直到雾封层材料出现不能再渗入路表中为止。此时的雾封层材料用量为本次工程的标定用量，并需多次现场洒布和经业主工程师现场认可，确定实际路面的最佳洒布量。2）检验施工方案、施工设备组合的合理性施工前编制施工组织设计，确保施工方案的可行性。检查所需雾封层材料和施工设备的准备情况。施工时雾封层材料适宜的温度不超过 50。检测洒布车的运行情况，确保喷洒棒的高度能自由调整，并保持喷嘴通畅。确认施工所需的配套工具扫帚等是否就绪。2.原路面处理雾封层施工前原路面应处于洁净、干燥状态。在进行雾封层施工前，用清扫器、压力吹风机或用水清除路面尘土、杂物，在路面干净干燥后施工，水洗路面一般经过 24 h 后施工 ；当路面有大块油污时，应将其清除，以保证雾封层材料与原路面的粘结；如路面存在裂缝、剥落、坑槽或松散等病害，则先完成裂缝封缝、坑槽修补等处理。3.雾封层的洒布雾封层材料均可通过一般的沥青洒布车来完成，个别新型材料需要通过其特定的施工洒布机械或人工来完成。沥青洒布车主要通过喷嘴系统转速、喷洒棒高度、喷嘴间距等来控制雾封层材料洒布量。洒布量按施工经验和现场路面状况，标定洒布量。以 1 条车道 200 m 为 1 个工作段落，按照设备标定数据和现场试验验证的数据进行喷洒，保证实际喷洒量符合要求。洒布时将装好料的洒布车开至施工起点，对准走向控制线，清理喷嘴，调整喷杆高度、喷嘴开度、喷洒压力。为保证平整的起点和良好的外观，洒布前，可在起点处铺垫 1 块油毡。当洒布机前进后，将油毛毡取走，对于标线附近处局部不利于机器洒布的地方，使用人工喷涂。4.雾封层施工质量控制1)接缝施工雾封层施工中，控制好横向接头衔接，避免过多过密接缝，处理不好将影响外观或导致局部多油。要尽可能减少横缝的数量，减少停机时间。当洒布机所携带的材料已经用完时，下一车的摊铺应从上一车的终点倒回 24 m 的距离，铺好油毛毡再开始洒布，洒布后，取走油毛毡。起点处施工应在起点处铺垫 1 层塑料布，当洒布机前进后，取走塑料布保证整齐的起点。2) 局部地段人工洒布局部路段不适于机械摊铺，须通过人工洒布来完成，或抹灰滚筒来完成。涂层以 2 遍为好，基面清理后施工第 1 遍涂料，以保证涂料能充分渗入沥青表面的毛细孔，形成防水层。待第1 遍涂料实干后施工第 2 遍涂料。施工均匀，涂料不堆积、不漏涂，确保无遗漏点和面。3）特殊天气施工温度、湿度和风力都会影响封层材料的破乳，影响养生时间，施工过程中应该做好温度、湿度、风力及养生时间的记录。气温低于10、路表温度低于15、雨天以及施工养护期可能降雨时不得施工。下雨后，待路面干燥后施工，施工过程中遇雨时应立即停止施工，被雨冲掉的涂料，在路面干燥后应重新洒布。雾封层施工完后，须待乳液破乳和成型后才能开放交通。正常情况下，雾封层在施工完后4h左右才能开放交通。因此，雾封层养护期间，仍须严禁任何车辆和行人进入，否则将影响雾封层的成型效果。雾封材料实干后，须进行渗水系数、摩擦系数检验，只有当摩擦系数达到养护规范中的良好等级要求时，才能开放交通，否则需采取撒细砂进行处理后方能开放交通。（四）雾封层技术应用效果及效果检测1.外观效果在施工前，原高速路面经使用后路面集料已经松散，表层沥青膜已经脱落，粗集料己经没有了足够的粘结力。在行车荷载的不断作用下,缺少粘结力的粗集料极容易出现松散、坑洞、裂缝的破坏现象。在施工后，原路面外观颜色出现了很大的改变。路面微小裂缝和表面孔隙被封闭,在路表面上形成了一层浙青薄膜,使路面抵抗低温能力有所加强,起到了保护路面的作用。原路面由灰白色变成了深黑色,路面与标线的对比度变明显,路面变得更加美观。同时,雾封层将己经松散的集料进行重新粘合,起到了延长沥青路面使用寿命、节省了公路养护资金的目的。2.效果实验检测1）实验要求由于雾封层只能对路面起到养护作用,并不能加强路面结构层的强度,不能提高路面的平整度,因此在本次试验检测中,采用路面摩擦系数摆值、渗水系数和构造深度三项主要的关键性指标为评价依据。按照施工和设计规范规定,高速公路沥青路面的抗滑性能主要以构造深度和横向力系数作为最主要的检测指标,通常可以用摆式摩擦系数测定仪代替横向力系数的测定,表3为抗滑性能检测技术要求。表3抗滑性能检测技术表检测项目名称技术参数要求构造深度值（TD）（）0.55摩擦系数抗摆值(Fb)(BPN)42.0参照公路工程质量评定标准*及公路浙青路面施工技术规范*规定,对于不同类型沥青路面的渗水系数,技术参数指标要求不同,普通的新建浙青路面渗水系数在300mL/min以内,SMA沥青路面渗水系数在200mL/min以