中国道路预防性养护封层材料应用进展及评价

王朝辉，张 廉，韩晓霞

长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

0 引言

截至2016年年末，中国公路养护里程已高达459.00万km，据此，预计“十三五”期间全国的养护资金需求将超过1.5万亿元。养护里程与养护资金的迅猛增加，有利于推动中国公路养护转型升级与道路科学养护的实施，其中预防性养护技术由于具有经济、高效、便于施工操作的特性，日益受到养护行业的重视。

目前国内的预防性养护技术主要包括裂缝修补、微表处、稀浆封层、碎石封层、雾封层、开普封层、超薄磨耗层、薄层罩面和路面再生技术等，其中封层类技术（如微表处、稀浆封层、碎石封层、开普封层与雾封层）因具有良好的防水、抗滑、耐磨和快速开放交通等优点故在高等级公路养护中得到了广泛应用[1-4]，成为中国最为常用的预防性养护手段，在诸多工程应用中取得了良好的效果[5-6]。各国的研究人员也对此开展了大量的试验研究，Im J H对比了聚合物改性乳液与未改性乳液作为雾封层原材料时在黏结性能与固化时间方面的差别[7]；Robati M.提出了一种新的混合料配合比设计方法，以提高微表处混合料的抗车辙性能[8-10]；Im J H等人基于室内MMLS3加载试验和现场测试评价了碎石封层用在较大交通量道路上的性能；Bagshaw等人将环氧树脂改性沥青应用于开普封层，通过剪切模量、针入度和黏结强度等指标评价了黏结材料的性能[11]；Hossain M等人系统调查了美国堪萨斯州在1992年~2006年间沥青路面表面各种处治措施的成本与效益，结果发现封层类养护措施的使用寿命一般为4~5年[12]；王佳炜等人制备水性环氧-乳化沥青用于稀浆封层，并研究其路用性能[13]；孙晓立等人在改性乳化沥青中加入环氧树脂，耐磨耗性能提升60%[14]。现有预防性养护封层技术的研究主要集中在改进配合比设计方法或引入新型材料达到改善路用性能的目的，缺乏对预防性养护封层技术应用状况的梳理总结，现有评价标准还存在着一定局限性，尚需要进一步优化完善。

基于此，本文系统调查了中国140余项封层技术实体工程的应用状况，明确现阶段各类封层技术常用配比与原材料用量范围，综合分析各类封层技术实体工程的路用性能，推荐不同封层技术材料用量与性能控制指标，以期为进一步完善现有封层规范奠定基础，为封层技术的质量控制及可持续发展提供借鉴与指导。

1 预防性养护封层材料的特征及适用性分析

道路在使用过程会产生各种类型不同、程度不同的病害，且现有预防性养护封层技术种类较多，各类封层技术材料组成上差异较大、应用后效果不同[15-16]，为了给实际工程选择匹配合适的封层养护技术提供指导，汇总不同封层技术的特征并进行适用性分析，见表1。

2 微表处材料应用调查及评价

目前，中国关于微表处的规范主要有交通部公路科学研究院的《微表处和稀浆封层技术指南》（2006）、辽宁省《高速公路微表处设计与施工技术规范》（DB21/T 2234—2014）及湖北省《普通公路微表处技术指南（试行）》（2015），这些规范指南多是总结国内微表处技术应用经验并参考国外规范而制定的。微表处技术发展迅猛，各地区公路实际状况千差万别，目前实体工程中的材料类型及配比差异较大，工程应用中缺乏适宜的参考指标，且现有规范指南中材料用量范围较为宽泛。本文全面调查分析中国微表处技术典型实体工程的原材料组成与路用性能，以期为后期微表处养护技术的设计、施工及规范完善提供参考。

2.1 微表处实体工程原材料应用情况

全面调查中国微表处典型实体工程原材料及用量[18-25]，具体结果见表2。

根据表2的调查结果统计中国微表处技术实体工程应用中使用的原材料与级配，通过统计软件SPSS对所采集的数据进行聚类分析，结果如图1所示，分析表2与图1可得到以下结论。

（1）微表处主要使用的沥青为SBR改性乳化沥青，其次为SBS改性乳化沥青，所占比例分别为42.1%和13.16%；集料主要使用玄武岩，其次为石灰岩，所占比例分别为50%与25%；其他添加物主要为水泥，所占比例为75.68%；调查中89.74%的高速公路或一级公路中主要使用MS-3型级配。

（2）MS-3型微表处沥青用量在8.2%~12.7%之间，其中9.5%~10.8%所占比例最大，为58.33%，8.2%~9.5%之间的比例为12.5%，10.8%~12.7%之间的比例为29.17%；MS-3型微表处油石比在5%~8%之间，其中油石比6%~6.8%所占比例最大，为55.56%，5%~6%之间的比例为5.55%，6.8%~8%之间的比例为38.89%。

图1 微表处材料用量汇总分类

表2 微表处原材料及用量汇总

续表2

（3）MS-3型微表处用水量在4%~13%之间，其中7%~11%用水量所占的比例最大，达到57.69%，4%~7%之间的比例为34.62%，11%~13%之间的比例为7.69%。

（4）微表处中填料水泥的用量在0.2%~3%之间，其中0.9%~1.7%用量所占比例最大，达到57.69%，0.2%~0.9%之间的比例为19.23%，1.7%~3%之间的比例为23.08%。

（5）针对实体工程调查统计资料，利用统计软件SPSS分析，保证各项数据95%的置信区间，最终得到MS-3型微表处各项指标区间如下：油石比95%的置信区间为（6.4%，7.4%），填料用量95%的置信区间为（0.7%，1.9%），用水量95%的置信区间为（7.0%，8.7%）。

（6）交通部公路科学研究院《微表处和稀浆封层技术指南》与及湖北省《普通公路微表处技术指南（试行）》中规定MS-3型微表处油石比范围为6.0%~8.5%，而辽宁省《高速公路微表处设计与施工技术规范》规定油石比范围为6.0%~9.0%，填料用量范围均为0~3%。结合SPSS数据分析结果，建议MS-3型微表处油石比范围为6.2%~7.5%，填料用量范围为0.5%~2.0%，用水量范围为7.0%~9.0%。

2.2 微表处实体工程性能评价

汇总中国微表处典型实体工程路用性能[18-19，21，23-31，33-35]，具体结果见表3。

本文收集了使用微表处技术的各等级道路路用性能，运用SPSS等统计分析软件分析，结果如图2、3所示。分析表3与图2、3可得到以下结论。

（1）结合表3和图2施工前后性能对比可知，道路使用微表处技术后，构造深度、抗滑摆值与渗水系数均得到不同程度的改善，微表处构造深度提高最大值为0.63 mm，抗滑摆值提高最大值为27（BPN）。

（2）路面使用微表处技术后，构造深度主要集中在0.6~1.05 mm，比例为62.22%，此外构造深度1.05~1.35 mm之间的比例为20%，1.35 mm以上的比例为4.45%；抗滑摆值主要集中在58~67（BPN），所占比例为40%，46~58（BPN）之间的比例为35.56%，67~76（BPN）之间的比例为22.22%，76（BPN）以上的比例为2.22%。

（3）利用统计软件SPSS得到应用微表处后路面构造深度95%的置信区间为（0.86 mm，1.2 mm），抗滑摆值95%的置信区间为（58.96，63.94），渗水系数95%的置信区间为（0.06 mL·min－1，1.42 mL·min－1）。

（4）交通部公路科学研究院《微表处和稀浆封层技术指南》中微表处交工验收要求规定，高速公路、一级公路构造深度不小于0.6 mm，抗滑摆值不小于45，渗水系数不大于10 mL·min－1。调查结果表明，路面使用微表处技术后，构造深度86.67%满足要求，抗滑摆值100%满足要求，渗水系数90.63%满足要求，其中59.38%渗水系数为0，根据SPSS分析结果，建议道路使用微表处技术后构造深度不小于0.85 mm，抗滑摆值不小于59（BPN），渗水系数不大于2 mL ·min－1。

3 稀浆封层材料应用调查及评价

目前，中国稀浆封层规范主要有交通部公路科学研究院的《微表处和稀浆封层技术指南》（2006）、湖北省《普通公路稀浆封层技术指南（试行）》（2015）与辽宁省《公路沥青路面稀浆封层技术指南》（DB21 / T 1848—2010），现有规范指南中材料用量范围较为宽泛，而目前实际工程中的材料类型及配比差异较大，现有性能控制指标难以满足稀浆封层应用要求。本文借助对国内稀浆封层技术典型实体工程原材料及路用性能的调查分析，以期为稀浆封层养护技术的发展、完善奠定基础。

3.1 稀浆封层实体工程原材料应用情况

汇总中国稀浆封层典型实体工程原材料及用量[36-42]，具体结果见表4。

表3 微表处性能汇总表

续表3

图2 微表处施工前后路用性能对比

图3 微表处路用性能指标汇总分类

根据表4调查结果，统计分析31项微表处技术实体工程中使用的原材料与级配，运用统计分析软件对所采集的数据进行聚类分析，分析结果如图4所示。分析表4与图4可得到以下结论。

（1）稀浆封层主要使用的沥青为改性乳化沥青，其次为乳化沥青，所占比例分别为62.5%和37.5%，使用的改性乳化沥青中50%为SBR改性乳化沥青；集料主要为石灰岩，其次为玄武岩，所占比例分别为47.83%和21.74%；ES-3型级配主要用于高速公路、一级公路，而ES-2型级配则广泛应用于所有道路的养护中，因此ES-2型级配所占比例较高，为63.64%；其他添加物主要为水泥，所占比例为68.42%。

表4 稀浆封层原材料及用量汇总

图4 稀浆封层材料用量汇总分类

（2）稀浆封层ES-2沥青用量主要集中在13%~14%，所占比例为54.5%，按照60%的蒸发残留物含量计算，油石比集中在7.8%~8.4%；ES-3沥青用量主要集中在11%~12%，所占比例为66.6%，换算为油石比6.6%~7.2%。

（3）稀浆封层ES-2用水量主要集中在6%~11.7%，所占比例为54.55%，11.7%~16%之间的比例为45.45%；ES-3用水量主要集中在7%~9.3%，所占比例为66.67%。水泥作为填料时的用量范围主要集中在1%~1.6%，所占比例为64.3%，此外1.6%~2.3%之间的比例为28.57%。

（4）采用统计软件SPSS得到稀浆封层ES-2型油石比95%的置信区间为（7.3%，8.5%），用水量95%的置信区间为（8.26%，11.6%）；ES-3型油石比95%的置信区间为（6.5%，7.4%），用水量95%的置信区间为（7.47%，9.53%）；填料用量95%的置信区间为（1.0%，1.8%）。

（5）现有稀浆封层规范指南中材料用量规定ES-2型稀浆封层油石比范围为7%~12%，ES-3型稀浆封层油石比范围为6.5%~9%，填料用量范围为0~3%。根据SPSS数据分析结果，建议稀浆封层ES-2型油石比范围为7.0%~8.5%，用水量范围为8.0%~12%；ES-3型油石比范围为6.5%~7.5%，用水量范围为7.5%~9.5%；填料用量范围为1.0%~1.8%。

3.2 稀浆封层实体工程性能评价

全面调查汇总中国稀浆封层典型实体工程原材料及用量[38，40-42]，具体结果见表5。

根据表5调查结果，采用统计分析软件对所采集的数据进行分析，结果如图6所示。综合分析表5和图5、6后得到结论如下。

（1）结合表5和图5稀浆封层施工前后性能对比可知，道路使用稀浆封层技术后，构造深度、抗滑摆值与渗水系数均得到不同程度的改善，稀浆封层构造深度提高最大值为0.61 mm，抗滑摆值提高最大值为25.5（BPN）。

（2）路面使用稀浆封层技术后，构造深度主要集中在0.6~0.9 mm，所占比例为71.42%，0.9~1.23 mm之间的比例为14.29%；滑摆值主要集中在58~66（BPN），所占比例为50%，此外48~58（BPN）之间的比例为42.86%。

（3）采用统计软件SPSS得到运用稀浆封层技术后路面构造深度95%的置信区间为（0.65 mm，0.95 mm），抗滑摆值95%的置信区间为（55.48，61.33），渗水系数95%的置信区间为（0.07 mL·min－1，1.96 mL·min－1）。

（4）现有稀浆封层规范指南中交工验收要求规定，高速公路、一级公路构造深度不小于0.6 mm，抗滑摆值不小于45（BPN），渗水系数不大于10 mL·min－1，调查结果表明路面使用稀浆封层技术后，构造深度85.71%满足要求，抗滑摆值与渗水系数均能满足规范要求，其中62.5%路面渗水系数为0。根据SPSS分析结果，建议路面使用稀浆封层技术后构造深度不小于0.65 mm，抗滑摆值不小于55，渗水系数不大于2 mL ·min－1。

4 碎石封层与开普封层材料应用调查及评价

中国碎石封层相关规范主要有陕西省《同步碎石封层施工技术规范》（DB61/T 914—2014）、浙江省《公路同步碎石封层设计与施工技术规程》（DB33 / T 937—2014）、安徽省《公路沥青路面同步碎石封层、施工技术规程》（DB34/T 2615—2016）与辽宁省《碎石封层施工技术规范》（暂行）；而开普封层相关规范仅有辽宁省《CAPE封层设计与施工技术规范》（DB21/ T 2232—2014）。现有碎石封层与开普封层规范均为地方性规范，适用范围有限。基于此，本文全面调查碎石封层与开普封层技术典型实体工程原材料及用量与路用性能，以期为后期碎石封层与开普封层养护技术的规范完善提供参考。

表5 稀浆封层性能汇总

图5 稀浆封层施工前后路用性能对比

图6 稀浆封层路用性能指标汇总分类

4.1 碎石封层实体工程原材料应用情况

全面调查碎石封层典型实体工程原材料及用量[43-52]，具体结果见表6。

分析表6可知以下几点。

（1）碎石封层主要使用的沥青为改性乳化沥青，其余依次为改性沥青（其中SBS改性沥青的比例为87.5%）、乳化沥青、橡胶沥青与基质沥青，所占比例分别为39.47%、21.05%、15.79%、15.79%和7.9%；集料主要为玄武岩，其次为石灰岩，所占比例分别为58.62%和17.24%；碎石粒径主要集中在4.75~9.5mm，其次为2.36~4.75mm、9.5~13.2mm，所占比例分别为55.88%、26.47%和17.65%。

（2）利用SPSS聚类分析可知，碎石封层作上封层时碎石覆盖率主要集中在95%~115%，比例为67.86%，70%~90%的比例为17.86%，90%~95%的比例为7.14%，115%~130%的比例为7.14%。

（3）安徽省《公路沥青路面同步碎石封层施工技术规程》与陕西省《同步碎石封层施工技术规范》中碎石封层上封层碎石覆盖率规定为90%~95%，辽宁省《碎石封层施工技术规范》（暂行）中碎石封层上封层碎石覆盖率规定为80%以上，现有调查中碎石封层覆盖率82.14%满足规范要求；采用统计软件SPSS对满足规范要求的数据进行探索性分析，得到碎石封层覆盖率95%的置信区间为（95%，106%）。因此，建议碎石封层覆盖率为95%~105%，而碎石用量与沥青用量往往需根据工程实际情况通过试验结果确定最终用量，故在此不进行分析。

表6 碎石封层原材料及用量汇总表

4.2 碎石封层实体工程性能评价

全面调查中国碎石封层典型实体工程路用性能后的汇总[33，45-47，49-50]结果见表7。

现有碎石封层技术指南及规范有关稀浆封层交工验收要求中并未区分道路等级，本文综合分析使用碎石封层技术道路的路用性能，并根据表7中的调查结果，对碎石封层施工前后性能进行对比，如图7所示，采用统计软件对所采集的数据进行分析。分析结果如图8所示，综合分析表8与图7、图8可知。

（1）结合表8与图7碎石封层施工前后的性能对比可知，道路使用碎石封层技术后，构造深度、抗滑摆值与渗水系数均得到不同程度的改善，碎石封层构造深度提高最大值为0.9 mm，抗滑摆值提高最大值为23（BPN）。

（2）路面使用碎石封层技术后，构造深度主要集中在1.0~1.38 mm，其所占的比例为60%、0.8~1.0 mm之间的比例为20%、0.62~0.8 mm与1.38~1.7 mm之间所占比例均为10%；抗滑摆值主要集中在50~64（BPN），所占比例为84.6%；72.22%的道路使用碎石封层后渗水系数为0。

（3）采用统计软件SPSS对对满足规范要求的数据进行探索性分析，得到运用碎石封层技术后路面构造深度95%的置信区间为（0.98 mm，1.2 mm），抗滑摆值95%的置信区间为（49.53，62），渗水系数95%的置信区间为（0.01 mL ·min－1，0.4mL ·min－1）。

（4）根据安徽省《公路沥青路面同步碎石封层施工技术规程》与陕西省《同步碎石封层施工技术规范》中碎石封层交工验收要求规定，路面构造深度不小于0.6 mm，抗滑摆值不小于45（BPN），渗水系数不大于5 mL·min－1，调查结果表明路面使用碎石封层技术后，构造深度、抗滑摆值与渗水系数均能满足规范要求；根据SPSS分析结果，建议路面使用碎石封层技术后，路面构造深度不小于1.0 mm，抗滑摆值不小于50（BPN），渗水系数不大于1 mL ·min－1。

图7 碎石封层施工前后路用性能对比

4.3 开普封层材料用量与性能评价

图8 碎石封层路用性能指标汇总分类

调查汇总开普封层典型实体工程原材料与用量及结构类型[58-60]，具体结果见表8。开普封层路用性能见表9。

由表8与表9可知以下几点。

（1）中国开普封层中碎石封层主要用橡胶沥青，其次为改性乳化沥青与乳化沥青，开普封层中微表处主要用改性乳化沥青，稀浆封层主要用乳化沥青，开普封层碎石主要使用玄武岩，开普封层的结构类型主要为碎石封层和微表处。

（2）根据中国辽宁省《CAPE封层设计与施工技术规范》中开普封层交工验收要求规定，路面应用开普封层技术后构造深度不小于0.55 mm，抗滑摆值不小于45（BPN），渗水系数不大于5 mL·min－1，实体工程调查中抗滑摆值与构造深度均能满足要求，渗水系数部分满足要求，构造深度在主要为0.65~1.0 mm，抗滑摆值区间主要集中在50~70（BPN），最高可达95.7（BPN）。

5 雾封层材料应用调查及评价

中国雾封层相关设计规范较少，且并未单独成册，《广东省高等级公路沥青路面预防性养护技术手册》（2010）对雾封层的定义、功能、应用范围及特点进行了阐述，并对封层材料、技术指标以及施工作出要求，作为地方规范适用范围有限。基于此，本文全面调查雾封层实体工程原材料与路用性能，以期为雾封层养护技术的规范完善提供参考。

5.1 雾封层实体工程原材料应用情况

调查中国雾封层典型实体工程原材料及用量[55-64]，具体结果见表10。

分析表10可知以下几点。

（1）雾封层使用的胶结料主要为以乳化沥青为基质添加有关助剂配制成的乳液或制成品（约占69.14%），如各类再生剂、还原剂，其次为纯乳化沥青稀释液（约占30.86%）；集料主要使用砂类集料（粒径2.36 mm以下），约占88%；常用添加物为环氧树脂与橡胶粉。

表8 开普封层原材料与用量及结构类型汇总

表9 开普封层路用性能汇总

表10 雾封层原材料及用量汇总

续表10

（2）根据聚类分析可知，雾封层喷洒量主要集中在0.5~0.65 kg·m－2，所占比例为64%，喷洒量在0.65~0.76 kg·m－2之间的比例为20%。

（3）广东省交通运输厅预防性养护技术手册附录B《雾封层应用指南》提出，喷洒量一般为0.15~1.0 L·m－2，采用统计软件SPSS得到雾封层喷洒量95%的置信区间为（0.43 kg·m－2，0.73 kg·m－2），建议雾封层喷洒量为0.4~0.75 kg·m－2。

5.2 雾封层实体工程性能评价

调查中国雾封层典型实体工程原材料及用量[56，59，60-63]，具体结果见表11。

现有雾封层技术指南及规范中有关雾封层交工验收要求中并未区分道路等级，因此本文对使用雾封层技术道路的路用性能进行统一分析。根据表11调查结果，运用数据分析软件对所采集的数据进行分析，分析结果如图10所示，主要结论如下。

（1）雾封层的主要作用是防水，应用雾封层的道路渗水性能均大幅度增加，而抗滑摆值与构造深度出现不同程度的降低；结合表11与图9雾封层施工前后性能对比可知，道路使用雾封层技术后构造深度减少的最大值为0.9 mm，抗滑摆值减少的最大值为15，渗水系数降低的最大值为226.4 mL·min－1；表10与表11中应用含砂雾封层的道路，构造深度与抗滑摆值呈现出先降低后增加的趋势，因含砂雾封层在施工过程中细砂包裹在沥青材料中，不能发挥其抗滑功效，但随着车辆荷载的作用，集料逐渐裸露出来，抗滑性能增加。

（2）路面应用雾封层构造深度主要集中在0.55~0.87 mm，所占比例为66.67%，0.87 mm以上的比例为14.81%；路面应用抗滑摆值主要集中在42~52.7（BPN），所占比例为59.29%，此外抗滑摆值在52.7~63.7（BPN）之间的比例为26.92%；路面应用雾封层技术后，59.26%的道路渗水系数为0。

表11 雾封层性能汇总

续表11

图10 雾封层路用性能指标汇总分类

（3）采用统计软件SPSS对满足规范要求的数据进行探索性分析，得到运用雾封层技术后路面构造深度95%的置信区间为（0.65 mm，0.83 mm），抗滑摆值95%的置信区间为（50.29，64.6），渗水系数95%的置信区间为（0，5.82 mL ·min－1）。

（4）根据《沥青路面雾封层技术应用指南》中雾封层交工验收要求规定路面构造深度不小于0.55 mm，抗滑摆值不小于42（BPN），渗水系数不大于30 mL·min－1，调查结果表明路面应用雾封层技术后，构造深度81.48%满足要求，抗滑摆值93.9%满足要求，渗水系数100%满足要求，结合SPSS探索性分析结果，建议路面使用雾封层技术后，路面构造深度不小于0.65 mm，抗滑摆值不小于50（BPN），渗水系数不大于6 mL·min－1。

6 结语与展望

本文全面调查了中国封层技术典型实体工程原材料及路用性能，对比了不同封层技术在实体工程应用中用量与性能要求上与现有封层技术规范的差别，基于统计原理推荐更为合理的原材料用量范围及性能控制指标，为各类封层技术相关规范的制订与完善提供参考和借鉴。

通过上述调查研究发现，现有封层规范的指标范围已经落后于实际工程应用状况，实际应用时难以确定各类封层技术适宜的性能控制指标，且部分封层技术仅在一些省份出台相关规范，缺乏统一的全国性技术标准，不利于封层技术的科学规范化发展。因此根据预防性养护封层技术的研究现状及现存问题，建议今后预防性养护技术重点从以下方面展开研究。

（1）结合国内外封层技术规范与实体工程建设情况并依托中国封层技术应用现状，制定完善各类封层技术相关规范，保证封层技术在道路养护中的规范化发展。

（2）建立各类封层技术性能评价体系，实现各类封层技术工程性能综合评价，从而保证各类封层技术在今后道路养护中的长远发展。

（3）保持对各类封层技术的长期性能进行观测，建立其性能衰变模型，确定合理的养护时机。

（4）研发绿色环保型封层材料，为道路的绿色可持续发展提供保障。

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