台湾公路 工程 乳化沥青常温拌合特性之研究*一、前言乳化沥青 系由 沥青胶泥 、 水 和乳化剂 混合 而成 ， 常温下 乳化沥青 是以 液态形式 存在 。 因沥 青胶泥 不溶于水 ，是 以微粒其 直径 约 0.0250.125mm 悬浮于水 中，乳 化 剂依 成份的不 同而 带有正或 负电 荷， 造成微粒 间的 相斥行为 ， 而 可以常温 下保 持液态形 式存在 ， 加水混合后的乳化剂依其化学成份不同， 而有不同 的水 份蒸发速 率。基于经济 效益 及环境污 染的 考虑 ， 乳 化沥 青代替传 统热 拌沥青 (HMA)于铺面的 建造 及维护 ， 有日 愈增加的 趋势 ， 尤其 是在欧 美国家 和 中国 大陆 ， 乳化沥 青已经 部 分取 代热拌沥 青于 铺面的应 用 ， 经使用后质量 并不 输传统的 热拌 沥青 。 台湾 对 于乳化沥 青之 使用普遍 存有 疑虑 ， 乳化 沥 青目前主 要使 用于铺面黏层 和透 层。 本研究除 了探 讨乳化沥 青之 分类与使 用方 式外 ， 并以 添 加分散剂 加水 泥拌合后 之马 歇尔试体 试验 及铺筑结 果探 讨。二 、 分 类 与 作 用乳 化 沥 青 (Asphalt Emulsion)是 由两 种互 不相 溶之 物质 包括 沥青 与水 组合 而成 之混 合物 。主 要特 性 表现为储 存及 在混合过 程中 之稳定性 、 表 面处理之 黏度 及养护速 度 。 在这些特 性中 有许多是 随着 微粒 尺寸与微 粒在 乳液中之 分布 情况而决 定 ， 且随沥青 型号 、 乳液生产 所 使用之设 备与 化学试剂 之使 用稳 定性而变 化 。 通常乳化 沥青 系由沥青 胶泥 、 水与 乳化剂 混合而成 ， 在 常温下乳 化沥 青保持液 态 。 因沥 青胶泥不 溶于 水，是以 微粒 (直径约 0.0250.125mm)悬 浮 于水中， 如 图 1 所示 1。图 1 沥 青颗 粒悬浮于 水中* 东南技术 学院土木 系暨 防灾科技 研究 所助理教 授* 中华 大学 营建管理 研究 所副教授*中华 大学 营建管理 研究 所硕士18 乳 化 剂 依 成 份 不 同 而 带 有 正 或 负 电 荷 ， 造 成 微 粒 间 之 相 斥 行 为 ， 而 可 以 在 常 温 下 以 液 态 形 式 存 在 ， 如图 2 所 示 ， 加水混 合 后之乳化 剂依 其化学成 份不 同 ， 而有不 同 之还原速 率 ， 据其还原 速率 不 同 乳化沥青 可细 分为快干 、 中 干及慢干 三种 等级 ， 此三等 级各有其 不同 特性 、 与规范 要求 ， 其测试 方法 可参考 ASTM D244 (AASHTO T59) Testing Emulsified Asphalts， 而阴 离 子及阳离 子乳 化沥青之 规范 要求则 可分别参 考 ASTM D977 (AASHTO M140) Requirements and Typical Applications for Emulsion Asphalt 及 ASTM D2397 (AASHTO M208) Standard Specification for Cationic Emulsion Asphalt。然 而 ，选择适 当等 级之 乳化沥青 极为 重要， 在 ASTM D3628 中有 详细描述 ，其 使用时机 大致 整理如下 2, 3：1. 快干型阳 离子 (CRS)与阴离 子(RS)乳化沥 青面层 处理 及碎石道 路封 层用。2. 中干型阳 离子 (CMS)与阴离 子(MS)乳化 沥 青开放 级配 冷拌合用 。3. 慢干型阳 离子 (CSS)与阴 离 子 (SS)乳化 沥 青黏层 、面 层及密级 配冷 拌合用。图 2 阴 离子 与阳离子 乳化 沥青因台湾目 前只 生产阳离 子乳 化沥青 ， 阳 离 子乳化沥 青为 沥青颗粒 周围 被带正电 之离 子所包围 ， 因 此其颗粒 分散 效果及稳 定性 取决于电 量多 寡或是 Zeta 电位之大 小。 但是 Zeta 电 位愈高之 乳化 沥青与 带负电之 粒料 接触 ， 则正负 相吸结果 其反 应反而愈 是激 烈 ， 如 图 3 所 示 ， 当 正负电 子反应达 到平 衡后 ， 乳化沥青 开始 以凝聚 (Flocculation)及凝结 (Coalescence)方 式如图 4 所示 ， 达到还 原亦 就是所谓 破乳 阶段 ， 待水分蒸 发后 其强度才 逐渐 显现。图 3 阳 离子 乳化沥青 与带 负电之粒 料反 应情形19图 4 乳化 沥青 还原 (破乳 )步 骤三 、 使 用 方 式目前使用 乳化 沥青最大 的疑 虑是养治 时间 过长 ， 而造 成 施工时间 拉长 成本增加 ， 此 问题因乳 化剂 的改良及 制造 技术改善 而得 于解决， 现今 的乳化沥 青拌 合已可在 施工 后 1.52.0 小 时间开 放 通 车 4。 除了黏层 和透 层的传统 用法 外 ， 乳 化沥青 尚可用于 封层 、 面层 及底层 。 以下 将就其 个别用途 或施 工方 法做一般 性的 探讨：1.封层 (Seal)封层的意 义在 于使路面 沥青 再生 (Rejuvenate)或延 迟 老化 、维持路 面防 滑能力、 修补 表面细裂 缝、 防水侵入 底基 层和防止 因风 化而骨材 剥离 。共有喷 雾洒 封层 (Fog Seal)、泥浆封 层 (Slurry Seal)和 碎 石封 层(Chip Seal)三种型 式 使用 乳化沥青 。 除 了泥浆封 层可 应用于高 级路 面外 ， 其它只 适用低交通量路面。A.喷雾 封层(F og Seal)喷雾封层 主要 目的 ， 为防 止 已老化或 龟裂 之沥青路 面继 续恶化 。 其 施 工方式为 乳化 沥青加入 同等 水量稀释 后 以 0.260.4 1/m2 喷洒于路 面 ，路面经 过处 理后可维 持一 至二年， 但若 喷洒后沥 青含 量过多 会丧失抗 滑能 力，则必 须随 手撒一些 细砂 减少沥青 含量 。B.稀 浆封层 (Slurry Seal)泥浆组成 为乳 化沥青 、 水 、 细粒料和 填充 料搅拌而 成 ， 依粒料大小不同而分 I (最大粒径 1/8 寸 )、 II (最大粒 径 1/4 寸 )及 III (最 大粒径 3/8 寸 )型三种 ， II 和 III 型号适 用 于高速路 面 。 其设计方 法和 检验 于 ASTM D3910 有详细的 解说 。若把细粒 料改 为密级配 搅拌 ， 则成为 所谓 的路面微 处理 (Micro-Surfacing)。 德国 从 1960年 末 期开始 使用 Micro-Surfacing于 高级路 面后 ， 发觉 其 抵抗车辙 能力 提高不 少 ， 迟 至 1980年美 国 才引进此 技术 ， 至今欧洲、 美国 和澳洲已 大量 使用此既 便宜 又耐久的 封层 施工法 5。C.碎 石封层 (Chip Seal)适用于已 风化 之路面 ， 施 工 方式为先 喷洒 一层乳化 沥青 ， 接着铺 2.54 公分以下 的碎 石级配后 立刻 滚压。此 工法 施工缺点 多， 常发生黏 结不 均匀，故 此法 常搭配稀 浆封 层一起使 用称 之 Cape Seal。美国加州 从 1977 年 自南非 引进 Cape Seal 施 工法 ， 首 先在路面 施予 粒径 67mm 碎石封层 之后 再 铺设 II 型 泥浆封 层 6。 目前加 州、德州 正积 极的研究 改良 此工法。2.面层或 底 层早在 1979 年 美国沥 青 学 会 (Asphalt Institute)出版乳 化沥 青基本 手 册 M S-19 (A Basic Asphalt Emulsion Manual)阐 述了 乳化沥青 的特 性及应用 1， 并配合 1981 年出版 的 沥青 路面厚度 设计 手册 MS-1(Thickness Design Asphalt Pavement for Highways & Streets)中包括 乳化 沥青拌合 厚度 设计 7。 但 至 今乳化沥 青配 合设 计并没有 统一 的标准可 遵循 。3.黏层20 使 用以水稀 释之 乳化沥青 浇铺 于已开放 通车 之道路（ 旧有 道路 ） ，或已 完成沥青 底层 以备铺设 沥 青混凝土 面层 者 ， 其 最普遍 者为 SS-1、 SS-1h、 CSS-1 及 CSS-1h， 惟在 某些地区 亦可 使用不稀 释 之 RS-1 及 CRS-1， 其 实际所 用 沥 青 材料之 种 类 、 等级及 规 格 等 ， 应 符 合 CNS 1304 乳化沥 青 质量要求 或 AASHTO M140 及 M208 之规定 。 沥青 材料之浇 铺温 度 ， SS-1、 SS-1h、 CSS-1 及 CSS-1h 为 2455 ， RS-1 为 2060 ， CRS-1 为 50858 。国内铺面 工程 目前对 沥青 黏层 主 要之 材料质量 检验 规范有 ： CNS 1304 K5016、 AASHTO M140、 AASHTO M208 及 AASHTO T59 等 。四 、 马 歇 尔 试 体 试 验 及 铺 筑 结 果国内目前 所生 产之乳化 沥青 以 CRS 系 列 为主，若 直接 与粒料拌 合则 立刻还原 结块 ，因此必 须添 加大量水 份以 利拌合 ， 相 对 其质量 也 就不 合乎要求 。 因 此本研 究 于 CRS 中添加 相 对于 CRS 重 量比 2% 之阳离子 活性 剂 (烷基 丙 烯 )为发散剂 ，以 增加其稳 定度 ，使其与 粒料 或水泥能 够充 分拌合。1. 试验材料(1)添 加 发 散 剂 之 乳 化 沥 青 (CRS-1)材 料 试 验 结 果 如 表 1 所 示 。 表 中 所 示 此 改 质 乳 化 沥 青 除 了 具 有 原 CRS-1 之 特性 外亦符合 慢凝 乳化沥青 之规 范，可以 与水 泥混合而 不立 刻还原。表 1 添加 发散 剂之乳化 沥青 (CRS-1)材 料 试验结果基本物性 规范值 试验方法 检定结果黏度(25，SFS) 20-100 ASTM D88 41筛析试验 ( ) 57 ASTM D2042 57.4水泥混合 试验 40 ASTM D113 42残渣之三 氯乙 烯溶解度 (%) 97.5 ASTM D2042 99.7(2)粒 料 物性试 验与使用 筛分 析结果如 表 2 与表 3 所 示。表 2 粒料 物性 试验结果SSD 比重基本 物性 粗粒料 细粒料吸水率 (%)干捣单 位 重3(kg/cm )洛杉矶磨 损 率9.5mm级配 (%)硫酸钠 健度 (%)规范 - - - - 502.铺筑结果铺筑路段 分别 于土城捷 运机 场工作便 道 (宽 6m 长 10m 厚度 5m)与东南技 术学 院校园内 (宽 3m长 20m厚 5m)， 铺 筑 过程分 别 表 示 于图 5 与图 6。于土城 捷运 机场铺筑 当天 为阴雨气 候， 其便道 处之表面 为潮 湿路面， 铺筑 完成后两 小时 又下大雨 ，铺 筑 4 小时后 20 吨之大 卡车 经过，铺 面并 不受 影响 。 为 了印 证其成效 ， 92 年 9 月于 东南 技术学院 校园 再次铺筑 ， 由 图 6 可看 出当 天气候良 好 ， 其施 工情况比 照热 拌方式滚 压并 只铺筑一 车道 ，而另一 车道 则为密级 配 之 HMA 以 作 为控制组 ，铺 筑完成 后 2 小时 开放 通车。经 过一 年后比较 结果 ，控制组 之 HMA 已出 现龟 裂与车辙 情形 ，而采用 常温 伴合 沥 青 混 凝 土 则 未 出 现 以 上 情 形 。 其 检 验 方 式 采 用 美 军 工 兵 团 之 铺 面 现 况 指 数 调 查 (P