环保型有机硅雾封层技术性能研究

环保型有机硅雾封层技术性能研究

从上个世纪 90 年代起，有机硅技术得到快速地发展，同时也促使着有机硅材料作为一种新型的材料被广泛应用到相关行业中，其中有很多是被应用在建筑物的防水、防腐蚀以及保护方面。有机硅防水材料作为一种新型防水料，特性是无色、无毒、施工简便，固化快，能保持构造物本身的色泽，能够以乳液、溶液等形式喷涂在构造物表面上，用来提高构造物的防水、防腐蚀、防尘、防污、防风化性能[1]，同时也能够渗透到建筑基材表面几毫米处，防水效果好，耐久性能强，是一种环保型的优质材料。此种材料还具有非常好的热稳定性，在-60℃~260℃内可以能保持一定的回弹性、柔软性及表面硬度，并且机械性能无明显变化，且能够抵御长时间的热老化，具有很好的憎水、耐候、无毒无腐蚀、化学惰性和低表面张力等许多优异的性能[2]。由于有机硅材料在性能上的诸多独特之处，从 21 世纪开始，有机硅作为优质环保型材料被越来越多的道路领域，其中最重要的应用就是用作道路表面性封水材料使用，比如雾封层材料。

1 有机硅防水材料在路面封层上的应用

道路在使用一段时间后由于自身以及外界各种因素的影响，在道路表面会出现一些裂缝；表面出现裂缝的道路虽然不会直接影响到车辆地行驶，但是随着水分及其他有害物质的渗入，路面的破坏会逐渐扩大，进而发展成为松散、剥落以及坑洞等病害。另外，一些道路在施工时由于压实度未达到要求，从而造成路面空隙率偏大，路面渗水严重，在外界交通载荷和路面内部存水的共同作用下，最终极易导致道路的水损害，使得道路使用性能大大降低，实际通车使用年限到不到设计年限。因此我们应该在路面还未出现严重损坏之前，就进行预防性养护。这里需要的就是雾封层养护技术。

2 有机硅雾封层的优点

在正确的时间正确的施用有机硅雾封层，总结起来有以下几种益处：

1）延缓氧化和水损害，沥青路面长期暴露导致沥青变脆，路面破损形成裂缝。雨水沿裂缝进入路基其强度降低，继而引起出现更多裂缝，且裂缝不断加宽并形成坑槽。有机硅雾封层处理可以填充路面空隙，减少氧化和水损害，延长路面寿命。

2）防燃油-机动车的漏油会软化沥青。由于煤焦油不溶于燃油，精炼煤焦油基封面料可以防止燃油损害。沥青基封面料的生产商常常在封面料中添加聚合物以改善防油性能。通过封闭路表空隙，有机硅雾封层处理可以降低燃油的渗透深度。

3）防紫外线-阳光中的紫外线会破坏沥青中碳链之间的连接。有机硅雾封层处理不能够修补沥青路面已经发生的紫外线损害，但是可以防止紫外线对沥青路面的造成进一步的损害。

4）易于清理和养护。有机硅雾封层处理后，路表平整、纹理均匀，易于养护，路表清除、清扫也更容易。

5）增加路面弹性。有机硅雾封层处理使路面变黑，路面越黑，吸收热量越多，路面变得越柔软，减少产生裂缝。

6）抗高压水冲洗。有机硅雾封层处理可以抗高压水和清洗剂冲洗。

7）低粘度。可以深度渗透到毛细孔与空洞，不会在道路表面成膜，不易被磨损。

8）快速固化性能。施工之后 2 小时内便可以开放交通，大幅度地减少了施工场地的封闭时间。

9）美化路面。有机硅雾封层可加深道路路面外观颜色，使其看上去就像新建的路面一样。

2环保型有机硅雾封层产品的开发

2.1环保型有机硅雾封层原材料的选取

环保型有机硅雾封层原材料主要涉及到一些油溶性的和水溶性的，渗透交联型的防水材料，此种材料可迅速渗透，固化后形成一层保护层，能够有效防止水分的渗透，防止沥青面层受紫外线、氧气的作用，延缓沥青路面老化的进程，同时能阻碍汽油等燃油与沥青接触，避免沥青路面油污染的发生。主要有硅树脂溶液、渗透剂和增粘剂等。

研发的其中一种环保型有机硅雾封层（不含沥青类的）为无色透明液体，密度0.95g/m3，有类似酒精的气味，具有渗透性好，防水效果好和沥青粘结性强等优良的性能，使用方便，无毒害，不污染环境等特点。

2.2 产品的开发

1）有机硅雾封层防水机理

主要作用是用于沥青道路路面的封水。众所周知水是沥青路面最大的天敌，水损坏是沥青路面损坏种类中危害最大的一种。水损害是沥青路面最严重的早期损坏原因之一，破坏特征主要是沥青路面表层存在泛油并且伴有较为严重的推移和车辙变形，另外沥青中下面层出现潮湿现象，且会出现油—石分离、松散，这大多发生在重荷载且交通量较大的行车道上，这种出现的时期有所不同，有的道路在竣工通车后不足一年或两年，时间短的甚至就仅有几个月，这直接造成巨大的经济损失，与此同时也造成了不良的社会影响。目前认定三种普遍的水损坏现象为即松散、唧浆和坑洞。

松散是沥青路面面层的混合料中的集料因丧失了相互之间的粘结性而逐渐松垮的现象，这里的松散可以按照其严重程度分为麻面、脱皮和松散。麻面指的是沥青路面中细小的嵌缝料散失，从而出现粗麻表面的现象。脱皮则是指沥青路面的面层呈现出层状脱落的现象，松散可以按其严重程度分为轻度松散和严重松散，其中轻度松散是细集料散失，路面磨损，道路表面粗麻；严重松散就是少量粗集料散失，多量微坑，路表面剥落，对于严重松散若不及时的进行处理，它将会发展成为坑洞。在降雨时，雨水会渗透到并滞留在沥青路面中，当在行车荷载的作用下，会产生动水压力，并且不断地作用在混合料中，这样会使得混合料中的沥青从集料的表面剥落下来，局部混合料将会丧失粘结力，从而导致产生松散。当沥青混合料产生松散之后，在车辆荷载的作用下，石料会轻易地被甩出，从而使得松散的集料颗粒因逐渐流失而形成一个个大小不一的坑洞[3]。

究其高速公路沥青路面发生水损坏的直接原因就是水分通过空隙进入到沥青路面结构层之内，并浸入到矿质集料内，由于表面张力的作用，使得沥青与石料之间的联结性被削弱或完全剥离掉，而汽车轮胎对路面的挤压作用和与路面间的真空吸附作用则很大程度上加速了剥离的进程，从而导致沥青路面损坏，也就是外界水穿透包裹在集料表面的沥青膜，侵入到沥青与集料界面取而代之，这是水损坏的最根本原因。

开发的此种有机硅雾封层的最大的特点就是流动性非常大，渗透性很强，可以渗透到骨料的缝隙中去，流到裂缝中，填补微小裂缝和空隙，由于材料自身特殊的化学性质，涂刷到沥青道路路面之后，渗透到骨料的缝隙和空隙中，会和沥青混合料发生复杂的化学反应，形成一种特殊的网状结构物，此种网状物质能够形成非常封闭的结构层，从而很好地起到防水的作用，有效地防止路表水的下渗，可以将路面性能维持2~3年，推迟造价更高的养护工程，提高道路的经济效益。

2）有机硅雾封层对沥青路面防老化机理

对于沥青路面来说，老化主要与沥青路面层中沥青混合料与氧气的接触有关.。有机硅预养护

材料渗透到沥青混合料的连通空隙里，能够阻碍了氧气与沥青混合料的接触，与此同时又由于有机硅预养材料具有非常好的高温稳定性，所以此种养护材料可以延缓沥青路面在使用中的老化；另一方面，对于沥青路面的紫外线老化来说，老化是沥青路面在使用过程中因为紫外线的直射而产生，而有机硅预防性养护材料由于其自身稳定的化学性质，可以减缓沥青的紫线外老化。主要是因为自身的化学结构中存在着硅氧键主链具有非常高的化学稳定性，其键能大概为 452KJ/mol，紫外线的强度大约只有352KJ/mol，因此有机硅预养护材料在沥青路面的表面和空隙中可以有效的防止紫外线老化[4]。

本文提及的两类有机硅雾封层，一种纯有机硅类，另一种是有机硅沥青类。前者针对只需用来封水的沥青路面，而后者则是用于已经有有些老化的沥青路面，对于这种路面施用沥青类的有机硅雾封层，一方面可以是老化的沥青路面恢复其原有的性能，另一方面也起到了雾封层防水的效果，可谓是一举两得。

图1 纯有机硅类雾封层（左）和有机硅沥青类雾封层（右）

共开发出两种纯有机硅类雾封层，第一种雾封层其中有机硅含量占到 20%，第二种有机硅含量占到6%。表1为有机硅雾封层各组分材料的含量。

表1 两种纯有机硅雾封层材料掺配

在配制这两种纯有机硅雾封层时，需要特别注意配制工艺，这两种纯有机硅雾封层在配制时有着几近一样的方法。具体试验步骤：首先把碱慢慢的加入到水中，在加入过程中要不断地进行搅拌，配制人员要注意人身安全，一是因为碱与水在混合的过程中会产生很多的热量，使得容器温度升高，有时甚至可以达到 70℃多，二是因为二者在混合过程中因温度升高有些许的碱溶液以极其微小的分子形式弥漫在容器上空，若被配制人员吸入鼻中，会产生很强烈的刺激，严重的话会伤害到呼吸道。然后将有机硅与其他物质先混合均匀，然后与碱溶液进行混合，注意在混合的过程中要不断地用玻璃棒进行搅拌，防止混合液因为温度不均匀而是配制出来的有机硅雾封层表面出现白色不溶物质，如图2所示。

图2 因混合温度不均匀产生的白色不溶物质

为使有机硅雾封层材料适用性更广，针对一些已经存在老化的沥青路面，对于这种路面需要开发出沥青类的有机硅雾封层，一方面可以是老化的沥青路面恢复其原有的性能，另一方面可以

起到防水的效果，可谓是一举两得。 开发的有机硅沥青类雾封层是在前面开发的纯有机硅雾封层基础上加入沥青来实现的。沥青的选择对于配制中对于有机硅沥青类雾封层的均匀性和性能有很大的影响。若将乳化沥青加入到前面两种已经配制出来的纯有机硅雾封层时，无论掺配比例是多少，乳化沥青均会发生明显的破乳现象，解释这种现象应该是乳化沥青本身呈酸性，而纯有机硅雾封层均为碱性较强的溶液，二者混合后必然会发生酸碱中和反应从而使得乳化沥青迅速破乳。如图3为乳化沥青加入到纯有机硅雾封层混合液之后发生破乳现象。

图3 乳化沥青在纯有机硅雾封层混合液中破乳

为解决乳化沥青的破乳问题，将乳化沥青改为基质沥青并事先将基质沥青先溶于溶剂中，这里溶剂作为沥青的一种载体能够很好的溶解沥青。具体步骤是：首先为避免基质沥青因加入到室温的溶剂后遇冷而迅速成固态，要事先将溶剂加热到略低于沥青的温度，然后将再将基质沥青加入到其中，边加入边搅拌，混合物的温度逐渐降低到室温，继续加入直到沥青在溶剂中被完全溶解为止。如图 4所示，基质沥青加入到常温的溶剂中遇冷迅速成固态。

图4 基质沥青遇常温溶剂成固态

试验得到基质沥青与溶剂的最佳比例为 1:3。纯有机硅类雾封层与稀释之后的沥青溶液最佳掺配比为4:1。如图5和6分别为第一种和第二种纯有机硅雾封层与沥青沥青溶剂混合后配制的有机硅沥青类雾封层材料涂刷到道路上之后的情况，这里图 6涂刷到道路表面的雾封层的量较5的多且是刚刚涂上，所以显得颜色深些。

图5 第一种有机硅沥青类雾封层涂刷效果

图6 第二种有机硅沥青类雾封层涂刷效果

3 环保型有机硅雾封层技术性能研究

3.1 防水性能

沥青路面的防水性能一般用渗水系数来表征，在检测道路路面防水性能时，就是测定道路路面的渗透系数。我国采用公路行业标准规定的路面渗透仪的方法。本文在测试开发的环保型有机硅雾封层渗水试验时采用的是我国公路行业标准规定的标准路面渗透仪。

开发的环保型有机硅雾封层材料测试的渗水试验结果如图7所示。试验用在实验室成型的车辙板，一块车辙板上不涂刷有机硅雾封层材料，第二块和第三块车辙板分别按 250ml/㎡和 300ml/㎡的涂刷量。由结果可以明显的看出开发的环保型有机硅雾封层材料对道路路面防水效果非常好（涂刷上之后道路根本不渗水），且用量较少。经具体试验证明开发的四种两大类（纯有机硅类和含沥青类）有机硅雾封层封水效果都非常好。

图7 雾封层材料用量与渗水系数的关系

3.2 渗透性能

有机硅雾封层材料作为沥青路面封层材料，其自身良好的渗透性能直接影响到材料能否将沥青道路面层的内部空隙堵住而发挥出持久的防渗作用。本文通过一种很简易的方法来测定环保型有机硅雾封层材料在沥青混凝土中的渗透性。试验装置如图 8所示。

图8 渗透性试验装置

具体操作步骤如下：

1）将沥青混合料按照规范制作成两组马歇尔试件但并不脱模，去掉试件两面的纸质垫片，常温条件下养生12h后再将其浸入到25℃水中，保水24个小时。

2）小心用支架将连同试模的两组试件支撑起来，注意避免水分流失，下面都放有量筒。

3）迅速将 20ml 的水倒入到其中一组马歇尔试件，开始计时，直到十分钟结束。

4）同样迅速将 20ml 环保型有机硅雾封层材料导入第二组马歇尔试件中，开始计时，直到十分钟结束。

5）将试件脱膜，分别量取试件的高度。 渗透率按下式计算：

（1）

注：V —渗透率，mm/s， h —试件高度，mm； t —试验时间，这里为 1min； Q1 —下面量筒 10min 接到的液体容积； Q2 —倒入到试件中的液体容积，这里为 20ml。

渗透性试验结果见表2。

表2 渗透性试验结果

由表2可知水的渗透率为17.1mm/s，而研发的纯有机硅类雾封层材料的渗透率为48.9mm/s，是水的渗透率的 2.8 倍，有机硅沥青类雾封层的渗透速率较纯有机硅类雾封层材料的渗透率有所降低，但是仍远远大于水的渗透率，是水的渗透率的2.2倍。由此，可以得出结论：有机硅雾封层材料有非常好的渗透能力，能够迅速的渗透到道路路面内部。

3.3 抗滑性能

抗滑性能试验是在正在使用的道路上涂刷研发的环保型有机硅雾封层材料，通过使用摆式仪来测定其摆值（BPN）的变化，来评定道路预防性养护时使用环保型有机硅雾封层材料抗滑性能的改变。

结果根据测试道路路面的实际温度换算为标准温度 20℃。抗滑性能试验结果如表3 为有机硅雾封层的抗滑试验结果。

表 3 有机硅雾封层材料抗滑试验结果

由表3可知，道路在路面刷上有机硅雾封层材料之后，两类有机硅雾封层材料均使路面的摩擦系数有所减小，并且有机硅沥青类使得道路摩擦系数减小的比纯有机硅类的稍微厉害些，但是二者的摩擦系数值还是满足道路养护规范要求的（要求≥45），这说明研发的环保型有机硅雾封层材料是不影响道路路面的抗滑性能的。

4 有机硅雾封层适用性及施工工艺研究

4.1 有机硅雾封层技术的适用性

有机硅雾封层技术主要适用于道路表面出现早期微裂缝、路表面出现较为轻微的集料松散、麻面以及路面渗水严重等早期损坏现象，路面综合质量指数为良及以上，具体如下：

1）路表已经产生了微小裂缝，其中裂缝宽度在 1~3mm 左右，若要对已出现严重的龟裂、网裂等裂缝的路面也要使用雾封层的话，应将裂缝进行预先处理，直待稳定后，再对其采用。

2）原路面路表出现松散，甚至是麻面现象，路表面的沥青剥落或者老化，但是结构强度完好时，可采取雾封层技术。这样可以有效地粘结松散集料，修复路面老化沥青。

3）原路面渗水系数较大，出现严重或较严重的渗水现象时，而与此同时路面结构强度和结构尚且完好，这时若采用雾封层技术可以有效地防止路面渗水，近而防止水渗透到软化基层及路

基，起到保护基层及路基，减少或防止水损坏的作用[55]。 有机硅雾封层的适用范围和作用有： （1） 更新和保护旧氧化沥青路面；（2）填补小型裂缝和表面空隙；（3）防止开级配路面的松散（4）防止石屑封层的松散；（5）使低温下的路面免受损害；（6）加深新石屑封层的颜色。

4.2 有机硅雾封层施工工艺对其渗透深度和强度形成的影响

沥青路面在设计时都有一定的空隙率，而那种产生松散、掉粒等早期损坏的沥青路面也存在一定的空隙率，因此，对于产生这种早期破坏而无裂缝处的沥青路面可认为是一种理想的多孔介质，为使有机硅雾封层材料渗透深度较大，在喷洒时应注意以下几点： 1）天气晴雨天的选择 不宜选在雨后的晴天，否则道路含水量增加，即使是在相同的喷洒压力下，两断面压强差也会变小，从而使渗透的深度变小； 2）路面温度和气温的选择 不宜选在路面温度过高，气温过高时喷洒，因为当路面温度过高，气温过高会使有机硅雾封层材料的强度形成速度加快，会很快的在其表面形成一层薄膜，渗透时间将大大缩短，进而降低了渗透的深度。与此同时，路面温度及气温的增加，也会使路面上下压强差降低，从而降低渗透深度。然而，当路面温度和气温过低时，也会影响有机硅雾封层材料强度形成的速度，薄膜达不到一定的强度，从而延长了施工的时间，影响了有机硅雾封层材料的粘度，这样也影响了渗透深度。

4.3 有机硅雾封层施工工艺

1）施工前准备工作

（1）确定试验路段沥再生的用量。

施工人员用小毛刷子在选定不同面积的的道路路面位置 A、B、C 上将雾封层按相同的用量均匀地涂刷一层，算得每平方米的实际用量，然后测定渗水系数、抗滑系数，以这两者达标的的

雾封层用量为选用用量，最合适的施工用量通过调整用量确定满足养护规范要求时的抗滑值和渗水值的用量，以此作为最佳用量来指导施工。

表 4 测试雾封层实际最佳用量

（2）清洁路面，须在施工前的 2 天把道路表面尘土和其他杂物清理干净，可用水车冲洗，以便保持路面的干燥，如图3.4为人工清扫，图3.5为车辆清洁路面；

（3）施工前要用空压机将路面表面吹干，路面温度若低于 10℃或者雨天及雨后均不宜进行沥再生涂刷工作；

（4）按照养护施工技术规范的要求，封闭行车道，认真摆放安全作业标志，施工机械、车辆、人员进场；

（5）准备宽胶带纸用以保护道路上的标志线；

（6）再次清扫路面，用人工或者清扫车进行彻底的清扫。裂缝处用强力的空气压缩机喷嘴，将裂缝里的砂石碎屑以及其他杂物清除干净；

2）施工过程

有机硅雾封层施工采用沥青洒布车进行一次性施工，在沥青路面表面形成超薄喷洒层，这里要求喷洒层与下面层必须接触紧密且均匀。将有机硅雾封层己经按要求在施工前装入到雾封层洒布车的储存罐内。保持洒布车辆的匀速行驶，开动开关，喷洒雾封层。喷洒中控制洒布量，对于一般沥青道路来说，有机硅雾封层的喷洒量为200ml/m2 - 300ml/m2。沥青类有机硅雾封层刚刚喷洒后路面呈现咖啡褐色，随后开始变黑，说明沥青类有机硅雾封层已经进入硬化阶段，当完全硬化后，路面是黑色的，就像新铺的路面一样。对于纯有机硅类的雾封层喷洒到路面之后，会发现其渗透性特别好，路面干涸的很快，对开放交通有着非常积极的一面。

5 环保型有机硅雾封层经济效益

表5 两种纯有机硅雾封层费用核算

表6 有机硅沥青类雾封层费用核算

纯有机硅类和有机硅沥青类这两类有机硅雾封层。前者针对只需用来封水的沥青路面，而后

者则是用于已经有有些老化的沥青路面，对于这种路面施用沥青类的有机硅雾封层，一方面可以是老化的沥青路面恢复其原有的性能，另一方面也起到了雾封层防水的效果。费用分析如表 5 和表 6 所示。相关养护部门在对道路进行预防性养护时可根据道路路面实际情况和养护资金的多少进行科学选择。

6 结语

有机硅雾封层技术是一种新型沥青路面预防养护技术，创新性地将具有优良特性的有机硅树脂应用于交通领域，通过在广东揭普惠高速公路上的应用，其优良的耐久性、抗渗性能、施工工艺简便及良好的社会经济效益等特点得到了体现，与其它的沥青路面雾封层预养护技术相比有其独特的优势，是今后一段时期内具有推广意义的路面预防性养护技术。

参考文献

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