高寒山區(qū)瀝青路面溫拌灌縫材料的制備與性能

陳輝強(qiáng)，敖付勇，賀 強(qiáng)，晏 超

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司， 重慶 401120)

近年來，我國公路建設(shè)重心已由平原地區(qū)轉(zhuǎn)向氣候條件更加復(fù)雜的西部山區(qū)[1]，山區(qū)道路建設(shè)得到了長足發(fā)展。瀝青路面由于其諸多優(yōu)點(diǎn)仍然是西部山區(qū)路面最主要的路面結(jié)構(gòu)形式。然而，西部山區(qū)惡劣的氣候特征和特殊的交通條件導(dǎo)致瀝青路面更容易出現(xiàn)開裂病害[2～4]。作為瀝青路面裂縫主要處治方式之一[5～8]，灌縫在瀝青路面早期病害處治和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。從灌縫工藝看，目前瀝青路面灌縫材料主要有熱灌類、冷灌類及化學(xué)類[9]，其中熱灌類由于操作方便、價(jià)格合理且灌縫效果良好而成為目前最常用的灌縫材料。但當(dāng)應(yīng)用于高海拔地區(qū)時(shí)，普通熱灌類材料將面臨如下三個(gè)技術(shù)問題[10～13]：(1)低溫韌性不足，高海拔山區(qū)極端氣溫低，普通熱灌類材料自身容易出現(xiàn)低溫開裂；(2)變形能力欠佳，高海拔山區(qū)年溫差和日溫差大，裂縫的熱脹冷縮要求灌縫材料具有優(yōu)良的變形能力，對裂縫形變具有良好的追從性；(3)高海拔山區(qū)灌縫施工時(shí)氣溫較低，熱灌類材料在施工過程中會因溫度下降過快、黏度增大迅速而使灌縫深度過淺，最終導(dǎo)致灌縫材料與裂縫壁的黏結(jié)強(qiáng)度嚴(yán)重不足，在行車荷載作用下容易脫落而失去灌縫本應(yīng)具備的作用和效果。

針對普通熱灌類材料應(yīng)用于高海拔山區(qū)面臨的技術(shù)難題，結(jié)合其具體的氣候特征和交通條件，本文制備了一種適用于高海拔山區(qū)瀝青路面的溫拌型灌縫材料(簡稱“TEK-U”，下同)，系統(tǒng)測試了TEK-U的路用性能，最后通過對比實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)段的實(shí)際灌縫效果對TEK-U進(jìn)行了綜合評價(jià)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料及材料性能如下：

(1)韓國SK集團(tuán)90#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 90#基質(zhì)瀝青基本性能檢測結(jié)果

(2)日本良園商事株式會社的TPS高粘改性劑性能指標(biāo)如表2所示。

表2 TPS改性劑性能指標(biāo)

(3) 蘇州義寶塑料有限公司的乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer，EVA)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 EVA的物理技術(shù)指標(biāo)

(4)廣州晨信化工有限公司的環(huán)烷油性能指標(biāo)如表4所示。

表4 環(huán)烷油的性能指標(biāo)

(5)上海誠鴻道路新材料有限公司的SAK溫拌劑是一種白色粉末狀的瀝青溫拌劑，其技術(shù)特點(diǎn)為：添加瀝青用量的1%就能起到較顯著的降粘效果；能降低施工溫度30 ℃左右，從而提高施工性能；能明顯減少瀝青煙的排放，保護(hù)環(huán)境。

1.2 溫拌型灌縫材料的制備工藝

參照改性瀝青的制備工藝，本研究中溫拌型灌縫材料的制備工藝如下：將基質(zhì)瀝青置于170 ℃油浴鍋中，同時(shí)加入稱量好的改性劑EVA和TPS，攪拌、溶脹10 min后，加入環(huán)烷油，用高速剪切乳化機(jī)以6000 r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切60 min，再在160 ℃的烘箱中發(fā)育1 h，最后加入SAK溫拌劑攪拌10 min，進(jìn)而取樣分析。

1.3 性能測試

(1)低溫延度、軟化點(diǎn)及低溫流變性能參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的方法測試。

(2)錐入度、流動值及彈性恢復(fù)率參照J(rèn)T/T 740-2015《路面加熱型密封膠》的方法測試。

(3)低溫柔韌性按GB/T 16777-2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》的方法測試。

(4)-12℃和-18℃下的勁度模量S和蠕變速率m采用低溫彎曲蠕變(BBR)實(shí)驗(yàn)方法測試。

(5)拉拔強(qiáng)度按ASTM D 4541-09《用便攜式附著力測試儀測定涂料的拉脫強(qiáng)度》的方法測試。

(6)滲透深度采用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測。

2 試驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 溫拌型灌縫材料的制備

本文首先通過正交試驗(yàn)確定EVA、TPS及環(huán)烷油三種改性劑的合理摻量，制得熱拌條件下的灌縫材料(簡稱“中間體”)，再通過添加適量SAK溫拌劑制得溫拌型灌縫材料。

2.1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期單因素試驗(yàn)研究結(jié)果，此次制備中間體的主要影響因素有EVA改性劑、TPS改性劑及環(huán)烷油，其摻量(質(zhì)量百分比)變量確定3個(gè)水平，即試驗(yàn)采用3因素3水平正交表進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共制得9種不同配比的中間體，具體試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表5，6所示。

表5 正交試驗(yàn)因素及水平

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)表6試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)EVA、TPS、環(huán)烷油三個(gè)因素分別為A，B，C，采用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算各指標(biāo)極差，結(jié)果見表7。

表7 正交試驗(yàn)極差計(jì)算結(jié)果

極差R越大，則對應(yīng)的影響因素越重要。由表7極差計(jì)算結(jié)果可知，對錐入度指標(biāo)而言，環(huán)烷油因素對其影響最大，其次是TPS，影響最小的是EVA，即C>B>A；同理對軟化點(diǎn)和流動值指標(biāo)而言，容易得出A>C>B；對彈性恢復(fù)率和低溫延度指標(biāo)而言，容易得出B>A>C。

2.1.3 中間體最佳配比確定

由于制備的中間體用于氣候環(huán)境比較復(fù)雜的高海拔地區(qū)，因此將5 ℃延度和彈性恢復(fù)率作為選擇灌縫材料摻量的關(guān)鍵指標(biāo)。由單指標(biāo)影響確定的灌縫材料中間體的因素主次順序與最優(yōu)水平列于表8。

表8 中間體的最優(yōu)水平

由表8可知，因素A對高溫(軟化點(diǎn)及流動度)指標(biāo)影響最大，對彈性恢復(fù)率和延度的影響排第二位；因素B對彈性恢復(fù)率和延度指標(biāo)的影響均排第一位。綜合考慮延度和彈性恢復(fù)率指標(biāo)，因素A取1水平，因素B取2水平，因素C取2水平，三種材料的最優(yōu)組合為A1+B2+C2。

2.1.4 溫拌劑最佳摻量

為了避免灌縫材料由于溫度下降過快引起的粘度驟升而影響灌縫質(zhì)量，本文通過向中間體添加適量SAK溫拌劑的方式制備溫拌型灌縫材料。通過摻加0%，1%，2%，3%的SAK溫拌劑，對其進(jìn)行135，145，155，165，175，185，195 ℃7個(gè)溫度測試，以獲得其黏溫曲線，結(jié)果見圖1。

圖1 灌縫材料黏溫變化曲線

由圖1可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到185 ℃后，幾種灌縫材料的黏度值較接近，但隨著溫度的降低，4種不同SAK摻量的灌縫材料黏度值均顯著升高，且隨著溫度升高摻加了SAK溫拌劑的三種灌縫材料的黏度值下降幅度明顯低于未加SAK溫拌劑的灌縫材料，表明同一溫度下SAK溫拌型灌縫材料的黏度對環(huán)境溫度的敏感性顯著下降，從而確保了其優(yōu)良施工時(shí)的流動性和可灌注性；另外，盡管4條黏溫曲線的黏度值大小由高到低依次為：0%SAK>1%SAK>2%SAK>3%SAK，但是添加SAK溫拌劑之后的3種溫拌型灌縫材料在各試驗(yàn)溫度下的黏度都比較接近，且明顯低于同溫度下沒有摻加SAK灌縫材料的黏度。這說明SAK對灌縫材料的黏度降低是十分敏感而有效的，但SAK的摻量超過1%之后對灌縫材料的黏度降低并無明顯作用。當(dāng)溫度高于185 ℃后，灌縫材料的黏度值不再下降，不考慮更高溫度的黏度值，以此溫度作對應(yīng)的等黏直線，得到摻加1%，2%，3%SAK的灌縫材料溫度分別約為167，165，162 ℃，與未摻加SAK的溫度相比，分別下降了18，20，23 ℃。這說明添加SAK后的溫拌灌縫材料具有相對較低的施工溫度。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對摻加1%，2%，3%SAK的灌縫材料進(jìn)行彈性恢復(fù)和5 ℃延度兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的測試，結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 SAK摻量對溫拌型灌縫材料彈性恢復(fù)率的影響

圖3 SAK摻量對溫拌型灌縫材料低溫延度的影響

由圖2，3可見，灌縫材料的彈性恢復(fù)率和低溫延度隨著SAK摻量的增加而有所降低，與未添加SAK相比，添加1%，2%，3%SAK灌縫材料的彈性恢復(fù)率分別下降了4.9%，10.2%，19.9%，添加1%，2%，3%SAK灌縫材料的低溫延度分別下降了3.7%，12.1%，27.3%，這表明較大摻量SAK對灌縫材料的低溫性能和變形能力有一定程度的不利影響，結(jié)合SAK摻量對灌縫材料黏度的影響規(guī)律，綜合考慮到灌縫材料的低溫性能和變形能力，最終將1%作為SAK的合理摻量。由此確定溫拌型灌縫材料組成為，基質(zhì)瀝青∶EVA∶TPS∶環(huán)烷油∶SAK=100∶12∶7∶3∶1。

2.2 溫拌型灌縫材料的性能研究2.2.1 低溫抗裂性

選用兩種常用的瀝青路面灌縫材料JC-G1(泰安吉馳工程材料有限公司生產(chǎn))和HT(煙臺華通道路工程有限公司生產(chǎn))作為參比，采用低溫柔韌度、低溫延度和蠕變勁度指標(biāo)對灌縫材料低溫性能進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如圖4及表9所示。

圖4 灌縫材料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 幾種灌縫材料的BBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜合圖4及表9可知：(1)3種灌縫材料的低溫柔韌度大小依次為：TEK-U>HT>JC-G1，低溫柔韌度越低，灌縫材料的低溫柔性越好。其中，TEK-U的低溫柔韌度是JC-G1的1.9倍，是HT的1.06倍。低溫柔韌度指標(biāo)體現(xiàn)出TEK-U具有良好的低溫柔韌性，這對適應(yīng)高海拔山區(qū)復(fù)雜氣候環(huán)境的裂縫變化是十分有利的。(2)3種灌縫材料低溫延度指標(biāo)反映出的低溫抗裂性能由高到低依次是：TEK-U>HT>JC-G1，延度越大，低溫抗裂性能越好。TEK-U的延度值是JC-G1的2.38倍，是HT的1.09倍。低溫延度指標(biāo)體現(xiàn)出TEK-U具有較好的低溫抗塑性變形能力。(3)3種灌縫材料的低溫性能優(yōu)劣順序?yàn)椋篢EK-U>HT>JC-G1。在試驗(yàn)溫度下，TEK-U的勁度模量低于JC-G1和HT，低溫勁度模量越低，表示灌縫材料的抗裂性能越好。此外，隨著溫度降低，JC-G1，HT，TEK-U之間的勁度模量之差較大，表明TEK-U的勁度模量隨溫度變化較小，其低溫性能好。在試驗(yàn)溫度下，TEK-U的蠕變速率高于JC-G1和HT，這表明TEK-U比另外兩種灌縫材料具有更好的應(yīng)力松弛能力和低溫性能。

2.2.2 抗剪性能

將成型養(yǎng)護(hù)后的瀝青混凝土板切割成50 mm×50 mm×100 mm的試件，將粘結(jié)好的試件放入溫度預(yù)先設(shè)置好的恒溫箱中保溫，保溫時(shí)間不少于5 h。采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率設(shè)置為50 mm/min，勻速加載直至破壞。本文用破壞功指標(biāo)來評價(jià)灌縫材料的抗剪性能，其中破壞功為在不同溫度下使灌縫材料破壞所消耗的能量。探討了3種灌縫材料在-20，0，20 ℃條件下，灌縫寬度分別為3，5，7 mm對剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果如表10所示。

表10 不同溫度下3種灌縫材料破壞功

由表10可知，無論是同一寬度不同試驗(yàn)溫度下的裂縫還是同一試驗(yàn)溫度不同寬度的裂縫，與JC-G1和HT相比，溫拌型灌縫材料TEK-U均具有更高的破壞功，展現(xiàn)出更出色的抗剪性能，表明TEK-U更能抵抗裂縫在荷載作用或者溫度應(yīng)力作用下的位移變形，這對于保障瀝青路面裂縫處治的使用耐久性是至關(guān)重要的。

2.2.3 拉拔性能

分別測試了3種灌縫材料在-20，0，20 ℃三種溫度下的拉拔強(qiáng)度，結(jié)果如表11所示。通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中灌縫材料與裂縫壁組合結(jié)構(gòu)之間大多是黏附性破壞形式。

由表11可以看出，3種灌縫材料的拉拔強(qiáng)度均隨溫度的升高而顯著降低，體現(xiàn)出較強(qiáng)的溫度敏感性。溫度由-20 ℃升高至20 ℃時(shí)，TEK-U的拉拔強(qiáng)度值由1.28 MPa降低至0.64 MPa，下降了64%；JC-G1的拉拔強(qiáng)度值由1.07 MPa降低至0.48 MPa，下降了55.1%；HT的拉拔強(qiáng)度值由0.75 MPa降低至0.42 MPa，下降了44%；這說明溫度對灌縫材料的拉拔強(qiáng)度具有顯著影響。同一溫度條件下，3種灌縫材料的拉拔強(qiáng)度大小順序?yàn)椋篢EK-U>JC-G1>HT，說明TEK-U對瀝青混凝土具有較好的黏結(jié)性能，同時(shí)該結(jié)果也反映出TEK-U的黏結(jié)性能在低溫及常溫下均優(yōu)于JC-G1和HT。

表11 拉拔試驗(yàn)結(jié)果 MPa

2.3 SAK溫拌型灌縫材料的主要性能指標(biāo)

通過以上試驗(yàn)研究，歸納出SAK溫拌型灌縫材料的主要性能指標(biāo)，見表12。

表12 SAK溫拌型灌縫材料的主要性能指標(biāo)

2.4 灌縫效果評價(jià)2.4.1 灌縫深度檢測

選用我校校園內(nèi)行車道上一條裂縫(圖5)實(shí)施灌縫，清理之后對該裂縫進(jìn)行了寬度和深度測量，平均寬度約為1.5 cm，平均深度約為2.0 cm。將加熱至167 ℃的TEK-U緩慢均勻地灌入裂縫內(nèi)，灌滿為止。待路面灌縫完成并完全冷卻后，采用探地雷達(dá)(圖6)檢測溫拌型灌縫材料的灌縫深度[14]，以評價(jià)TEK-U的流動性和滲透性。探地雷達(dá)輸出的原始二維灰度圖采用軟件IDSP 7.0進(jìn)行背景消除、濾波、線性增益等處理后，灌縫深度如圖7所示。

圖5 灌縫前后的裂縫形態(tài)

圖6 LTD-2600型探地雷達(dá)

圖7 探地雷達(dá)檢測過程及軟件處理后的灌縫深度雷達(dá)圖

軟件處理后的灌縫深度雷達(dá)圖表明，裂縫寬度為3～5 mm時(shí)，TEK-U的灌縫平均深度約為4 cm，并且相對均勻，這與事先實(shí)際測量的裂縫深度相近，表明使用上述方法檢測TEK-U的灌縫深度是可行的；同時(shí)，這也說明TEK-U具有較好的流動性和滲透性。

2.4.2 灌縫后裂縫的滲水系數(shù)

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對灌縫后的裂縫、原路面及通車兩個(gè)月后的裂縫進(jìn)行滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表13。

表13 滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由表12試驗(yàn)結(jié)果可知，采用本文研制的溫拌型灌縫材料對裂縫實(shí)施灌縫，裂縫和原路面的滲水系數(shù)均為0，均表現(xiàn)為良好的不透水性，表明灌縫之后的裂縫具有和原路面一致的密水性能；尤其是，灌縫通車2個(gè)月之后裂縫的滲水系數(shù)仍然為0，表明在環(huán)境及荷載反復(fù)作用下，TEK-U具有良好的路面適應(yīng)性和對裂縫形變良好的追從性，滿足路面裂縫灌縫的實(shí)用性要求

3 結(jié) 論

(1)溫拌型灌縫材料TEK-U各組成成分的比例關(guān)系為：基質(zhì)瀝青∶EVA∶TPS∶環(huán)烷油∶SAK=100∶12∶7∶3∶1。

(2)溫拌型灌縫材料TEK-U不僅具有良好的低溫性能和低溫柔韌性，而且還具有較好的抗剪切能力和黏附性，綜合路用性能優(yōu)良。

(3)相對于普通加熱型灌縫材料，溫拌型灌縫材料TEK-U的施工溫度可以降低20 ℃左右，更加有利于高海拔山區(qū)裂縫灌縫施工。

(4)溫拌型灌縫材料TEK-U優(yōu)良的滲透性能夠確保一定的灌縫深度，同時(shí)還具有良好的密水性能，有利于延長瀝青路面的使用壽命。