高黏微表處的制備及工程應(yīng)用

王洪偉 儲(chǔ)昭勝 郭 鵬 方四發(fā) 任 浩 肖 強(qiáng) 黃紹龍

(1.武漢市市政建設(shè)集團(tuán) 武漢 430023； 2.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430062；3.湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司 武漢 430050)

在環(huán)境因素及行車(chē)載荷雙重作用下，已經(jīng)建成的路面會(huì)不定時(shí)出現(xiàn)一些裂縫、松散、車(chē)轍、磨光，以及坑槽等病害，極大地降低了路面行駛功能和服務(wù)壽命，經(jīng)濟(jì)而高效的道路養(yǎng)護(hù)變得愈發(fā)重要[1]。微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)屬于一種廣泛使用的預(yù)養(yǎng)護(hù)施工技術(shù)，不僅可以有效處理路面早中期出現(xiàn)的病害問(wèn)題，還能延長(zhǎng)道路使用年限[2]。它是一種由改性乳化瀝青、集料、填料、水，以及外加劑按合理配比拌和并通過(guò)專(zhuān)門(mén)施工設(shè)備攤鋪到原路面上，達(dá)到迅速開(kāi)放交通要求的薄層結(jié)構(gòu)[3]。由于層間抗剪切能力不足，微表處路面容易發(fā)生推移，隨著行車(chē)載荷加強(qiáng)產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，水分下滲便會(huì)引起坑槽病害[4]。所以，繼續(xù)提升改性乳化瀝青和微表處混合料的高溫穩(wěn)定性、與集料的黏附性、微表處與舊路面的層間黏結(jié)性能仍是目前的重大研究方向。目前，提高路面層間黏結(jié)力主要是通過(guò)改變?yōu)r青膠結(jié)料的黏附性能和改善界面黏結(jié)劑材料的黏結(jié)特性2種方法。

綜上原因，本文將以性能優(yōu)異的高黏乳化瀝青作為膠結(jié)料制備高黏微表處，并與SBS及SBR 2種微表處進(jìn)行性能比較。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

1) 乳化瀝青。高黏乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青。3種改性乳化瀝青基本性能見(jiàn)表1。

表1 3種改性乳化瀝青基本性能測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)，高黏乳化瀝青相比其他2種改性乳化瀝青的主要優(yōu)勢(shì)在于軟化點(diǎn)和黏度，其中軟化點(diǎn)高達(dá)89.5，60 ℃動(dòng)力黏度為90.4 kPa·s。

2) 集料(堅(jiān)硬耐磨的玄武巖，0～3，>3～5，>5～10 mm 3檔石料)，礦粉為湖北京山某石材廠提供。

3) 水泥。P·O 42.5，武漢華新水泥廠。

1.2 試驗(yàn)方法

其中微表處配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)試驗(yàn)參照《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》；通過(guò)水平抗剪切試驗(yàn)和豎直拉拔試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)微表處混合料攤鋪完成后與原路面的抗剪強(qiáng)度。參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的熱拌瀝青混合料劈裂試驗(yàn)方法[5]和JTG E30-2005 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[6]中水泥膠砂抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)方法分析高黏微表處的低溫抗裂性能。

2 高黏微表處配合比設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

2.1 配合比設(shè)計(jì)

首先按照MS-3型級(jí)配要求確定礦料合成級(jí)配，再通過(guò)拌和實(shí)驗(yàn)確定水和水泥的用量，最后利用不同油石比下的濕輪磨耗值及黏附砂量求最佳油石比，其求解示意見(jiàn)圖1。

圖1 最佳油石比圖解

由圖1可見(jiàn)，油石比在6.4%～7.5%之間滿足規(guī)范要求，最佳油石比為6.7%。按照高黏乳化瀝青固含量62%計(jì)算，高黏乳化瀝青摻量為合成集料的10.8%，從而可確定高黏微表處的配合比。

丁苯橡膠(styrene butadiene rubber，SBR)改性乳化瀝青微表處與普通的微表處相比石料與瀝青間黏結(jié)更加牢固，耐磨耗能力和抵抗水損害的能力更強(qiáng)，但高溫性能不佳，其微表處填補(bǔ)車(chē)轍能力有限，不適宜高溫地區(qū)[7]，同時(shí)疲勞性能差，使用壽命較短；熱塑性丁苯橡膠(styrene butadiene styrene block copolymer，SBS)改性乳化瀝青在一定程度上改善了微表處的高溫性能，但它與集料的黏附性、與原路面的黏結(jié)強(qiáng)度不夠。

采用相同礦料合成級(jí)配、同樣設(shè)計(jì)方法, 參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》和JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]通過(guò)拌和試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)及負(fù)荷輪黏砂試驗(yàn)確定SBS微表處及SBR微表處的配合比。3種微表處配合比見(jiàn)表2。

表2 3種微表處配合比

2.2 3種微表處的性能比較

1) 混合料成型強(qiáng)度。黏聚力實(shí)驗(yàn)既可以判斷混合料破乳時(shí)間的長(zhǎng)短，又能檢測(cè)混合料的成型強(qiáng)度，定性分析其與集料的黏附性。不同微表處的黏聚力見(jiàn)表3。

表3 不同微表處黏聚力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可見(jiàn)，3種類(lèi)型的微表處，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，黏聚力均提高，在20 min時(shí)，高黏微表處早期強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到規(guī)范中30 min的要求值(≥1.2 N·m)，30 min黏聚力接近規(guī)范中1 h的要求(≥2.0 N·m)，說(shuō)明高黏微表處破乳后與集料間的黏附性好，成型速度快，混合料強(qiáng)度高，對(duì)后期的迅速開(kāi)放交通起到了決定性作用。SBS微表處成型強(qiáng)度較好，SBR微表處次之。

2) 常規(guī)路用性能。 分別測(cè)量3種微表處混合料在相同條件下的1 h、6 d濕輪磨耗值和負(fù)荷輪黏砂試驗(yàn)(寬度變形率)的結(jié)果，分別評(píng)價(jià)各自抗耐磨、抗水損和抗車(chē)轍能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，其中高黏微表處與SBR微表處的磨耗情況分別見(jiàn)圖2a)和圖2b)。

表4 不同微表處常規(guī)路用性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 濕輪磨耗效果

由表4可見(jiàn)，在相同條件下，高黏微表處的磨耗值和輪轍寬度變形率低于其他2組，說(shuō)明有更好的耐磨性能、抗水損能力和抗變形能力，SBS膠乳微表處性能優(yōu)于SBR微表處。從圖2可以直觀發(fā)現(xiàn)高黏微表處比SBR微表處更耐磨。

3) 層間抗剪切性能?？鼓湍バ阅懿粌H只表現(xiàn)在輪胎與微表處路面的磨耗，當(dāng)微表處與原路面的抗剪切性能不足，層間黏結(jié)力不夠，在汽車(chē)載荷的作用下，表層抗磨耗性能會(huì)大大降低還會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)推移、壅包，以及車(chē)轍等病害。本文采用直接剪切儀和25 ℃下的拉拔試驗(yàn)綜合分析層間抗剪切性能。3種微表處在同一路段小塊攤鋪成型，待其完全固化后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同微表處的抗剪切和抗裂性能測(cè)試結(jié)果MPa

由表5可見(jiàn)，高黏乳化瀝青由于其超高的動(dòng)力黏度，其微表處混合料與原路面的黏結(jié)性能、抗剪切能力均優(yōu)于其他2組微表處，這與黏聚力實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。說(shuō)明高黏微表處有效改善了目前微表處所存在的層間黏結(jié)力不足缺陷。

4) 低溫抗裂性能。借鑒熱拌混合料成型馬歇爾試件，測(cè)試-10 ℃下的劈裂強(qiáng)度，借鑒砂漿試驗(yàn)測(cè)試-10 ℃下的抗折實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)3種微表處的低溫抗裂性能，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，高黏微表處的劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度明顯大于SBR微表處的劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，也較優(yōu)于SBS微表處，說(shuō)明高黏乳化瀝青與石料的黏結(jié)力更強(qiáng)，微表處混合料的黏聚力更大，低溫抗開(kāi)裂性能更優(yōu)。SBR作為瀝青改性劑時(shí)，改性后的瀝青擁有較好的低溫延展性，因SBS的特殊結(jié)構(gòu)形式，SBS改性瀝青具有很好的高溫性能，同時(shí)也表現(xiàn)出較好的低溫性能。高黏瀝青改性劑是高摻量SBS且有相容劑和穩(wěn)定劑的協(xié)同作用，其綜合性能優(yōu)異。結(jié)合劈裂和抗折試驗(yàn)結(jié)果，可以得出高黏微表處的低溫抗裂性能較好。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程施工

武漢市江夏區(qū)靈山拌和站附近的一路段，因重載行駛、交通量大且有一定坡度，導(dǎo)致下坡路段路面在行車(chē)載荷的作用下出現(xiàn)了裂縫、車(chē)轍等病害。針對(duì)此路段修復(fù)，專(zhuān)家組決定采用高黏微表處作為養(yǎng)護(hù)材料，2019年9月上旬，在此路段進(jìn)行2 km試驗(yàn)段試鋪。為了加強(qiáng)高黏微表處與原路面的黏結(jié)力，增強(qiáng)抗滑移變形的能力，黏層油亦采用高黏乳化瀝青，灑布量為0.25 kg/m2，當(dāng)日天氣溫度為30 ℃。具體施工步驟見(jiàn)微表處混合料施工指南，當(dāng)日施工順利，封閉交通時(shí)間短，攤鋪速度快，2 h即可開(kāi)放交通。圖3a)和圖3b)分別是高黏微表處施工30 min和1 h后情況。

圖3 施工效果圖

3.2 驗(yàn)收檢測(cè)

1) 抗滑性能。在微表處鋪筑完并開(kāi)放交通2 d后進(jìn)行擺值和構(gòu)造深度測(cè)試，測(cè)試時(shí)路面溫度為20 ℃，擺值修正值為0。具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 構(gòu)造深度、擺值和滲水系數(shù)測(cè)量結(jié)果

路面的構(gòu)造紋路和與原路面的結(jié)合強(qiáng)度是影響路面抗滑性能的關(guān)鍵因素。所謂路面構(gòu)造紋路是由微表處混合料所選用的集料與級(jí)配決定，本文選用的集料為棱角分明的堅(jiān)硬耐磨的玄武巖，并且采用MS-3型級(jí)配，保證了路面的構(gòu)造紋路清晰；由2.2.3可知高黏微表處與原路面有很強(qiáng)的黏結(jié)強(qiáng)度，緊密相連，進(jìn)一步加強(qiáng)了抗滑性能。表6中構(gòu)造深度和擺值結(jié)果均符合驗(yàn)收要求(TD≥0.6 mm；擺值≥45)，具有良好的抗滑性能。

2) 抗?jié)B性能。早期的水損害是公路工程最常見(jiàn)的病害。雨水過(guò)后，積水短暫停留微表處表面，若抗?jié)B效果不好，水會(huì)滲入與原路面的連接層，在重載交通下，層間黏接力會(huì)逐漸降低，進(jìn)而出現(xiàn)集料的剝落和部分坑槽，所以在工程驗(yàn)收時(shí)，路面抗?jié)B性能是重要指標(biāo)[9-10]。高黏微表處滲水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由于微表處級(jí)配特點(diǎn)，粉料和細(xì)集料含量相比普通熱拌混合料要多，鋪筑成型后空隙率小，另外由于高黏乳化瀝青與集料優(yōu)異的黏附性，使得微表處混合料密實(shí)性好。通過(guò)表6滲水試驗(yàn)結(jié)果為0.3 mL/min可知，高黏乳化瀝青制成的微表處混合料具有優(yōu)異的防水抗?jié)B性能，幾乎不滲水。

3) 降噪性能。近年來(lái)，路面噪聲越來(lái)越受到關(guān)注，低音路面更受青睞。故在微表處鋪設(shè)完5 d后進(jìn)行行車(chē)噪聲的測(cè)試。行車(chē)噪聲一般從車(chē)外噪聲、路側(cè)噪聲及車(chē)內(nèi)噪聲3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)工程實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，這3種噪聲對(duì)應(yīng)變化趨勢(shì)一致。本文選用同一輛車(chē)測(cè)量在原路面和高黏微表處路面上行駛中車(chē)內(nèi)與車(chē)外的噪聲分貝值，行車(chē)速度分別為40，60，80 km/h，并與對(duì)側(cè)原路面進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 車(chē)內(nèi)外噪聲測(cè)試結(jié)果

隨著速度的提高，無(wú)論原路面還是高黏微表處試驗(yàn)段路面，不管車(chē)內(nèi)還是車(chē)外，噪聲逐漸提升。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)可得，普通微表處路面的噪聲相比原路面均提高4～5 dB，這是因?yàn)樵谖⒈硖幝访娴暮铣杉?jí)配中，粗細(xì)集料不均勻，路面紋路結(jié)構(gòu)深，且沒(méi)有經(jīng)過(guò)碾壓，會(huì)增加行車(chē)時(shí)的噪聲值。而高黏乳化瀝青的應(yīng)用，使微表處路面具有一定的彈性，可降低車(chē)輛行駛過(guò)程中輪胎振動(dòng)的頻率和幅度，有效吸收來(lái)自輪胎的沖擊力，達(dá)到減小噪聲的目的。從表7數(shù)據(jù)可以看出，高黏微表處與原路面的噪聲幾乎相同，說(shuō)明高黏微表處具有良好的降噪效果。

綜上可得，高黏微表處是一種經(jīng)濟(jì)、快捷、有效的路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)，其抗滑耐磨，抗水損、抗車(chē)轍能力好，可有效降低噪聲，環(huán)保節(jié)能，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。高黏微表處的實(shí)際應(yīng)用對(duì)道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的推廣具有深遠(yuǎn)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

以高黏乳化瀝青為原料，制備高黏微表處并分析其混合料的各種性能；在試驗(yàn)段攤鋪高黏微表處，評(píng)價(jià)驗(yàn)收，得到以下結(jié)論。

1) 高黏微表處的最佳油石比為6.7%，高黏乳化瀝青固含量按62%計(jì)算，各組分質(zhì)量比為m(合成集料)∶m(水泥)∶m(水)∶m(高黏乳化瀝青)=100∶1.5∶9∶10.8。

2) 高黏微表處施工20 min時(shí)，早期強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到規(guī)范中30 min的要求值(≥1.2 N·m)，30 min時(shí)達(dá)到規(guī)范中1 h的要求(≥2.0 N·m)，說(shuō)明高黏微表處破乳后與集料的黏附性好、成型速度快、混合料強(qiáng)度高。

3) 高黏微表處耐磨性能、抗水損性能、抗車(chē)轍、抗剪切性能和低溫抗裂性能均優(yōu)于普通SBR微表處，可彌補(bǔ)目前微表處存在的高溫性能不佳和黏結(jié)力不強(qiáng)等缺陷。

4) 高黏微表處在試驗(yàn)段進(jìn)行工程試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的抗滑性能，幾乎不滲水，并且有效降低路面噪聲，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益高，對(duì)道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的推廣具有深遠(yuǎn)意義。