高黏常溫精薄罩面技術應用研究

王建潔,韓先瑞,宋曉磊

(1.天津市交通運輸基礎設施養(yǎng)護集團有限公司,天津 300201; 2.天津市公路事業(yè)發(fā)展服務中心,天津 300170)

為了保持路面良好的服務狀態(tài),減少路面病害的發(fā)生,延緩早期病害的發(fā)展,延長路面使用壽命,降低養(yǎng)護成本,根據(jù)瀝青路面使用性能的變化情況合理的選取養(yǎng)護時機和養(yǎng)護技術實施路面預防性養(yǎng)護,對于公路自身和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義.隨著預防性養(yǎng)護技術在國內的不斷推廣,快速、低碳、環(huán)保、節(jié)能、性價比高的預防性養(yǎng)護材料和技術匱乏問題急需解決.如應用較多的微表處技術,缺陷是與原路面粘結效果較差,易脫落,噪音大,表面功能衰減快,使用壽面較短;超薄磨耗層技術雖然能夠克服微表處技術的部分缺陷,但是由于其磨耗層采用的是熱拌瀝青混合料,結構層厚,所以碳排放量大、造價較高,而且需要配置大型熱拌瀝青混合料拌合設備和同步一體攤鋪機方可施工,經(jīng)濟效益和社會效益都不理想[1].針對快速、低碳、環(huán)保、經(jīng)濟、耐久、舒適、安全的預防性養(yǎng)護材料和技術發(fā)展方向,需要開發(fā)一種常溫工藝低噪抗滑的罩面技術用于瀝青路面的預防性養(yǎng)護.

高黏常溫精薄罩面技術是將交聯(lián)型常溫復合改性瀝青及熱拌薄層級配礦料用稀漿封層車在常溫下拌合攤鋪到原路面上,通過適當碾壓快速成型的預防性養(yǎng)護技術(厚度一般為5～9 mm),是一種融合超薄罩面技術與微表處技術的新型公路預養(yǎng)護技術.該技術擺脫了瀝青混合料拌和機、自卸運輸車、黏層撒布車、同步攤鋪機等復雜的生產(chǎn)拌和攤鋪施工機具,節(jié)省了施工造價;采用常溫就地攤鋪壓實工藝,快速經(jīng)濟環(huán)保;高黏常溫精薄罩面采用NTR交聯(lián)型常溫復合改性瀝青和NTAC-5骨架空隙礦料級配,通過提高動力黏度和瀝青膜厚度改善罩面層的黏結力、強度和高低溫性能與柔韌性;克服了常規(guī)微表處易脫皮、噪音大、壽命短等缺點,又規(guī)避了熱拌超薄罩面對于熱拌瀝青混合料拌合樓及傳統(tǒng)攤鋪機隊的依賴而形成的施工工藝繁雜、施工成本過高等缺點.

1 原材料

1.1 集料

集料采用潔凈、表面粗糙,且不含風化顆粒的3～5 mm和0～3 mm玄武巖.集料經(jīng)過整形機整形,避免針片狀顆粒含量偏高影響混合料骨架結構形成.在使用前應保證集料的含水率不大于3%,避免集料水分過高影響混合料的成型.

細集料用量增大能夠提高瀝青混合料的抗剝落性,但過多的細集料會導致瀝青混合料的油膜厚度降低,使得高黏常溫精薄罩面混合料的壓實性變差.NTAC-5合成礦料級配參考了《公路瀝青路面預防養(yǎng)護技術規(guī)范》JTG/T 5142-01—2021對于空隙型超薄罩面混合料的礦料級配范圍[2],并結合高黏常溫精薄罩面混合料技術特點進行礦料級配設計.NTAC-5合成礦料級配及建議級配范圍如表1、圖1所示.

1.2 瀝青

NTR高黏常溫精薄罩面改性瀝青是通過摻加高黏改性劑、高分子聚合物、石油樹脂、表面活性劑、乳化劑、穩(wěn)定劑等外摻劑,通過膠體研磨剪切加工制成的蒸發(fā)殘留物含量不小于62%的常溫交聯(lián)型高黏瀝青結合料.增加瀝青黏度可以減弱水對瀝青與集料顆粒之間的浸潤剝離作用[3].通過高黏改性劑、高分子聚合物復合改性作用,使得瀝青60 ℃動力黏度極大提升.石油樹脂能夠增強瀝青結合料與集料、瀝青混合料與原路面的黏結力.加入表面活性劑,在不影響瀝青結合料性能的情況下,實現(xiàn)高黏瀝青乳化效果穩(wěn)定.

表2為NTR高黏常溫精薄罩面改性瀝青與SBS改性瀝青和BCR乳化改性瀝青的技術要求[4]對比結果.由表2可以看出,NTR高黏常溫精薄罩面改性瀝青各項性能指標較傳統(tǒng)的SBS改性瀝青和BCR乳化改性瀝青明顯提高.軟化點達到了90 ℃以上,60 ℃動力黏度達到11萬帕秒以上,具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能.另外,高黏度瀝青能夠提高瀝青膜厚度至14 μm以上的同時,瀝青結合料有效裹附于集料表面,形成豐富瀝青膠結料,提高水穩(wěn)定性和抗松散性[3、5].5 ℃低溫延度達到改性瀝青的低溫延度指標.薄膜加熱模擬的是熱拌瀝青混合料在加熱拌和過程中瀝青的短期老化過程,與熱拌瀝青混合料不同,高黏常溫精薄罩面由于采用常溫拌和攤鋪工藝,其瀝青性能相較經(jīng)過熱拌短期老化的熱拌瀝青混合料相比,攤鋪后的瀝青低溫性能優(yōu)勢顯著[6].微表處用改性乳化瀝青普遍采用SBR膠乳作為改性劑,但其延度斷裂拉力和彈性恢復是不能與NTR改性瀝青相比擬的.彈性恢復達到了98%,加之豐富的高黏瀝青膜厚度、未經(jīng)短期老化作用的低溫延度,提高了瀝青混合料的抗裂性,有效減緩罩面層開裂問題[7].

2 試驗方法與混合料性能

2.1 試驗方法設計

2.1.1 基于微表處試驗方法設計

為模擬現(xiàn)場常溫攤鋪碾壓的施工工藝,評價瀝青混合料耐磨耗性能,試驗研究按3～5 mm:0～3 mm:NTR=80%:20%:13%配合比比例進行拌和,拌和時間不超過30±2 s.將拌勻的混合料倒入濕輪磨耗試模中并迅速刮平,取走模板.養(yǎng)生環(huán)境與預計的施工環(huán)境溫度相近.待混合料表面完全破乳后且完全成型之前,將試件置于輪碾成型機,輪碾表面應用濕布擦拭濕潤,碾壓2個往返(4次),碾壓過程中應用水霧噴灑輪碾以防止粘輪.再將碾壓后的試件放入60±3 ℃的烘箱中烘至恒重,不少于24 h,再至于室內通風良好的環(huán)境下靜置不少于6 h.之后按T0752后續(xù)試驗步驟進行濕輪磨耗試驗,計算磨耗值[6].

2.1.2 基于超薄罩面試驗方法設計

為與熱拌瀝青混合料超薄罩面比較瀝青混合料的性能,將拌和后的高黏常溫精薄罩面混合料置于淺盤,放入60℃烘箱烘至完全破乳并恒重.烘干過程中應間隔一段時間翻拌混合料,加快破乳.將混合料加熱至試驗擊實溫度175±5 ℃,按T0702馬歇爾擊實方法雙面擊實50次.再按T0733進行混合料肯塔堡飛散試驗,測定混合料肯塔堡飛散損失.按T0708壓實瀝青混合料密度試驗(體積法)測定混合料的毛體積相對密度,并計算空隙率[8].

2.2 混合料性能

《公路瀝青路面預防養(yǎng)護技術規(guī)范》JTG/T 5142-01—2021中將微表處級,對A級微表處提出更高的技術要求[2].本研究按照設計的試驗方法對高黏常溫精薄罩面混合料進行肯塔堡飛散損失和濕輪磨耗試驗,與UTO空隙型超薄罩面混合料、A級微表處技術要求進行比對分析,如表3所示.

表3 高黏常溫精薄罩面混合料與超薄罩面、微表處瀝青混合料技術指標比對

通過與超薄罩面和微表處技術要求比對可以看出,高黏度NTR改性瀝青與高瀝青膜厚度的NTAC-5混合料,配合可碾壓工藝,高黏常溫精薄罩面混合料1 h濕輪磨耗值為0 g/m2,說明該混合料抗剝落性能遠高于微表處.6 d濕輪磨耗值遠小于微表處技術要求,肯塔堡飛散指標滿足超薄罩面不大于15%的技術要求,高黏常溫精薄罩面混合料表現(xiàn)出良好的抗剝落和抗水損性能.

3 工程應用效果

2022年7月在S245武靜線K0043+700～K0043+900實施了高黏常溫精薄罩面試驗段,鋪筑厚度為7 mm.施工方法簡單快速,施工工藝為:稀漿封層車就地常溫拌和攤鋪→破乳→碾壓→養(yǎng)生.

底部富余瀝青可有效封水和保障層間粘結,原路面不需要進行銑刨拉毛處置.采用稀漿封層車進行混合料攤鋪,攤鋪前按標定曲線提前調節(jié)混合料出料速度,按設計配合比標定瀝青用量.混合料攤鋪后自然養(yǎng)生1～2 h待完全破乳后、成型前進行靜壓.先由5 t輕型雙鋼壓路碾壓1～2遍,再由8 t輪胎壓路機碾壓2～3遍,碾壓過程應保證灑水裝置完全覆蓋碾壓輪,嚴禁壓路機在作業(yè)面急剎或停留.碾壓后養(yǎng)生0.5 h待路表水分蒸發(fā)即可開放交通.

實施通車3個月后檢測了噪音、橫向力系數(shù)和PCI檢測指標評價高黏常溫精薄罩面舒適性、安全性和養(yǎng)護效果.

3.1 降噪效果

高黏常溫精薄罩面采用開機配瀝青混合料,空隙率可達15%～28%,具有良好的降噪效果,如圖2所示.實施后能夠達到超薄罩面的降噪效果,較原路面噪音降低約3 dB,相比微表處可降低噪音約7 dB,有效提高了行車舒適性,可適用于各等級公路及城市道路的預防性養(yǎng)護施工.

圖2 各類型路面行車噪音對比

3.2 抗滑性能

由表4可以看出,實施高黏常溫精薄罩面后原路面抗滑水平顯著提升,構造深度可達0.9 mm,降低攤鋪厚度的同時,解決了細粒式瀝青混合料摩擦系數(shù)不足的難點問題.實現(xiàn)預防性養(yǎng)護經(jīng)濟性的同時,有效保證了行車安全性.

表4 高黏常溫精薄罩面施工前后橫向力系數(shù)對比

3.3 養(yǎng)護效果

由表5可以看出,實施高黏常溫精薄罩面后全部消除路面破損,路段仍處在完好水平,無剝落、破損,能夠維持較高的路面技術狀況,體現(xiàn)出了良好的養(yǎng)護效果.

表5 高黏常溫精薄罩面施工前后PCI對比

4 經(jīng)濟效益

將不同的瀝青路面養(yǎng)護技術經(jīng)濟效益進行對比,如表6所示.

表6 不同養(yǎng)護措施等效年度成本EAC

高黏常溫精薄罩面采用微表處就地常溫拌和攤鋪和配合適當碾壓的施工工藝,無需瀝青混合料拌和設備、同步一體攤鋪機,節(jié)省了大量設備機具費用,也節(jié)省了高黏乳化改性瀝青黏層費用.相比薄層和超薄罩面,高黏常溫精薄罩面單位成本相比其他罩面類的單位成本明顯降低,比微表處單位成本略高,但取得的路用性能效果比微表處更好,更具有降噪和美化路面的功能,使用壽命較微表處要長,等效年度成本EAC最低.

5 結論

1)通過提高NTR改性瀝青動力黏度和增大瀝青用量,保證瀝青混合料的高溫性能的前提下,實現(xiàn)高黏常溫精薄罩面可壓實性.

2)NTAC-5骨架空隙結構瀝青混合料可提升高黏常溫精薄罩面的抗滑性能,降低路面噪音,提高了罩面層的行車安全性和舒適性.

3)通過與超薄罩面和微表處混合料性能比對分析發(fā)現(xiàn),高黏常溫精薄罩面具有超薄罩面瀝青混合料的路用性能和使用效果,且不需要超薄罩面施工所需要的拌和設備、同步一體攤鋪機、高黏改性乳化瀝青黏層等復雜的工藝設備和材料,具有較高的性價比.

4)該工藝施工簡便、節(jié)能環(huán)保、鋪筑厚度薄,大大降低石料和瀝青資源的同時,可減少瀝青路面養(yǎng)護施工過程中有害氣體的排放以及對施工人員身體健康的影響.