排水瀝青路面表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)比

趙麗華， 白子玉,2， 許 斌， 劉少華

(1.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 大連 116000； 2.中路高科(北京)公路技術(shù)有限公司， 北京 100088； 3.大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院， 大連 116000)

排水瀝青路面是世界公認(rèn)的高安全性功能路面，具有抗滑性能高、抑制雨天行車水霧、提高行車安全性以及舒適性、降低噪聲等技術(shù)特點(diǎn)[1-3]。目前，排水瀝青路面在中國(guó)已得到廣泛推廣。排水瀝青混合料是一種粗集料相互嵌擠形成的骨架型結(jié)構(gòu)，由于其大孔隙、開級(jí)配的特性，飛散掉粒及其引發(fā)的坑槽是最主要的結(jié)構(gòu)病害，且一旦飛散發(fā)生將會(huì)呈現(xiàn)“多米諾效應(yīng)”，即飛散面積和程度會(huì)加速破壞[4-6]。排水瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)是目前針對(duì)其飛散病害最有效的手段。荷蘭研發(fā)了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)專用材料及其灑布車，并測(cè)試、評(píng)估了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用效果[7]。Zhang 等[8]研究發(fā)現(xiàn)飛散病害對(duì)排水瀝青路面的使用壽命影響較大，并通過(guò)再生劑提高了路面的自愈能力，延長(zhǎng)了路面的使用壽命。美國(guó)主要采用霧狀封層及還原劑對(duì)OGFC(open graded friction course)路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[9]。Boyer[10]研究發(fā)現(xiàn)，降低路面頂部瀝青黏度并做好路面封層可有效延長(zhǎng)路面的使用壽命。Prapaitrakul等[11]研究發(fā)現(xiàn)霧狀封層通過(guò)減少水和空氣對(duì)排水瀝青路面面層的滲透來(lái)預(yù)防路面老化并減少飛散與開裂。Brownridge[12]對(duì)比了再生劑與普通瀝青乳液的使用效果，發(fā)現(xiàn)再生劑可以較低的成本有效延長(zhǎng)路面壽命。盧傳忠等[13]通過(guò)沿海高速公路(鹽通段)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程發(fā)現(xiàn)，其對(duì)排水瀝青路面功能性能的恢復(fù)以及其使用壽命的延長(zhǎng)有極其重要的作用。Xu 等[14-15]研發(fā)了三種不同類型的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料，并依托沈海高速公路在南通到鹽城段實(shí)施了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)段，取得了良好的應(yīng)用效果。塵福濤等[16]評(píng)估了滲透性樹脂材料對(duì)排水瀝青路面的表面強(qiáng)化效果，發(fā)現(xiàn)這種材料能有效抑制路面早期飛散病害的發(fā)生。殷俊等[17]將小粒徑排水型抗滑超薄磨耗層作為路面的表面強(qiáng)化措施，并通過(guò)攤鋪試驗(yàn)段，證明其具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和排水抗滑效果。

根據(jù)中外排水瀝青路面應(yīng)用以及研究，飛散掉粒是排水瀝青路面主要的結(jié)構(gòu)病害，中外針對(duì)飛散掉料主要采用噴灑還原劑進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，這種方式主要適用于飛散出現(xiàn)前，其原理主要是改善老化瀝青的性質(zhì)或者在排水瀝青路面覆蓋一層未老化的瀝青膜。以往的研究中多采用撒布滲透性樹脂或鋪設(shè)路面超薄磨耗層等措施，本文研究采用水性環(huán)氧乳化瀝青以及環(huán)氧樹脂砂漿兩種手段對(duì)排水瀝青路面進(jìn)行表面強(qiáng)化，提高其抵抗飛散病害的能力。

1 試驗(yàn)材料

1.1 水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂砂漿原材料

(1)水性環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產(chǎn)物，含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類熱固性材料，通過(guò)環(huán)氧基的開環(huán)可與多種含有活潑氫的化合物固化交聯(lián)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度。采用水性環(huán)氧樹脂和雙組分常溫固化型環(huán)氧樹脂，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)

(2)機(jī)制砂。機(jī)制砂采用0～3 mm單粒徑機(jī)制砂，技術(shù)指標(biāo)如表2所示，規(guī)格要求如表3所示。

表2 機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)

表3 機(jī)制砂規(guī)格要求

(3)色粉。環(huán)氧樹脂砂漿凝固后略顯黃色，為了使環(huán)氧砂漿凝固后和路面顏色趨于一致，在環(huán)氧砂漿內(nèi)加入黑色色粉，其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 色粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 排水瀝青混合料級(jí)配

排水瀝青混合料(PAC)采用高黏度改性瀝青，玄武巖粗集料，石灰?guī)r機(jī)制砂以及石灰?guī)r礦粉，油石比為4.8%，外摻0.1%的聚酯纖維(質(zhì)量比)，采用PAC-13級(jí)配，級(jí)配如表5所示。

表5 PAC-13級(jí)配

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)試件準(zhǔn)備

水性環(huán)氧乳化瀝青主要成分為瀝青、陽(yáng)離子乳化劑、水、水性環(huán)氧樹脂；環(huán)氧樹脂砂漿主要成分為環(huán)氧樹脂、黑色色粉、單粒徑機(jī)制砂?；旌狭显嚰苽洳襟E如下。

(1)按照配方分別制備好水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂砂漿。

(2)將表面強(qiáng)化材料按照設(shè)計(jì)用量均勻涂抹到排水瀝青混合料試件表面，其中水性環(huán)氧乳化瀝青材料用量為0.02 g/cm2，環(huán)氧樹脂砂漿材料用量為0.2 g/cm2。

(3)將涂抹好表面強(qiáng)化材料的排水瀝青混合料試件在常溫下養(yǎng)生24 h，留待進(jìn)行下一步試驗(yàn)。效果如圖1所示。

圖1 表面強(qiáng)化效果

2.2 滲水性能

滲水性能的強(qiáng)弱決定了排水瀝青路面排水功能的強(qiáng)弱，其通過(guò)滲水系數(shù)來(lái)表征。為了研究不同表面強(qiáng)化材料對(duì)排水瀝青路面滲水性能的影響，采用全自動(dòng)滲水系數(shù)測(cè)試儀對(duì)車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm)進(jìn)行涂抹表面強(qiáng)化材料前后滲水試驗(yàn)，測(cè)定排水瀝青混合料滲水系數(shù)，測(cè)定結(jié)果如表6所示。

表6 滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

按照式(1)計(jì)算得到環(huán)氧砂漿對(duì)滲水系數(shù)的影響。

(1)

式(1)中：PDR為滲水系數(shù)降低率，%；C為表面強(qiáng)化后混合料的滲水系數(shù)，mL/min；C0為原瀝青混合料的滲水系數(shù)，mL/min。

由結(jié)果可以看出，采用表面強(qiáng)化材料對(duì)排水瀝青混合料試件表面強(qiáng)化后，滲水系數(shù)均有所下降，涂抹環(huán)氧樹脂砂漿試件滲水系數(shù)下降14.6%，涂抹水性環(huán)氧乳化瀝青試件滲水系數(shù)下降6.6%，涂抹環(huán)氧樹脂砂漿試件滲水系數(shù)下降幅度大于涂抹水性環(huán)氧乳化瀝青試件。這是因?yàn)樗原h(huán)氧乳化瀝青材料中的環(huán)氧樹脂和瀝青覆蓋在混合料表面，同時(shí)有部分水性環(huán)氧樹脂和乳化瀝青深入到了混合料內(nèi)部空隙，影響了混合料的空隙率；環(huán)氧樹脂砂漿除了部分環(huán)氧樹脂滲入了混合料內(nèi)部空隙之外，同時(shí)細(xì)小的機(jī)制砂填充了排水瀝青路面表面的空隙，這樣就在混合料表面形成了一層較為致密的砂漿層阻止了水分快速進(jìn)入混合料內(nèi)部空隙并排出混合料內(nèi)部。

2.3 抗飛散性能

2.3.1 肯塔堡飛散試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，只對(duì)排水瀝青混合料試件強(qiáng)化面的飛散損失進(jìn)行分析。

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》T 0733—2011中瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)方法，擬采用如下試驗(yàn)步驟進(jìn)行研究。

(1)準(zhǔn)備好排水瀝青混合料馬歇爾試件。

(2)對(duì)排水瀝青混合料馬歇爾試件采用表面強(qiáng)化材料進(jìn)行涂抹，常溫下養(yǎng)護(hù)24 h。

(3)將養(yǎng)護(hù)好的試件在規(guī)定溫度下進(jìn)行恒溫20 h，稱取試件質(zhì)量m0。

(4)取出排水瀝青馬歇爾試件并迅速(1 min內(nèi))采用聚合物高強(qiáng)度膠帶將混合料試件未強(qiáng)化的面進(jìn)行包裹，包裹尺寸應(yīng)滿足膠帶距離試件表面不超過(guò)2 cm，保證包裹面的混合料在試驗(yàn)結(jié)束后不會(huì)碎渣漏出，稱取包裹試件質(zhì)量m1。

(5)將包裹好試件置入洛杉磯磨耗儀中，開動(dòng)儀器，按30～33 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)。儀器停止后，取出剩余最大試件部分，稱其質(zhì)量m2。

(6)按照式(2)計(jì)算試件單面肯塔堡飛散損失率RR。

(2)

式(2)中：m0為排水瀝青馬歇爾試件的質(zhì)量，g；m1為包裹后排水瀝青馬歇爾試件的質(zhì)量，g；m2為包裹后排水瀝青馬歇爾試件飛散試驗(yàn)剩余的質(zhì)量，g。

排水瀝青混合料試件單面肯塔堡試驗(yàn)變化示意圖如圖2所示。

圖2 排水瀝青混合料試件單面肯塔堡試驗(yàn)變化示意圖

不同表面強(qiáng)化材料對(duì)排水瀝青混合料強(qiáng)化后的單面肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 混合料飛散損失試驗(yàn)結(jié)果

按照式(3)計(jì)算得到環(huán)氧砂漿對(duì)抗飛散性的影響。

(3)

式(3)中：RDR為飛散損失降低率，%；RR為表面強(qiáng)化后瀝青混合料的飛散損失，%；RR0為原瀝青混合料的飛散損失，%。

由結(jié)果可以看出，采用表面強(qiáng)化材料對(duì)排水瀝青混合料試件表面強(qiáng)化后，飛散損失均呈現(xiàn)一定程度的降低，涂抹水性環(huán)氧乳化瀝青后，飛散損失下降了13.4%，涂抹環(huán)氧樹脂砂漿后，飛散損失下降了28.4%。涂抹水性環(huán)氧乳化瀝青后，環(huán)氧樹脂和瀝青覆蓋在混合料表面，在混合料表面形成一層保護(hù)膜，同時(shí)有部分水性環(huán)氧樹脂和乳化瀝青深入到了混合料內(nèi)部空隙，環(huán)氧樹脂和瀝青具有較好的黏結(jié)性，增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性從而提高了混合料的抗飛散性；涂抹環(huán)氧砂漿后，細(xì)小的機(jī)制砂填充了排水瀝青路面表面的空隙且有部分環(huán)氧樹脂滲入了混合料內(nèi)部空隙，機(jī)制砂較好地黏結(jié)在混合料表面，同時(shí)環(huán)氧樹脂具有較強(qiáng)的黏結(jié)力，增加了瀝青混合料的整體性從而提高了混合料的抗飛散性。

2.3.2 濕輪磨耗試驗(yàn)

(1)稱取車轍板試件質(zhì)量m，并計(jì)算車轍板試件濕輪磨耗質(zhì)量m0。

(2)將試件裝入濕輪磨耗設(shè)備的試模中，啟動(dòng)循環(huán)水浴，保持所需的試驗(yàn)溫度60 ℃恒溫水浴養(yǎng)生1.5～2 h。

(3)開啟設(shè)備，在一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)，每完成1 000次稱取車轍試件損失質(zhì)量mn，統(tǒng)計(jì)記錄，根據(jù)實(shí)際情況所需次數(shù)完成試驗(yàn)。

(4)按照式(4)計(jì)算試件飛散損失率。

(4)

式(4)中：m0為車轍板試件濕輪磨耗質(zhì)量，g；mn為第n個(gè)1 000 次濕輪磨耗后車轍板試件損失質(zhì)量，g。

采用濕輪磨耗儀測(cè)試其抗飛散能力，結(jié)果如表8及圖3所示。

從表8及圖3可以看出，三種試件的磨耗損失的規(guī)律總體相近，可分為三個(gè)階段：第一階段試件飛散損失相對(duì)較平穩(wěn)，此時(shí)被濕輪磨去的主要是車轍板表面的瀝青油膜；第二階段試件飛散損失快速增加，此時(shí)車轍板表面的瀝青油膜已所剩無(wú)幾，裸漏出來(lái)的集料被磨去或磨斷；第三階段試件飛散損失再次趨于平穩(wěn)，此時(shí)集料表面較為光滑。水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧砂漿在試件表面形成保護(hù)層，故二者試件飛散較小，且涂抹環(huán)氧砂漿的試件進(jìn)入第二階段較晚。綜合來(lái)看，二者均能有效增強(qiáng)排水瀝青混合料的抗飛散性能，且環(huán)氧砂漿的效果優(yōu)于水性環(huán)氧乳化瀝青。

表8 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

圖3 濕輪磨耗飛散對(duì)比

2.4 抗滑性能

路面的抗滑性能是指路面提供防止車輛輪胎滑動(dòng)和減小制動(dòng)距離的能力，是行車安全的關(guān)鍵指標(biāo)。摩擦系數(shù)是表征路面抗滑性能的指標(biāo)。采用擺式摩擦系數(shù)儀測(cè)定排水瀝青混合料車轍板試件涂抹表面強(qiáng)化材料前后的摩擦系數(shù)。結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出，采用表面強(qiáng)化對(duì)排水瀝青混合料試件表面強(qiáng)化后，摩擦系數(shù)較原試件均呈現(xiàn)一定程度的降低，但下降幅度較小，這是因?yàn)槿榛癁r青及環(huán)氧樹脂固化后在混合料表面形成一層薄膜，在初期一定程度上降低了路面的抗滑功能。

表9 混合料摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3 工程應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)段實(shí)施

為了評(píng)價(jià)表面強(qiáng)化材料用于排水瀝青路面表面強(qiáng)化的應(yīng)用效果，依托西阜高速公路(西柏坡到阜平方向)排水瀝青路面進(jìn)行表面強(qiáng)化試驗(yàn)段實(shí)施，并對(duì)表面強(qiáng)化效果進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)排水瀝青路面表面強(qiáng)化技術(shù)的長(zhǎng)期應(yīng)用性能。試驗(yàn)段表面強(qiáng)化材料用量為水性環(huán)氧乳化瀝青材料0.2 kg/m2(0.02 g/cm2)，環(huán)氧樹脂砂漿材料2 kg/m2(0.2 g/cm2)。應(yīng)用對(duì)比效果如圖4所示。

圖4 表面強(qiáng)化施工效果圖

3.2 路用效果及性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)環(huán)氧砂漿對(duì)排水瀝青路面表面強(qiáng)化的應(yīng)用效果，采用了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及鉆取芯樣室內(nèi)試驗(yàn)分析兩種方法對(duì)該路面進(jìn)行性能檢測(cè)。

3.2.1 滲水性能

參照試驗(yàn)規(guī)程JTG E60—2008《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》中T 0971—2008試驗(yàn)方法，采用全自動(dòng)滲水系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行排水瀝青路面表面強(qiáng)化前后不同時(shí)期的滲水系數(shù)測(cè)定。測(cè)試結(jié)果如表10所示。

結(jié)合表10，按照式(1)計(jì)算排水瀝青路面滲水系數(shù)的降低率，結(jié)果如表11所示。

表10 滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表11 滲水系數(shù)降低率

根據(jù)表10、表11計(jì)算滲水系數(shù)降低率，結(jié)果如圖5所示。

由表10、表11及圖5可以看出，三種路面的滲水性能均隨著時(shí)間推移而衰減，且表面強(qiáng)化后的排水瀝青路面滲水系數(shù)有一定程度的損失，但在路面投入運(yùn)營(yíng)以后，3個(gè)月以及6個(gè)月的滲水系數(shù)衰減速率均小于普通排水瀝青路面，這說(shuō)明排水瀝青路面表面強(qiáng)化后，具有一定的防堵塞功能。

圖5 滲水系數(shù)降低率

3.2.2 抗滑性能

參照試驗(yàn)規(guī)程JTG E60—2008《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》中的試驗(yàn)方法，采用擺式摩擦系數(shù)儀檢測(cè)排水瀝青路面表面強(qiáng)化前后不同時(shí)期的摩擦系數(shù)。測(cè)定結(jié)果如表12所示。

表12 摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，表面強(qiáng)化后的排水瀝青路面摩擦系數(shù)有所下降，主要是水性環(huán)氧乳化瀝青或者環(huán)氧樹脂凝固后在排水瀝青路面表面形成一層薄膜造成摩擦系數(shù)在初期有所降低，隨著路用時(shí)間增長(zhǎng)，路面輪胎之間的磨耗減弱了薄膜的影響，摩擦系數(shù)有一個(gè)微小的回升，這說(shuō)明表面強(qiáng)化材料對(duì)排水瀝青路面的抗滑性影響不大。

3.2.3 抗飛散性能

為了評(píng)價(jià)排水瀝青路面表面強(qiáng)化前后不同時(shí)期抗飛散能力的改善效果，在排水瀝青路面鉆取芯樣之后，采用前面提出單面肯塔堡飛散試驗(yàn)方法測(cè)試抗飛散能力。試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

表13 飛散試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，表面強(qiáng)化后的排石瀝青路面芯樣單面肯塔堡飛散損失在不同時(shí)期均小于未做表面強(qiáng)化的普通排水瀝青路面芯樣，這是因?yàn)樗原h(huán)氧乳化瀝青或者環(huán)氧樹脂砂漿覆蓋在排水瀝青路面表面增強(qiáng)了排水瀝青路面的整體性，同時(shí)水性環(huán)氧乳化瀝青或者環(huán)氧樹脂滲入排水瀝青路面內(nèi)部空隙，其具有良好的黏結(jié)力，增強(qiáng)了石料與石料之間的黏結(jié)強(qiáng)度。結(jié)果表明表面強(qiáng)化材料可以增強(qiáng)排水瀝青路面抵抗飛散病害的能力。

4 結(jié)論

對(duì)水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂砂漿用于排水瀝青路面表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究排水瀝青混合料表面強(qiáng)化材料，并將研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程，主要結(jié)論如下。

(1)表面強(qiáng)化技術(shù)可用于新建排水瀝青路面，也可用于排水瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)以及飛散病害剛開始發(fā)生時(shí)的修補(bǔ)，可以延緩飛散病害以及空隙堵塞，延長(zhǎng)排水瀝青路面的使用壽命。

(2)通過(guò)室內(nèi)滲水試驗(yàn)、單面肯塔堡飛散試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)以及擺式摩擦系數(shù)試驗(yàn)研究了表面強(qiáng)化材料的室內(nèi)性能，水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂砂漿對(duì)排水瀝青路面的滲水性能和抗滑性能影響不大，同時(shí)可以有效提高排水瀝青混合料抗飛散的能力，且環(huán)氧砂漿的效果優(yōu)于水性環(huán)氧乳化瀝青。

(3)采用水性環(huán)氧乳化瀝青和環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行排水瀝青路面表面強(qiáng)化試驗(yàn)段應(yīng)用，結(jié)果表明，表面強(qiáng)化在完成時(shí)對(duì)路面滲水性能造成了一定的影響，但其滲水功能衰減速率明顯緩于普通排水瀝青路面，說(shuō)明表面強(qiáng)化具有一定的防止排水瀝青路面空隙堵塞的功能；表面強(qiáng)化對(duì)排水瀝青路面抗滑性能影響較小，且能較大提高其抵抗飛散病害的能力。