瀝青路面霧封層材料路用性能研究

宋琿

[摘? 要]：針對(duì)現(xiàn)有霧封層材料性能評(píng)價(jià)研究的不足， 文章通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)根據(jù)固化時(shí)間、黏度和溶液是否分層等因素來(lái)選擇材料最佳配比為切入點(diǎn);通過(guò)抗滑試驗(yàn)、構(gòu)造深度試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)來(lái)確定最佳撒布量;最終對(duì)材料本身性能進(jìn)行黏附性能測(cè)試、耐磨性能測(cè)試和抗水損性能測(cè)試，旨在對(duì)霧封材料進(jìn)行較為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：（1）水性環(huán)氧固化劑：水的最佳配比為1∶1.5∶3.75;不粘輪乳化瀝青中不粘輪乳液最佳摻量為10%;（2）水性環(huán)氧材料的最佳撒布量為0.5 kg/m2;不粘輪乳化瀝青的最佳撒布量為0.6 kg/m2;（3）通過(guò)對(duì)兩種材料進(jìn)行黏附性能、耐磨性能以及抗水損性能試驗(yàn)可以看出兩種材料的各項(xiàng)性能均隨著溫度的升高都有不同程度的降低。不粘輪乳化瀝青材料的降低幅度明顯大于水性環(huán)氧材料，并且水性環(huán)氧材料的各項(xiàng)性能優(yōu)于不粘輪乳化瀝青材料。

[關(guān)鍵詞]：路面預(yù)養(yǎng)護(hù);水性環(huán)氧樹脂;不粘輪乳化瀝青;材料配比;撒布量;材料性能

U418.6+5B

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通量迅速上升，高速公路在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于高負(fù)荷狀態(tài)[1]。當(dāng)高速公路經(jīng)常處于這種狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種微病害，當(dāng)這些路面微病害不及時(shí)處治，將發(fā)展成唧漿、裂縫、坑槽、松散等[2-3]。因此，工程技術(shù)人員開始關(guān)注并研究高速公路病害，高速養(yǎng)護(hù)將迎來(lái)一個(gè)連續(xù)的高峰周期[4-5]。常見的路面病害處理方式有霧封、挖補(bǔ)、灌縫、銑刨和修補(bǔ)等[6]，但傳統(tǒng)的挖補(bǔ)、灌縫、銑刨和修補(bǔ)等處理方式往往是在病害后期進(jìn)行，此時(shí)處理不僅耗資巨大，并且封閉施工對(duì)社會(huì)影響以及后期道路的使用造成巨大的影響，而霧封層由于防水、抗滑、耐磨以及經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)使其在各類道路養(yǎng)護(hù)中得到了廣泛推廣[7]。

為評(píng)價(jià)霧封材料的性能，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了各個(gè)方面的研究。曾德亮[8]研究指出霧封材料可以有效地提高路面的防水抗?jié)B功能;李煒光等[9]研究指出霧封材料有良好的耐磨性與耐久性;袁偉[10]研究指出霧封材料能夠有效地防止水分進(jìn)入路面內(nèi)部，從有效地防止混合料發(fā)生水損破壞。舒凡[11]研究指出綜合抗滑和構(gòu)造深度等因素最終確定施工中霧封層材料用量范圍為0.40～0.45 L/m2;方維澄等[12]研究指出霧封材料具有良好的滲透性能和再生性能;Jing Yingjun等[13]研究指出霧封材料具有較好的粘結(jié)強(qiáng)度、滲透性和耐老化性，并且0.6 kg/m2的防密封材料表現(xiàn)出最好的防滑耐磨和透水性能;Qi Chen等[14]研究指出霧封材料良好的快干性能、穩(wěn)定性和老化瀝青的再生性能。

通過(guò)以上學(xué)者的相關(guān)研究不難看出他們雖然對(duì)封層材料效果進(jìn)行了不同程度的研究，但未系統(tǒng)的從霧封材料撒布量開始，系統(tǒng)的對(duì)處置效果和材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此本文選取2種常見的霧封材料，從材料最佳配比的確定開始，然后研究2種材料的路用性能來(lái)確定撒布量，最后對(duì)材料本身進(jìn)行測(cè)試，為霧封層材料的性能研究提供較為系統(tǒng)的試驗(yàn)支撐。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 水性環(huán)氧材料參數(shù)

本研究采用水性環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的流動(dòng)性能，從而起到封堵細(xì)小空隙的效果。通過(guò)水性環(huán)氧樹脂、水性環(huán)氧固化劑和水三者之間的配比共同決定了其混合溶液的水溶性、固化時(shí)間和下滲效果。

1.1.2 不粘輪乳化瀝青材料參數(shù)

本研究采用不粘輪乳化瀝青由不粘輪乳液與PC-2乳化瀝青攪拌制成，具有防水、滲透性強(qiáng)、不粘輪、固化后粘結(jié)力強(qiáng)和破乳速度快等特點(diǎn)。

1.2 確定配比試驗(yàn)方法

1.2.1 水性環(huán)氧配比試驗(yàn)

由于水性環(huán)氧樹脂需要與水性環(huán)氧固化劑和水達(dá)到合適的比例才能顯示理想效果，因此本次試驗(yàn)以廠商推薦的配比為基礎(chǔ)，共設(shè)計(jì)了7組試驗(yàn)來(lái)確定各種組分比例，根據(jù)其固化時(shí)間、黏度和溶液是否分層等因素來(lái)選擇最佳配比。最后為了選取出溶劑（水性環(huán)氧樹脂+水性環(huán)氧固化劑）與溶液（水）的最優(yōu)配比，以方案最佳水性環(huán)氧樹脂和水性環(huán)氧固化劑的配比為基礎(chǔ)，新增了另外4種配比方案，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2.2 不粘輪乳化瀝青配比試驗(yàn)

由于不粘輪乳液的比例直接影響到不粘輪乳化瀝青的不粘輪效果，因此參照廠商推薦配比，設(shè)計(jì)了如表2所示的4種配比。具體操作步驟為：在車轍板上涂上待測(cè)材料，待材料破乳后分別于60 ℃和25 ℃下恒溫養(yǎng)護(hù)4 h。在車轍板上墊一張白紙用0.7 MPa橡膠輪碾壓往返一次后，觀察白紙上黏附材料的含量，來(lái)確定不粘輪乳液含量。

1.3 確定撒布量試驗(yàn)方法

在車胎反復(fù)荷載作用下，瀝青路面的光潔度逐漸提高，抗滑性逐漸下降，導(dǎo)致行車安全問(wèn)題，尤其是在潮濕條件下。因此，在一定的階段，需要對(duì)路面表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚员Ｗo(hù)表面紋理，保證良好的摩擦性能。當(dāng)封層材料的撒布量過(guò)少時(shí)，瀝青路面的抗?jié)B性能難以保證，水分仍會(huì)通過(guò)修補(bǔ)薄弱處進(jìn)入路面從而發(fā)生一系列路面病害;相反，當(dāng)封層材料的撒布量過(guò)多時(shí)，瀝青路面的抗滑能力和構(gòu)造深度難以保證，容易引發(fā)一系列交通事故。因此，在滿足抗滑性能和構(gòu)造深度的要求基礎(chǔ)上盡可能增加霧封層的灑布量來(lái)提高瀝青路表的抗?jié)B性能，此時(shí)的撒布量即為最佳撒布量，張翔[15]研究也佐證這一點(diǎn)。根據(jù)張翔[15]和陳俊宇[16]的相關(guān)研究，本次水性環(huán)氧和不粘輪乳化瀝青各選取3種灑布量，其中水性環(huán)氧的撒布量取0.4 kg/m2、0.5 kg/m2和0.6 kg/m2;不粘輪乳化瀝青的撒布量取0.5 kg/m2、0.6 kg/m2和0.7 kg/m2。最后將待確定的最佳撒布量經(jīng)室內(nèi)滲水試驗(yàn)和路面滲水試驗(yàn)檢測(cè)，如果滲水系數(shù)滿足規(guī)范要求那么該待確定的最佳撒布量即為最終的最佳撒布量。如圖1所示。

1.4 材料性能試驗(yàn)方法

1.4.1黏附性能

霧封層脫落主要是由于霧封材料與粗集料的黏附性不足，而作為氣動(dòng)粘接拉力試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)版，BBS試驗(yàn)用于測(cè)定粘結(jié)劑與骨料之間的粘接強(qiáng)度。具體操作步驟為：將2種霧封層材料按最佳配比混合后均勻的滴至切割好的小梁上，待2種材料完全固化或者完全破乳后，再用膠水將拉拔頭粘附到霧封材料上，當(dāng)膠水完全干透后再把試件分別放入25 ℃和60 ℃烘箱中養(yǎng)護(hù)6 h，最后采用BBS測(cè)試2種材料拉拔強(qiáng)度，以評(píng)定霧封材料與集料的黏附性，具體見圖2。所示若此時(shí)破壞界面為封層材料與拔頭之間的破壞，那么這個(gè)結(jié)果應(yīng)當(dāng)舍去。其原因：此時(shí)的破壞強(qiáng)度難以表征材料與試件之間的拉拔強(qiáng)度，可能是因?yàn)槟z水未粘牢而引起的。

1.4.2 耐磨性能

路面與輪胎接觸會(huì)對(duì)霧封層造成磨損，但是由于霧封層材料尚未有成熟的耐磨性評(píng)價(jià)方式，因此本次研究采用改裝瀝青砂漿粘聚力試驗(yàn)儀測(cè)試霧封層材料耐磨性。具體操作步驟為：將霧封材料倒入鐵盤中后，待2種材料完全固化或者完全破乳后，將2種材料分別于25 ℃和60 ℃養(yǎng)護(hù)6 h，最后通過(guò)扭矩扳手測(cè)出的扭矩來(lái)評(píng)價(jià)耐磨性，見圖3。

1.4.3 抗水損性能

本文濕輪磨耗試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)水性環(huán)氧和不粘輪乳化瀝青的抗水損性能。將水性環(huán)氧和不粘輪乳化瀝青按照上述灑布量涂抹在玄武巖石板上，待其干燥后，放入60 ℃高溫浸泡48 h，再將試件放入濕輪磨耗儀進(jìn)行磨耗，磨耗值越大表明抗水損害性能越差，反之，越小。如圖4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 配比試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 水性環(huán)氧配比試驗(yàn)結(jié)果

圖5（a）～圖5（c）表明，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂與水性環(huán)氧固化劑的比例大于1∶1.5時(shí)（即圖5（a）～圖5（c））溶液明顯分層，所以方案1-1～1-3舍去。圖5（e）～圖5（g）雖然未分層，但固化后極易脆斷。因此，綜合各項(xiàng)性能，取水性環(huán)氧樹脂與水性環(huán)氧固化劑比例為1∶1.5。

圖5（j）和圖5（k）顯示：水過(guò)多容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。圖5（g）和5（h）雖未分層，但水性環(huán)氧溶液的道路標(biāo)準(zhǔn)粘度過(guò)大，流動(dòng)性差，霧封層材料難以滲透到路面微縫隙中。因此，本文水性環(huán)氧溶液中水性環(huán)氧樹脂、水性環(huán)氧固化劑和水的最佳配比為1∶1.5∶3.75。

2.1.2 不粘輪乳化瀝青配比試驗(yàn)結(jié)果

圖6表明：無(wú)論是何種溫度環(huán)境下，隨著不粘輪乳液用量的增加不粘輪乳化瀝青的不粘輪效果明顯變好;同時(shí)，無(wú)論是何種摻量下，隨著溫度的增加不粘輪乳化瀝青的不粘輪效果變差，但當(dāng)不粘輪乳液的摻量超過(guò)10%后不粘輪乳化瀝青的不粘輪效果增加不再明顯。因此，綜合考慮不粘輪效果和成本，本文不粘輪乳化瀝青中不粘輪乳液含量取10%，即10%的摻量即為最佳配比。

2.2 材料撒布量試驗(yàn)結(jié)果

圖7表示：無(wú)論哪種材料隨著撒布量的增加其擺式摩擦系數(shù)（BPN）與構(gòu)造深度均明顯降低，但當(dāng)水性環(huán)氧材料與不粘輪乳化瀝青材料的撒布量超過(guò)0.6 kg/m2與0.7 kg/m2時(shí)其擺式摩擦系數(shù)（BPN）已經(jīng)非常接近規(guī)范要求的45。這表明封層材料的使用量過(guò)大時(shí)材料雖然可以封堵路面微裂縫，但同時(shí)過(guò)多的材料會(huì)填補(bǔ)路表紋理，造成行車隱患，因此本次研究的最佳撒布量初步確定水性環(huán)氧材料為0.5 kg/m2而不粘輪乳化瀝青材料為0.6 kg/m2。

圖8表示：在孔隙率為4.8%、5.8%、6.8%、路面輕度離析與路面中度離析下條件下，水性環(huán)氧霧封材料與不粘輪乳化瀝青霧封材料的滲水系數(shù)。由圖8表明：隨著孔隙率的增加或者路面離析程度的加重各材料的滲水系數(shù)有所增加，但都遠(yuǎn)小于路面滲水系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)（80 ml/min），這說(shuō)明在水性環(huán)氧材料撒布量為0.5 kg/m2而不粘輪乳化瀝青材料的撒布量為0.6 kg/m2的條件下，2種封層材料可以很好的封閉路面的微裂縫，從而阻止水分的進(jìn)入，進(jìn)而遏制路面病害的發(fā)展，因此本次研究的最佳撒布量即確定為：水性環(huán)氧材料0.5 kg/m2而不粘輪乳化瀝青材料0.6 kg/m2。

2.3 材料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 黏附性能試驗(yàn)結(jié)果

圖9表示：2種封層材料隨著溫度的升高其拉拔強(qiáng)度均下降，但水性環(huán)氧材料的拉拔強(qiáng)度僅減少了6.22%，但不粘輪乳化瀝青溶液卻減少了73.59%。這表明不粘輪乳化瀝青材料的拉拔強(qiáng)度受溫度的影響較大，這是由于不粘輪乳化瀝青的軟化點(diǎn)較低，高溫時(shí)難以發(fā)揮自身的黏性導(dǎo)致的。因此在使用不粘輪乳化瀝青材料時(shí)應(yīng)避免在常年高溫的地區(qū)使用。

2.3.2 黏附性能試驗(yàn)結(jié)果

圖10表示：2種封層材料的耐磨值均隨著溫度的升高其而下降，但水性環(huán)氧材料的耐磨值僅減少了13.33%，但不粘輪乳化瀝青溶液卻減少了41.51%。這表明不粘輪乳化瀝青材料的耐磨值受溫度的影響較大，且由于不粘輪乳化瀝青無(wú)論何種條件下其耐磨值均比水性環(huán)氧材料低2～3倍，因此在路面急停、轉(zhuǎn)彎處以及交通量較大路段盡量水性環(huán)氧材料。

2.3.3 抗水損性能試驗(yàn)結(jié)果

圖11表示2種封層材料在60 ℃高溫浸泡48 h，再放入濕輪磨耗儀進(jìn)行磨耗后的結(jié)果，其中水性環(huán)氧和不粘輪乳化瀝青的濕輪磨耗值分別為103 g/m2和314 g/m2，這表明水性環(huán)氧的抗水損害性能好于不粘輪乳化瀝青。并且不粘輪乳化瀝青的剝落面積顯然很大，因此在使用這種材料時(shí)應(yīng)注意當(dāng)?shù)氐臍鉁睾徒涤炅康囊蛩亍?/p>

3 結(jié)論

（1）水性環(huán)氧材料通過(guò)固化時(shí)間、黏度和溶液是否分層等因素最終確定水性環(huán)氧樹脂：水性環(huán)氧固化劑：水的最佳配比為1∶1.5∶3.75;不粘輪乳化瀝青材料通過(guò)車轍碾壓后觀察白紙上黏附瀝青的含量等因素最終確定不粘輪乳化瀝青中不粘輪乳液最佳摻量為10%

（2）2種霧封材料通過(guò)擺式摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度以及在不同孔隙率的車轍板上和不同離析程度的路面上最終確定出：水性環(huán)氧材料的最佳撒布量為0.5 kg/m2;不粘輪乳化瀝青的最佳撒布量為0.6 kg/m2。

（3）通過(guò)對(duì)2種材料進(jìn)行黏附性能、耐磨性能以及抗水損性能試驗(yàn)可以看出2種材料的各項(xiàng)性能均隨著溫度的升高都有不同程度的降低。不粘輪乳化瀝青材料的降低幅度明顯大于水性環(huán)氧材料，并且水性環(huán)氧材料的各項(xiàng)性能優(yōu)于不粘輪乳化瀝青材料。因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許或氣候條件惡劣的情況下建議盡量采用水性環(huán)氧材料作為霧封層材料。

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