重交通瀝青路面材料研究新動(dòng)向

舒興旺

（山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

近10年，我國(guó)公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，其中高速公路突破10萬(wàn)km，居世界第一。“重建輕養(yǎng)”的觀念導(dǎo)致公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)相對(duì)落后，特別是重交通公路，交通大流量、車輛大型化、重載超載及渠化交通等苛刻的路面使用環(huán)境，對(duì)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。鑒于重交通公路特殊的服務(wù)功能和社會(huì)效益，對(duì)其進(jìn)行高質(zhì)量、高效率、高水平的修復(fù)養(yǎng)護(hù)，以保證交通的安全與通暢，提高公路的通行能力和服務(wù)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，成為目前公路行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前我國(guó)重交通公路95%以上采用瀝青路面，其主要病害表現(xiàn)為裂縫、車轍、坑槽和泛油，導(dǎo)致病害的因素很多[1-2]，如自然環(huán)境侵蝕、重荷載作用、施工質(zhì)量或混合料質(zhì)量差、地基不穩(wěn)等，排除客觀不可控的自然環(huán)境、交通流量和荷載等因素，究其根源，最本質(zhì)且人力可控的因素在于材料本身——瀝青混合料機(jī)械性能相對(duì)不足，難以抵抗交通動(dòng)荷載的反復(fù)作用及材料自身溫縮應(yīng)力的破壞。

1 重交通公路養(yǎng)護(hù)材料研究思路新動(dòng)向

瀝青混合料是一種以瀝青作為膠黏劑，將粗集料、細(xì)集料、填充料等黏結(jié)在一起而形成的具有一定機(jī)械性能的復(fù)合材料。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，瀝青作為連續(xù)相，粗集料、細(xì)集料、填充料等作為分散相，在分散相級(jí)配與含量確定的情況下，連續(xù)相—瀝青的性能（如內(nèi)聚力、黏附力、黏彈性、流變性等）基本決定了整個(gè)復(fù)合材料的機(jī)械性能。對(duì)瀝青進(jìn)行改性，改善瀝青的內(nèi)聚力、黏附力、黏彈性、流變性等性能是提高瀝青混合料機(jī)械性能的有效途徑。國(guó)內(nèi)外科研工作者嘗試了眾多的聚合物改性材料，如熱塑性橡膠類（SBS、SIS、SE），熱塑性樹(shù)脂類(PE、EVA、PVC)，橡膠類改性劑(SBR、CR、BR)等，其中部分改性材料如SBS、PE、SBR等取得了較好的改性效果，得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用[3-4]，但從整體實(shí)際工程應(yīng)用情況來(lái)看，特別是在重交通路面中，效果并不十分理想，路面發(fā)生病害的情況仍然沒(méi)有得到很好的解決。

如何從根本上解決重交通路面的病害問(wèn)題，追根溯源，還需以混合料中的連續(xù)相—膠黏劑為突破口，如何改變膠黏劑的熱塑性質(zhì)，提高其內(nèi)聚力和黏附力，山西省交通科學(xué)研究院下屬部門—山西省新型道路材料工程實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)提出以下兩種研究思路：a）開(kāi)發(fā)特種瀝青改性技術(shù)，如采用反應(yīng)性熱固性樹(shù)脂改性瀝青，使膠黏劑以三維立體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式存在，從根本上改變?yōu)r青的熱塑性質(zhì)，賦予這種新型膠黏劑熱固性質(zhì)，利用熱固性樹(shù)脂提高膠黏劑的內(nèi)聚力和黏附力。b）開(kāi)發(fā)石油瀝青替代材料技術(shù)，如利用特種膠黏劑取代瀝青作為混合料的膠黏劑，避開(kāi)瀝青的性能弱勢(shì)，選擇滿足重交通公路路面機(jī)械性能要求的特種膠黏劑配制混合料。

2 重交通公路養(yǎng)護(hù)材料技術(shù)研究新方向

在上述研究思路的指引下，山西省新型道路材料工程實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)利用其在瀝青改性技術(shù)方面和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠研發(fā)與應(yīng)用方面數(shù)十年來(lái)積蓄的深厚研究基礎(chǔ)與研究?jī)?yōu)勢(shì)，正在集中攻克以下技術(shù)方向。

2.1 特種瀝青改性技術(shù)

2.1.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青技術(shù)

水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青技術(shù)是一種通過(guò)化學(xué)手段將環(huán)氧樹(shù)脂及其固化劑水性化，然后改性乳化瀝青，制備高性能改性乳化瀝青材料的技術(shù)。該技術(shù)中水性環(huán)氧樹(shù)脂與其水性固化劑發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，脫水并形成立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)乳化瀝青破乳，瀝青填充于立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，從而形成熱固性復(fù)合材料。因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青具有傳統(tǒng)乳化瀝青無(wú)法比擬的優(yōu)良性能：內(nèi)聚力和黏附力大，與石料結(jié)合力強(qiáng)，固化成型后的混合料機(jī)械強(qiáng)度高，耐久性大幅度提升。

水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青技術(shù)不僅可以提高乳化瀝青在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)水平（如微表處、黏層油和防水層等），而且因其強(qiáng)黏結(jié)力和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域可進(jìn)一步擴(kuò)大，有望將乳化瀝青混合料由傳統(tǒng)的功能層擴(kuò)展至承重結(jié)構(gòu)層，將冷再生混合料由基層和中面層擴(kuò)展至上面層。

2.1.2 環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青技術(shù)

環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青技術(shù)是一種將環(huán)氧樹(shù)脂及其固化劑在瀝青中均勻分散，并發(fā)生固化反應(yīng)，形成瀝青相與環(huán)氧樹(shù)脂相互穿的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱固性材料制備技術(shù)。環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青從根本上改變了普通瀝青的熱塑性，而賦予改性瀝青熱固性，避免了普通瀝青混合料在高溫時(shí)機(jī)械性能不足，出現(xiàn)車轍等病害，同時(shí)賦予改性瀝青優(yōu)異的內(nèi)聚力及與石料的黏結(jié)力，提供混合料全新的優(yōu)良物理力學(xué)性能。

環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青技術(shù)的衍生產(chǎn)品之一—環(huán)氧瀝青混合料是鋼橋面鋪裝、路面磨耗層、超重載交通道路的理想筑路材料，其優(yōu)越性能相對(duì)于其他材料極具競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前我國(guó)環(huán)氧改性瀝青主要依靠國(guó)外進(jìn)口，總體來(lái)講，我國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青技術(shù)還處于開(kāi)發(fā)階段，技術(shù)有待成熟，推廣應(yīng)用極其欠缺。

2.1.3 瀝青抗轍裂技術(shù)

瀝青抗轍裂技術(shù)是一種通過(guò)對(duì)聚合物分子鏈進(jìn)行功能化接枝改性，將其作為抗轍裂改性劑添加到瀝青中，以提高瀝青混合料抗車轍、抗開(kāi)裂的改性瀝青制備技術(shù)?？罐H裂改性劑分子結(jié)構(gòu)由聚合物主鏈和接枝于聚合物主鏈的活性改性基團(tuán)組成。當(dāng)它熔融分散于瀝青后，其分子主鏈間相互纏繞且活性基團(tuán)間產(chǎn)生作用力，形成立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裹覆于自由瀝青上，一方面限制了自由瀝青的流動(dòng)，另一方面借助活性改性基團(tuán)與瀝青中的活性基團(tuán)產(chǎn)生作用力，從而形成一種高強(qiáng)度的黏彈材料，提高了瀝青的內(nèi)聚力和黏度，降低了其溫度敏感性。同時(shí)抗轍裂改性劑中活性改性基團(tuán)與集料表面易于產(chǎn)生較強(qiáng)作用力，提高了瀝青與集料的黏附力。利用瀝青抗轍裂技術(shù)可顯著增強(qiáng)瀝青混合料抵抗外力變形的能力，提高其高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和抗水損性能。

國(guó)外瀝青改性產(chǎn)品大多集中在提高瀝青混合料的抗車轍性能，其價(jià)格昂貴，但因使用方便，效果明顯，在我國(guó)得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)有些機(jī)構(gòu)也開(kāi)發(fā)了同類抗車轍劑產(chǎn)品，價(jià)格相對(duì)較低，效果也不錯(cuò)，也獲得一定規(guī)模的推廣應(yīng)用，但產(chǎn)品的綜合性能與國(guó)外同類產(chǎn)品仍存在一定的差距，特別是低溫抗裂性能，有待進(jìn)一步改進(jìn)與提高。

2.2 石油瀝青替代材料技術(shù)

改性環(huán)氧樹(shù)脂混合料技術(shù)是以改性環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑替代石油瀝青，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)，使混合料固化成型，制備高性能路面材料的一種冷拌技術(shù)。改性環(huán)氧樹(shù)脂混合料拌合過(guò)程中環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑為連續(xù)相，一定級(jí)配的集料為分散相，連續(xù)相中改性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑按照化學(xué)計(jì)量比混合后發(fā)生固化反應(yīng)，生成立體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱固性聚合物；同時(shí)環(huán)氧膠黏劑與集料表面產(chǎn)生強(qiáng)大的黏結(jié)力，將集料牢固鑲嵌于熱固性聚合物結(jié)構(gòu)中，固化成型而得到具有優(yōu)異機(jī)械性能的材料。普通瀝青混合料高溫條件下自由瀝青在混合料內(nèi)部遷移，導(dǎo)致車轍等病害，而改性環(huán)氧樹(shù)脂混合料固化后形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱固性材料，徹底摒除了瀝青混合料的熱塑性，而賦予混合料全新的優(yōu)良物理力學(xué)性能，可徹底消除車轍病害的發(fā)生，顯著改善混合料開(kāi)裂現(xiàn)象。

改性環(huán)氧樹(shù)脂混合料具有強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊強(qiáng)度大，良好的耐化學(xué)腐蝕、耐磨、耐水和抗凍性能，并且與金屬和非金屬材料黏結(jié)強(qiáng)度高，在公路工程中應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，既可做路面功能層，如超薄功能罩面、防滑路面、彩色路面；也可做路面結(jié)構(gòu)層，如路面上面層和中面層，橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土；還可做路面快速修補(bǔ)材料，如裂縫灌注與封閉，坑槽修補(bǔ)等。

3 結(jié)語(yǔ)

如何預(yù)防和治理瀝青路面病害，一直是道路科研工作者研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。傳統(tǒng)研究方向主要集中在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、瀝青混合料設(shè)計(jì)、瀝青及其混合料物理改性等方面[5-6]。雖然這些研究成果對(duì)緩解或延遲瀝青路面病害的產(chǎn)生有較明顯的效果，但還是無(wú)法徹底消除或顯著延遲病害的產(chǎn)生，特別對(duì)于重交通公路，上述研究成果作用效果不太理想。山西省新型道路材料工程實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)以化學(xué)類、材料學(xué)類和道路工程類等多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，以瀝青及其混合料化學(xué)改性為方向，以解決重交通公路病害為目標(biāo)，開(kāi)展了特種瀝青改性技術(shù)和石油瀝青替代材料技術(shù)等方面的研究，為預(yù)防和治理瀝青路面病害提供了一個(gè)新的研究思路和研究方向，對(duì)開(kāi)發(fā)高性能長(zhǎng)壽命路用材料具有很好的啟示和借鑒作用。