巖瀝青改性微表處路用性能評價

■黃 亮

（福建南平路橋養(yǎng)護工程有限公司，南平 353000）

目前，我國高速公路發(fā)展已經(jīng)由大規(guī)模新建進入修建和養(yǎng)護并重的階段，有相當一部分瀝青路面結(jié)構(gòu)雖然整體強度完好，但出現(xiàn)了多種表面功能性病害。對于這部分路面結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護維修，從減少對路面標高的影響與節(jié)約資源的角度出發(fā)，僅需對其表面功能進行恢復，而采用微表處養(yǎng)護技術(shù)是較為理想的方案。微表處作為道路養(yǎng)護技術(shù)的一種，通過采用專用機械設備將聚合物改性乳化瀝青、粗細集料、填料、水和添加劑等按照設計配比拌和成稀漿混合料攤鋪到原路面上，具有開放交通快、高抗滑、耐久性能等特點，目前已為一種重要的養(yǎng)護材料[1]。然而由于微表處在使用過程中出現(xiàn)了使用壽命較短、耐久性差等問題，從而限制了微表處的推廣應用。

隨著道路工程科學領域?qū)ξ⒈硖幯芯康闹饾u深入，發(fā)現(xiàn)通過合理添加外摻劑（如玻璃纖維、鋼渣、環(huán)氧樹脂和天然瀝青等）[2]可以提升微表處的路用性能，使其更好地滿足大交通量和重載交通。因此，本文嘗試通過向微表處中添加巖瀝青以制備改性微表處混合料試件，進一步采用室內(nèi)試驗評價比較不同改性微表處的路用性能，從而為福建地區(qū)微表處罩面材料中的合理應用提供技術(shù)參考。

1 原材料

1.1 集料及填料

試驗采用粒徑5～10mm粗集料、0～5mm細集料均為石灰?guī)r，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）測試集料的各項性能，均滿足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》的技術(shù)要求。填料采用礦粉和水泥，其中礦粉為磨細的石灰?guī)r粉，水泥采用普通硅酸鹽P042.5水泥。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）和《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2005）測試填料的技術(shù)性能，測試結(jié)果均滿足規(guī)范使用要求。

1.2 改性乳化瀝青

本研究所用SBR改性乳化瀝青，其技術(shù)性能見表1。

表1 SBR改性乳化瀝青技術(shù)指標

1.3 巖瀝青添加劑

巖瀝青中瀝青質(zhì)含量高達40%，具有很強的浸潤性和對自由氧化基的高抵抗性，所以通過添加巖瀝青以期改善瀝青粘結(jié)料的粘結(jié)性能，增強微表處混合料的粘聚力。本研究所用巖瀝青技術(shù)指標如表2所示，巖瀝青的摻量范圍設置為0.5%、1%、1.5%和2%（占瀝青混合料的質(zhì)量比例），按干法加入集料中進行拌和。

表2 巖瀝青性能試驗結(jié)果

2 微表處混合料組成設計

2.1 級配設計

我國規(guī)范中推薦微表處級配類型包括MS-2型和MS-3型。前者公稱最大粒徑為4.75mm，適用于中等交通量的高速公路，一、二級公路的罩面；后者公稱最大粒徑為9.5mm，適用于高速公路、一級公路的罩面和車轍填充。實體工程已經(jīng)鋪筑的微表處多采用MS-3型級配，少數(shù)采用MS-2型級配，所以，結(jié)合實際工程本文依托于MS-3型級配進行研究，可使研究結(jié)果更有借鑒意義，根據(jù)規(guī)范要求[3]，設計的MS-3型級配曲線如圖 1所示，其中水泥摻量為2%。

圖1 微表處瀝青混合料MS-3型級配設計曲線

2.2 最佳瀝青用量確定

本研究設計了常規(guī)微表處以及巖瀝青摻量分別為0.5%、1%、1.5%和2%的巖瀝青改性微表處共5種瀝青混合料，瀝青的最佳用量是通過1h濕輪磨耗試驗及負荷輪黏附砂試驗共同確定，其中1h濕輪磨耗試驗的磨耗值用于確定微表處瀝青混合料的最小瀝青用量，負荷輪黏附砂試驗的黏附砂量用于控制微表處的最大瀝青用量[4]。確定各類微表處最佳瀝青用量的選擇范圍為5.5%～7.5%，不同瀝青用量下微表處瀝青混合料磨耗值和粘附量結(jié)果見表3、表 4以及圖2～圖6。

從圖2～圖6中可以看出，普通微表處的瀝青用量范圍在6.4%～7.4%，而摻加有巖瀝青后，微表處瀝青用量分別為 6.25%～7.1%（巖瀝青摻量 0.5%）、6.1%～6.9%（巖瀝青摻量1%）、6.0%～6.8%（巖瀝青摻量 1.5%）和 5.8%～6.6%（巖瀝青摻量2%）?？梢妿r瀝青加入后起到有一定的瀝青的作用，降低了瀝青用量。為便于比較，不同摻量的巖瀝青微表處最佳瀝青用量統(tǒng)一為6.5%。

表3 不同摻量巖瀝青改性微表處濕輪磨耗值（g/m2）

表 4 不同摻量巖瀝青改性微表處粘附砂量（g/m2）

圖2 普通微表處瀝青用量確定

圖3 巖瀝青摻量為0.5%的微表處瀝青用量確定

圖4 巖瀝青摻量為1.0%的微表處瀝青用量確定

圖5 巖瀝青摻量為1.5%的微表處瀝青用量確定

圖6 巖瀝青摻量為2.0%的微表處瀝青用量確定

4 路用性能測試

4.1 施工性能

微表處混合料施工性能包括施工可操作性及成型速度兩個方面，通常采用拌合試驗、粘聚力試驗來評價。微表處混合料是冷拌冷鋪的混合料，施工過程中呈稀漿狀態(tài)，攤鋪后稀漿混合料迅速固化成型以滿足開放交通的需要，這就要求微表處混合料必須有合理的可拌和時間，拌和試驗具體操作方法參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0757-2011。微表處混合料的粘聚力是一項十分重要的指標，它反映了混合料的成型速度和開放交通時間，微表處混合料要求初凝時間30min粘聚力大于1.2Nm；固化開放交通時間60min粘聚力值大于2Nm，具體操作室內(nèi)測試方法參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0754-2011。

各混合料拌和試驗進行三次平行試驗，得到的平均拌和時間如圖7所示。從圖7中可以看出，當巖瀝青摻量不超過1.5%時，隨著巖瀝青摻量增加，微表處混合料的可拌合時間增加，但是達到2%之后微表處混合料的可拌合時間劇烈下降，甚至無法滿足規(guī)范要求的120s規(guī)定。分析其原因可能是因為巖瀝青表面的瀝青成分粒徑很小比表面積大，遇水之后會形成“油包水”狀態(tài)，但是當摻量是超過2%之后，過量的巖瀝青由于比表面積大，反而加速了改性乳化瀝青的破乳時間。從拌和試驗結(jié)果可以看出，使用巖瀝青作為微表處添加劑不要超過1.5%為宜。

圖7 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的拌和時間

從圖8中可以看出，巖瀝青摻量對30min黏聚力值和60min黏聚力值兩指標的影響趨勢是一致的，隨著巖瀝青摻量的增加，微表處混合料黏聚力值都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在1.5%摻量下粘聚力值最大。

圖8 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的粘聚力

4.2 抗車轍性能

微表處罩面車轍試驗所用試件為4cmAC-13+1cm微表處的結(jié)構(gòu)，以模擬鋪設微表處后路面上層材料抵抗車轍的能力。成型試件過程中先在標準車轍試模中放置1cm厚的模板，然后裝填AC-13瀝青混合料，并壓實長、寬、高分別為30cm、30cm和4cm的試件。然后待AC-13瀝青混合料強度形成后，將AC-13瀝青混合料試件放置在標準車轍試模中，并在AC-13瀝青混合料表面鋪設1cm厚的微表處。最終將試件在烘箱中按60℃養(yǎng)生24h，取出放至室溫進行車轍試驗，每種混合料做3組平行試驗，結(jié)果見圖 9。

由圖 9可知：常規(guī)微表處中加入巖瀝青后，試件的動穩(wěn)定度比傳統(tǒng)的微表處的動穩(wěn)定度有所提高，尤其是摻量在0.5%以上時，對混合料抗車轍能力的提升十分明顯，動穩(wěn)定度至增加了40%左右，說明利用巖瀝青微表處罩面后能顯著提高路面的高溫抗變形能力。同時，巖瀝青摻量在1%～2%間變化時，動穩(wěn)定度值雖然表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢，但增長幅度其實是相對緩慢的，所以從經(jīng)濟性角度出發(fā)，也并非是摻量越大越好。

圖9 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的動穩(wěn)定度

4.3 低溫抗裂性能

微表處作為路表面的薄層結(jié)構(gòu)，其裂縫病害普遍存在，且通常是由降溫及溫度循環(huán)反復作用產(chǎn)生的溫縮裂縫。雖然微表處溫縮裂縫得到越來越多的關(guān)注，但目前還沒有形成標準的試驗方法對其低溫抗裂性能進行評價。

本研究通過SCB試驗評價巖瀝青摻量對微表處瀝青混合料低溫抗裂性能的作用，其試驗圖示見圖 10。支座間距離s=8cm，試驗在-10℃下進行，采用位移加載模式，速率為1mm/min。所用試件由標準馬歇爾試件切割而成的半圓試件，直徑D為10cm，厚度d為3cm。根據(jù)試驗過程測試得到的峰值荷載和相關(guān)幾何尺寸，按照公式（1）可計算試件的低溫破壞強度用于評價微表處混合料的低溫抗裂性能。

式（1）中，σ 為試件的破壞強度，MPa；P 為破壞時刻荷載，N；s為支座間距離，mm；d為試件厚度，mm。

瀝青混合料低溫彎曲試驗中每組進行三次平行試驗，試驗結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出微表處中添加巖瀝青后對低溫抗裂性能會產(chǎn)生不利影響，添加量為0.5%時這種副作用尚不明顯，但當添加量大于1%時破壞強度已經(jīng)損失了10%，且隨著摻量增加，低溫抗裂性能衰減幅度越大。

圖10 SCB試驗示意圖

表5 不同巖瀝青摻量SCB試驗結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文基于濕輪磨耗試驗、負荷輪黏附砂試驗、拌合試驗、粘聚力試驗、罩面車轍試驗和半圓彎拉試驗對巖瀝青摻量在0%～2%范圍的巖瀝青改性微表處進行了室內(nèi)測試與評價，得到以下結(jié)論：

（1）巖瀝青加入微表處可起到替代瀝青的作用，進而降低微表處混合料最佳瀝青用量，但是這種替代作用是有限的，并非等值替換。

（2）巖瀝青加入對微表處工作性能和抗車轍性能均能起到積極作用，但對微表處低溫抗裂性能會帶來不利影響，尤其是當摻量大于1%時低溫抗裂性能有明顯下降。

（3）結(jié)合福建地區(qū)道路服役低溫環(huán)境并不苛刻的情況和巖瀝青微表處自身性能特點，建議巖瀝青改性微表處在使用時摻量在1.5%以內(nèi)。

[1]肖晶晶.微表處改性乳化瀝青及混合料性能研究[D].西安：長安大學，2007.

[2]高仲，劉曉琴.巖瀝青微表處應用技術(shù)研究[J].中外公路，2014，34（1）：294-297.

[3]JTGF40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]交通部公路科學研究院.微表處和稀漿封層技術(shù)指南[S].北京：人民交通出版社，2006.