多功能瀝青路面微表處材料的制備與性能

王吉運(yùn) ，駱中斌

(1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 510655；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

微表處技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，可以快速恢復(fù)路面表面功能，能夠提供較好的表面構(gòu)造深度，提高路面抗滑能力，但存在行車噪聲較大的問題[1-2]。已有許多研究試圖通過特殊工藝和材料合成手段對微表處進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)抗滑降噪的目的。孫曉立等[3]通過室內(nèi)加速加載試驗(yàn)研究了集料級配、填料類型與用量等對微表處混合料抗滑性能和耐磨耗性能的影響，結(jié)果表明：粗級配微表處的抗滑性能相對較好，然而耐磨耗性能相對細(xì)級配微表處要差。張爭奇等[4]通過濕輪磨耗、輪轍變形試驗(yàn)等探討了間斷級配對微表處性能的影響，結(jié)果表明：與連續(xù)級配相比，間斷級配微表處的路用性能同樣滿足規(guī)范要求?？嘴o靜[5]利用圖像處理技術(shù)，從路面紋理深度、路表空隙等參數(shù)指標(biāo)入手，對微表處混合料的聲學(xué)性能開展深入研究，發(fā)現(xiàn)微表處混合料空隙率、礦料級配、外加劑及紋理深度等因素與吸聲性能均有很好的相關(guān)性。凌天清等[6]分析了添加橡膠顆粒對微表處混合料技術(shù)性能的影響，研究結(jié)果表明：適量的橡膠顆粒可顯著改善微表處混合料的技術(shù)性能；添加2%～5%橡膠顆粒，可顯著提高微表處路面的振動衰減系數(shù)。李志棟等[7]通過測定不同使用時(shí)間的微表處路面噪聲水平，評價(jià)分析了設(shè)計(jì)、路用材料、配合比及路表構(gòu)造等因素對微表處路面噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)微表處路面的車內(nèi)噪聲值隨使用時(shí)間的延長而降低，隨車速變大、紋理深度變小而增強(qiáng)，車外噪聲隨時(shí)間延長或車速變大而變大，隨紋理深度增加而下降；通過控制關(guān)鍵篩孔，確定微表處降噪級配，可以顯著縮短路表構(gòu)造波長，降低行車噪聲。付凱敏等[8]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，微表處路面車內(nèi)噪聲與路面構(gòu)造深度成正比，可通過增加7.13 mm篩孔通過量、降低路表宏觀構(gòu)造，達(dá)到抗滑和降噪的雙重效果。鐘建超等[9]針對微表處配合比設(shè)計(jì)不完善、噪聲大等問題，提出了低噪微表處的礦料級配以及礦料級配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法——堆積密度法，室內(nèi)試驗(yàn)表明：礦料在振實(shí)狀態(tài)下的堆積密度越大，微表處混合料的技術(shù)性能越好。高志偉等[10]針對影響乳化瀝青微表處混合料耐久性能的因素，采用濕輪磨耗試驗(yàn)，對不同配比乳化瀝青混合料中的乳化瀝青含量、水泥用量和含水率進(jìn)行了測試，并對顯著影響混合料耐久性的因素進(jìn)行了方差分析，確定了混合料耐久性的變化規(guī)律，提出了耐久性最優(yōu)時(shí)的乳化瀝青微表處混合料配合比例。

此外，融雪材料也越來越廣泛地應(yīng)用于瀝青路面材料中，以提高車輛在雨雪天氣下行駛的安全性[11-13]。張小龍等[14]通過冰點(diǎn)測試試驗(yàn)、融冰化雪試驗(yàn)等研究了自制融雪抑冰材料的基本特性，分析總結(jié)了不同混合料空隙率、降雨量和溫度條件下材料的析出量和析出次數(shù)的規(guī)律，結(jié)果顯示：自制融雪抑冰材料可以降低路面冰點(diǎn)，延長結(jié)冰時(shí)間。陳拴發(fā)等[15]通過電導(dǎo)率測試，研究了疏水劑、偶聯(lián)劑等對融雪抑冰材料疏水性能的影響，比較了融雪抑冰材料添加前后瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明：疏水劑摻量越大，融雪抑冰材料的疏水性能越強(qiáng)；偶聯(lián)劑對融雪抑冰材料疏水性能的影響較??；與未摻融雪抑冰材料的瀝青混合料相比，摻融雪抑冰材料的瀝青混合料水穩(wěn)定性稍高，高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性略低；在降雪天氣下，摻融雪抑冰材料的瀝青混合料具有明顯的融雪抑冰效果。吳澤媚等[16]采用低溫彎曲試驗(yàn)研究了AC-13型瀝青混合料在不同濃度下氯鹽融雪劑溶液中凍融后的低溫穩(wěn)定性能，結(jié)果表明：氯鹽融雪劑溶液濃度是影響瀝青混合料低溫抗裂性的重要因素。李根等[17]基于相似性原理建立了2種融雪填料的飽水模型，采用溶液電導(dǎo)分析法研究了融雪瀝青混合料中融雪填料的析出變化規(guī)律，提出了融雪長效性預(yù)估模型。劉狀壯等[18]采用等體積置換法分別研究了AC-13和SMA-13瀝青混合料摻入鹽化物后的路用性能，結(jié)果表明：在等容積的鹽化物摻量條件下，鹽化物改變了混合料的瀝青膜抗剝落能力；相同瀝青混合料級配類型條件下，空隙率越大，鹽分析出能力越強(qiáng)；內(nèi)部空隙連通的瀝青混合料的鹽分析出能力優(yōu)于內(nèi)部封閉的混合料。魏建國等[19]采用軟化點(diǎn)、針入度、延度、黏度和紅外光譜等試驗(yàn)，分析了氯鹽融雪劑浸泡后的瀝青高溫性能、低溫性能、感溫性能、抗老化性能及紅外光譜，揭示了氯鹽融雪劑對瀝青結(jié)合料路用性能的影響及其作用機(jī)理，結(jié)果表明：融雪劑提高了基質(zhì)瀝青的高溫性能，降低了基質(zhì)瀝青的感溫性能、低溫性能以及SBS改性瀝青的高溫性能，增強(qiáng)了SBS改性瀝青的感溫性能及瀝青的抗老化性能；融雪劑浸泡不會引起瀝青分子結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)的變化。

綜合以往研究可知，目前針對微表處的研究主要在于提高其表面抗滑降噪性能及耐久性。本文將水性環(huán)氧樹脂、膠粉與融雪材料添加到微表處材料中，旨在設(shè)計(jì)出一種多功能復(fù)合材料，以達(dá)到抗滑降噪、融雪抑冰、耐久耐磨耗的效果，并對其服役性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

本文選擇ESSO90#瀝青作為基質(zhì)瀝青，其技術(shù)性質(zhì)如表1所示；采用河南漯河天龍化工CMK-20慢裂快凝陽離子瀝青乳化劑，制備得到的陽離子乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)如表2所示；對照組結(jié)合料選用河南新鄉(xiāng)正通SBS改性乳化瀝青，其技術(shù)性質(zhì)如表3所示。添加劑主要包括超細(xì)丁苯膠粉(150 nm，山東橋隆化工)、水性環(huán)氧樹脂體系(深圳吉田化工)、融雪劑(臨沂全諾化工)。本文級配選取MS-3型中值(表4)，石料采用抗磨耗性能較好的玄武巖(陜西咸陽)。

表1 ESSO90#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性質(zhì)

表2 陽離子乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)

表3 SBS改性乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)

表4 MS-3型微表處礦料級配

1.2 試驗(yàn)方法

首先采用單因素控制變量法進(jìn)行瀝青乳液結(jié)合料的配伍性設(shè)計(jì)，依次確定乳化瀝青、水性環(huán)氧、超細(xì)丁苯膠粉、融雪劑的最佳摻配比例；然后根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》(JTG/T F40-02—2005)中規(guī)定的微表處配合比設(shè)計(jì)方法確定瀝青用量為6.2%。

試驗(yàn)中采用加速加載試驗(yàn)作用0次、10 000次、30 000次、50 000次、70 000次后的車轍板作為微表處材料鋪設(shè)的載體(處治前載體表面噴灑黏層油)，對比多功能瀝青路面微表處材料與SBS改性乳化瀝青微表處材料對車轍板性能的影響，并記錄擺值、構(gòu)造深度、質(zhì)量損失、噪音水平、融雪抑冰水平等數(shù)據(jù)。

肯塔堡飛散試驗(yàn)中，將混合料擊實(shí)25次，經(jīng)110 ℃恒溫養(yǎng)生24 h后再次擊實(shí)25次，置于常溫養(yǎng)生24 h后，制備得到馬歇爾試件，然后將試件置于洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中，不加鋼球，以30 r·min-1的速度旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)，記錄試驗(yàn)前后試件質(zhì)量的變化。

噪聲測試試驗(yàn)是將汽車輪胎從具有30°坡度的軌道滾下，使其經(jīng)加速獲得30 km·h-1的速度，測量此時(shí)輪胎通過試驗(yàn)板表面時(shí)產(chǎn)生的噪音。

本文采用粉碎機(jī)將冰塊粉碎，以模擬冰雪。將試驗(yàn)板放置在托盤上，然后將冰雪鋪設(shè)在試驗(yàn)板表面，鋪設(shè)厚度為20 mm； 將覆蓋冰雪的車轍板置于環(huán)境箱中，通過控制環(huán)境箱溫度模擬冰雪的凍融，采用20 ℃維持6 h、-5 ℃維持6 h，模擬冬季路面白天與夜晚的氣溫變化情況，記錄托盤上水的質(zhì)量變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 多功能微表處材料的配比設(shè)計(jì)

2.1.1 水性環(huán)氧樹脂

采用水性環(huán)氧樹脂體系(包括水性環(huán)氧樹脂及其固化劑)摻量(質(zhì)量比)分別為0%、10%、20%、30%、40%的瀝青乳液制備得到馬歇爾試件，脫模后放置至室溫條件，每種水性環(huán)氧摻量下的試件分2組進(jìn)行試驗(yàn)，一組在室溫干燥條件下放置24 h，一組在25 ℃水浴條件下放置24 h，然后進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，每組進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水性環(huán)氧樹脂體系摻量對混合料肯塔堡飛散損失的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水性環(huán)氧樹脂的加入可以明顯提高混合料的黏聚性。室溫條件下，相比不加水性環(huán)氧樹脂的試件，加入10%水性環(huán)氧樹脂的干燥試件飛散損失減小了30%左右；在浸水條件下?lián)郊铀原h(huán)氧樹脂的試件飛散損失減小了32%以上，說明水性環(huán)氧樹脂具有較強(qiáng)的黏結(jié)能力。從機(jī)理上認(rèn)為這是緣于水性環(huán)氧樹脂與其固化劑的共同作用，固化交聯(lián)后生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將瀝青牢牢鎖住，從而使其不易被拉斷或置換，而環(huán)氧體系與瀝青形成的結(jié)合料將集料黏結(jié)在一起，使其在外力作用下不易飛散。從飛散損失減小效率來看，隨著水性環(huán)氧體系摻量的增加，飛散損失越小，但貢獻(xiàn)率也逐漸減小，說明水性環(huán)氧的摻量越大越好，但考慮到經(jīng)濟(jì)問題，推薦水性環(huán)氧體系摻量以15%～30%為宜。本文選擇水性環(huán)氧體系摻量為20%的瀝青乳液作為后續(xù)試驗(yàn)用結(jié)合料。

2.1.2 超細(xì)丁苯膠粉

將摻量(質(zhì)量比)分別為0%、3%、6%、9%、12%的超細(xì)丁苯膠粉添加到上述乳液結(jié)合料中，分別制備1組馬歇爾試件及1組微表處試件，馬歇爾試件的制備方法如前文所述。微表處試件是將微表處材料鋪設(shè)在噴灑有黏層油的車轍板(新板)上制成，鋪設(shè)厚度為8 mm。對2組試件分別進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)及噪聲測試試驗(yàn)，每組進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同膠粉摻量對混合料肯塔堡飛散損失與噪聲測試的影響

由圖2(a)可以看出，膠粉的加入一定程度上增大了混合料的飛散損失，這可能是由于膠粉以顆粒的形式分散于混合料中，而由于顆粒較細(xì)，一些團(tuán)聚的顆粒破壞了環(huán)氧瀝青結(jié)合料的連續(xù)性和黏聚性，從而形成一些薄弱的點(diǎn)，因此對超細(xì)膠粉的摻量應(yīng)該進(jìn)行合理的控制。由圖2(b)則可以看出，隨著膠粉摻量的增加，路面表面的噪聲水平有所降低，膠粉摻量越大，降噪效果越明顯。綜合考慮混合料的黏結(jié)性能及降噪特性，推薦超細(xì)丁苯膠粉摻量以6%～10%為宜,本文選擇超細(xì)膠粉摻量為8%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 融雪劑

在上述結(jié)合料中分別摻加0%、5%、10%、15%、20%的融雪鹽，制備1組馬歇爾試件及1組微表處試件，制備方法如前文所述，然后分別進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)及融雪抑冰性能測試。融雪抑冰性能測試采用20 ℃維持6 h、-5 ℃維持6 h來模擬冬季路面白天與夜晚的溫度循環(huán)情況，記錄冰雪損失率，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同融雪鹽摻量對混合料肯塔堡飛散損失與融雪情況的影響

由圖3(a)可知，融雪鹽的加入一定程度上影響了混合料的黏結(jié)性，這主要是由于瀝青結(jié)合料為有機(jī)材料，而融雪鹽為無機(jī)材料，二者相容性差，從而導(dǎo)致瀝青結(jié)合料性能的破壞，因此應(yīng)控制融雪鹽的用量。由圖3(b)可以看出，融雪鹽的加入有利于融雪抑冰。綜合考慮混合料的黏結(jié)性及融雪抑冰性能，推薦融雪鹽的摻量以10%～15%為宜，本文選擇融雪鹽摻量為12%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 多功能微表處材料對路面抗滑性能的影響

2.2.1 表面抗滑性能恢復(fù)情況分析

分別將乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、多功能乳液材料制備得到的微表處材料鋪設(shè)到經(jīng)加速加載試驗(yàn)作用70 000次后的車轍板上，鋪設(shè)厚度為8 mm，其抗滑性能(擺值BPN與構(gòu)造深度TD)如圖4所示。

圖4 不同類型結(jié)合料對微表處初期抗滑性能的影響

從圖4可以看出，微表處材料的鋪設(shè)可以有效改善路面表面的抗滑性能。乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、多功能乳液制備得到的微表處材料在最初恢復(fù)路面表面抗滑性能方面差異不大，即剛鋪設(shè)的微表處材料的表面功能與結(jié)合料的類型關(guān)系不大。

2.2.2 表面抗滑性能耐久性分析

分別將乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、多功能乳液材料制備得到的微表處材料鋪設(shè)到經(jīng)加速加載試驗(yàn)作用50 000次后的試驗(yàn)板上，鋪設(shè)厚度為8 mm，再進(jìn)行加速加載試驗(yàn)，其抗滑性能(擺值BPN與構(gòu)造深度TD)變化如圖5所示。

圖5 不同類型結(jié)合料對微表處長期抗滑性能的影響

從圖5可以看出，雖然在微表處材料鋪設(shè)初始，路面表面功能都能得到較好的恢復(fù)，但是隨著加載次數(shù)的增大，不同微表處材料的抗滑性能、耐久性有很大區(qū)別：不摻加任何改性物質(zhì)的乳化瀝青制備的微表處材料，其表面功能迅速下降；而SBS改性瀝青與本文制備的多功能乳液制備的微表處材料耐久性較好，在試驗(yàn)初期(10 000次輪胎作用)下降到一定數(shù)值后逐漸平緩。在相同級配條件下，本文制備的多功能微表處材料表現(xiàn)出了較好的抗滑性能，在經(jīng)過70 000次輪胎作用之后，擺值(BPN)仍保持在42以上；未改性乳化瀝青的微表處混合料抗滑性能下降幅度最大，經(jīng)過70 000次輪胎作用之后擺值(BPN)下降至39左右；摻加SBS改性乳化瀝青的微表處混合料抗滑性能介于兩者之間。與擺值(BPN)測量結(jié)果相對應(yīng)，本文制備的多功能微表處材料構(gòu)造深度下降量最小，在70 000次輪胎作用后構(gòu)造深度尚有0.74 mm；而摻加SBS改性乳化瀝青的微表處混合料在試驗(yàn)?zāi)┢诘臉?gòu)造深度為0.62 mm，未改性乳化瀝青的微表處材料構(gòu)造深度最小。

2.3 多功能微表處材料對路面噪聲的影響

分別將乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、多功能乳液材料制備得到的微表處材料鋪設(shè)到經(jīng)加速加載試驗(yàn)作用70 000次后的車轍板上，鋪設(shè)厚度為8 mm，對鋪設(shè)微表處后的試驗(yàn)板進(jìn)行加速加載試驗(yàn)，并采用室內(nèi)噪聲試驗(yàn)對加鋪微表處后的試驗(yàn)板噪聲進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同結(jié)合料類型對微表處噪聲水平的影響

由圖6可以看出，微表處處理過的試驗(yàn)板噪聲比較大，而經(jīng)加速加載后，乳化瀝青制備得到的微表處材料噪聲下降最為明顯。這主要是因?yàn)?，噪聲水平與路面表面構(gòu)造有關(guān)，已有研究表明，隨著構(gòu)造深度的增加噪音值不斷增大，而由于乳化瀝青制備的微表處材料被較快磨平，因此噪聲水平出現(xiàn)較快速的衰減。多功能乳液材料制備得到的微表處材料在鋪設(shè)初期噪聲就比乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青微表處材料小，隨著加速加載作用次數(shù)的增加，噪聲水平也呈現(xiàn)衰減趨勢，而由于其表面構(gòu)造的耐久性較好，衰減幅度不大，但總體噪聲水平較乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青微表處材料低，具有較好的降噪效果。

2.4 多功能微表處材料對路面融雪抑冰性能的影響

分別將乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、多功能乳液材料制備的微表處材料鋪設(shè)到經(jīng)加速加載試驗(yàn)作用70 000次后的車轍板上，鋪設(shè)厚度為8 mm，對其進(jìn)行融雪抑冰效果評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同結(jié)合料類型對微表處融雪抑冰性能的影響

由圖7可以看出：經(jīng)一次溫度循環(huán)后，多功能微表處材料試驗(yàn)板上的冰雪基本全部融化，說明材料中的融雪鹽發(fā)揮了作用；而對于不添加融雪鹽的乳化瀝青與SBS改性乳化瀝青微表處材料，冰雪在前6 h部分融化后，在后6 h降溫后基本不再融化。因此，多功能微表處材料具有融雪抑冰的作用。

3 結(jié) 語

本文通過試驗(yàn)制備得到一種多功能瀝青路面微表處材料，并對其進(jìn)行了相關(guān)性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)多功能微表處材料作為瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料，其抗滑性能突出，具備一定的降噪性能和融雪抑冰性能，設(shè)計(jì)施工過程節(jié)能、環(huán)保，具有良好的服役性能，在路面的全壽命周期內(nèi)具備良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益，應(yīng)用前景廣闊。

(2)微表處材料作為一種多相共混體系，其服役性能受原材料種類及用量的影響較大：隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，微表處材料的肯塔堡飛散損失減??；隨著超細(xì)丁苯膠粉摻量的增大，微表處材料的降噪性能得到改善，但同時(shí)肯塔堡飛散損失增大；隨著融雪鹽摻量的增加，微表處材料融雪抑冰性能得到改善，但對混合料黏聚性有負(fù)面影響。本文綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本與材料服役性能，推薦水性環(huán)氧體系摻量以20%～30%為宜，超細(xì)丁苯膠粉摻量以6%～10%為宜，融雪鹽的摻量以10%～15%為宜。

(3)多功能微表處材料可有效改善瀝青路面表面功能，采用微表處處理后，路面摩擦系數(shù)有所提高，構(gòu)造深度增大，且其抗滑耐久性較好，在經(jīng)過加速加載試驗(yàn)70 000次輪胎作用后，擺值與構(gòu)造深度仍能保持在理想數(shù)值以上。

(4)超細(xì)膠粉的加入使得微表處材料噪聲吸收能力提高，從而具有較好的降噪功能，比普通微表處路面降低2～3 dB(A)。

(5)融雪鹽的加入使得微表處材料具有較好的融雪抑冰效果，在經(jīng)過一次溫度循環(huán)后，基本可以融化冰雪，從而保證車輛的安全通行。