改性乳化瀝青微表處路用性能影響因素研究

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

微表處是采用改性乳化瀝青的一種預防性路面養(yǎng)護手段[1]，主要適用于高等級瀝青路面，是將改性乳化瀝青、水、適當級配的集料、添加物（石灰、水泥、礦粉等）按一定的比例拌和后均勻攤鋪至面層上的薄層。同時與其他養(yǎng)護技術相比，微表處還具有施工方便、成本低、污染小等優(yōu)點[2]。然而微表處的單層厚度一般為8 ～10 mm，更多作為表面磨耗層和保護層，其承載能力和抵抗路面結構性破壞的能力很弱，為此我國研究人員通過相關試驗[3-5]，對微表處混合料配合比設計、集料級配選取及新型乳化劑、改性劑等方面進行研究。羅正斌[6]通過對SBS 膠乳的制備工藝進行研究，得到性能優(yōu)異的膠乳，并且將其應用于微表處，進而得到耐磨耗性能良好的微表處混合料。成高立等[7]通過濕輪磨耗試驗和負荷車輪粘砂試驗，得出微表處混合料具有良好的抗水損害性能。孫增智等[8]提出，在微表處中加入聚丙烯纖維或者玄武巖纖維，其綜合路用性能表現(xiàn)較優(yōu)。王燕婷等[9]根據(jù)制定的最佳乳化因素方案，提出了用于微表處的高性能SBS 乳化瀝青。肖晶晶[10]分析了集料砂當量、礦料級配、乳化瀝青性質(zhì)、填料、添加劑、溫度等因素對微表處施工性能和路用性能的影響。

本試驗為提高SBS 改性乳化瀝青微表處的路用性能，通過要素設計，從材料角度研究油石比，摻水量，水泥與礦粉對SBS 改性乳化瀝青抗磨耗性能、抗水穩(wěn)定性能、抗車轍性能的影響，以期為SBS 改性乳化瀝青在道路快速養(yǎng)護領域的推廣和應用提供理論和數(shù)據(jù)參考。

1 試驗材料

1.1 改性乳化瀝青

為研究微表處路用性能影響因素，本試驗選用上海群康瀝青科技有限股份公司生產(chǎn)的成品SBS 改性乳化瀝青，采用MQ3 慢裂快凝型乳化劑乳化線型7%SBS 改性瀝青而成。7%SBS 乳化瀝青具體指標如表1所示。

1.2 集料和礦粉

本試驗用石料，選用上海明彤路基有限公司的玄武巖，根據(jù)試驗需要分為0 ～3 和3 ～8 兩檔，其中礦粉不參與SBS 改性乳化瀝青微表處級配設計，而是作為外添加物使用，集料篩分結果如表2。

1.3 水泥

本研究的微表處路用性能試驗中，水泥使用海螺牌普通硅酸鹽水泥，型號為P.O 42.5，其技術指標如表3。

表1 微表處用7%SBS 乳化瀝青指標

表2 集料級配篩分通過率

表3 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥

2 試驗方法

微表處瀝青試驗方法主要依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行，路用性能試驗包括濕輪磨耗試驗、和車轍變形試驗。

2.1 濕輪磨耗試驗

本試驗采用JTG E20—2011 規(guī)定的濕輪磨耗試驗，對稀漿混合料的抗磨耗能力及抗水損害能力進行評價。同時JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求微表處浸水1 h 的濕輪磨耗值小于540 g/m2，浸水6d 的濕輪磨耗值小于800 g/m2，其中浸水1 h 濕輪磨耗值可以一定程度上反映早期強度形成后的微表處混合料的抗磨耗能力，浸水6 d 濕輪磨耗值可以反映微表處的抗水損壞能力。因此采用的評價指標為浸水1 h濕輪磨耗值，浸水6 d 濕輪磨耗值。

2.2 車轍變形試驗

本研究采JTG E20—2011 規(guī)定的車轍變形試驗。由于微表處的攤鋪厚度較小，加載時容易因此操作原因出現(xiàn)貫穿或者車轍不明顯的情況，車轍深度變形率出現(xiàn)誤差的概率較大，因此主要依據(jù)車轍寬度變形率作為評價指標，來評價對于需要修復車轍的微表處混合料的抗車轍性能。

3 路用性能影響因素

3.1 抗磨耗與抗水損害性能

3.1.1 油石比

通過改變?nèi)榛癁r青的用量，研究油石比對微表處抗磨耗與抗水損性能的影響，試驗數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 油石比對濕輪磨耗值影響

由圖1 可以看出，隨著油石比的增加，微表處混合料的1 h 濕輪磨耗值及6 d 濕輪磨耗值均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，其中6 d 磨耗值的變化更為明顯。當油石比增加時，瀝青與集料的裹覆更加充分，瀝青膜厚度增加，抗磨耗與抗水損害性能增強，濕輪磨耗值降低。在油石比為11.5%時，濕輪磨耗值達到最小值。當油石比增加到11.5%以上時，濕輪磨耗值有所增加，油石比過高，微表處混合料拌和效果受影響，進而影響混合料的抗水損害性能。

3.1.2 摻水量

選用上節(jié)磨耗值最低時的油石比11.5%，以0.5%的間隔變化摻水量，研究摻水量對微表處抗磨耗與抗水損害性能的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 摻水量對濕輪磨耗值影響

由圖2 可以看出，微表處混合料1 h 磨耗值曲線趨勢為，隨著摻水量的增加而降低，6 d 磨耗值曲線表現(xiàn)為，隨著摻水量的增加先降低后波動。在摻水量為2.5%時，濕輪磨耗值較低，表明微表處具有良好的抗磨耗性能，此時混合料抗水損壞性能較佳，當摻水量大于2.5%時，6 d 濕輪磨耗值曲線呈現(xiàn)上下波動，表明水量過多會影響混合料的抗磨耗性能。當水分過多時，在拌和時，細集料上浮造成混合料分層，導致混合料上層易發(fā)生剝落破壞。因此表明，增加一定的摻水量可以提升SBS 改性乳化瀝青微表處的水穩(wěn)定性。

3.1.3 水泥與礦粉

通過1 h 和6 d 濕輪磨耗試驗，研究了水泥與礦粉對微表處抗磨耗性和水穩(wěn)定性的影響，試驗結果如圖3。

圖3 水泥與礦粉摻量對濕輪磨耗值的影響

圖3 顯示，摻入0.5%的水泥后，1 h 磨耗值下降了35%，6d 磨耗值下降了17%，表明添加水泥對微表處的抗磨耗性能與水穩(wěn)定性具有明顯的提升。當水泥摻量大于1.0%時，隨著摻量的增加，混合料的抗磨耗性能沒有明顯變化，水穩(wěn)定性反而有所下降。

添加礦粉后，1 h 磨耗值和6 d 磨耗值呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢。當?shù)V粉摻量小于3%時，抗磨耗性和抗水損害性能均得到有效提升，礦粉摻量超過3%，提升幅度略有下降，表明適量礦粉可以有效改善微表處的路用性能，但是礦粉摻量過高會改變集料的級配，影響混合料的整體性能，同時考慮到成本，建議礦粉的摻量控制在3%以內(nèi)。

綜合比較水泥與礦粉作為添加劑，適量水泥對提高微表處混合料抗磨耗性能與抗水損害性能的效果更明顯，且經(jīng)濟效益更高，其中0.5%水泥摻量下6 d 磨耗值達到503.07 g/m2，而礦粉摻量需要達到3%。但是礦粉相比水泥，其提升微表處性能效果更穩(wěn)定。

3.2 抗車轍性能

3.2.1 油石比

本研究用負荷輪試驗儀模擬車輪在成型后的微表處混合料上碾壓，試驗結束后，測定試樣寬度的變形，以試樣單位寬度的橫向變形率評價微表處混合料的抗車轍能力。試驗結果見圖4。

圖4 油石比對車轍寬度變形率的影響

由圖4 可以看出，隨著油石比的增加，輪轍寬度變形率呈先減小后增大的趨勢。在油石比為11.5%時，微表處混合料抗車轍能力最優(yōu)，此時車轍寬度變形率降低幅度達到50%。當油石比過少或過多均對混合料的抗車轍性能影響較大，油石比過少，混合料裹覆效果不好，性能下降，而油石比過多，由于微表處攤鋪厚度較薄，過多的瀝青導致混合料易出現(xiàn)車轍，因此應該通過調(diào)整合適油石比有效提升微表處混合料抗車轍性能。

3.2.2 摻水量

本研究以0.5%的間隔變化摻水量，研究摻水量對微表處混合料抗車轍性能的影響，試驗結果如圖5所示。

由圖5 可以看出，隨著摻水量的增加，車轍寬度變形率先降低，當摻水量達到2%時，車轍寬度變形率為最低值，當摻水量大于2%時，變形率曲線呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動。表明，摻水量對微表處混合料的抗車轍性能有明顯影響，摻水量的增加有利于提高微表處的抗車轍性能。摻水量小于2%，變形率曲線呈現(xiàn)明顯下降趨勢。摻水量過大時，混合料中集料受水分影響較大，容易形成分層進而影響整體抗車轍性能，推薦2%摻水量為宜。

圖5 摻水量對車轍寬度變形率的影響

3.2.3 水泥與礦粉

本研究選定的最佳油石比（11.5%），摻水量（2.0%），分別加入不同比例的水泥和礦粉，進行輪轍變形試驗，研究添加劑種類和摻量對抗車轍性能的影響，具體數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 礦粉與水泥摻量對車轍寬度變形率的影響

由圖6 可以看出，礦粉摻量對車轍寬度變形率的影響曲線趨于平緩，而水泥摻量的增加對車轍寬度變形率的影響比較明顯，其曲線在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。加入2%礦粉后，混合料輪轍寬度變形率提升了13.4%，之后再繼續(xù)摻加礦粉對提升微表處抗車轍能力作用不顯著。1.0%水泥摻量下的混合料輪轍寬度變化率33.0%，但是當水泥摻量超過1.0%后，輪轍寬度變化率趨于穩(wěn)定，不再隨水泥摻量的增加而改變。因此，應綜合考慮添加劑的成本與效果，適當增加礦粉或水泥等添加劑的摻量。

4 結論

a）SBS 改性乳化瀝青微表處混合料的1 h、6 d 濕輪磨耗值，車轍寬度變形率均隨著改性乳化瀝青用量的增大呈先減小后增大的趨勢，油石比增加會在一定程度上改善微表處混合料的路用性能，存在一個最佳油石比使得微表處混合料性能最優(yōu)。

b）微表處混合料抗磨耗性在一定范圍內(nèi)隨著摻水量的增加而提升，摻水量小于2.5%時，耐磨性、水穩(wěn)定性、抗車轍性能隨摻水量增加而提升，當摻水量大于2.5%時，微表處混合料各項性能提升不明顯甚至有所下降。

c）少量的水泥可以有效的提升微表處性能，但當水泥摻量超過1.0%后，提升效果趨于穩(wěn)定。適量礦粉可有效改善微表處的路用性能，當?shù)V粉摻量小于2%時，抗磨耗性和水穩(wěn)定性提升明顯，對抗車轍性能提升不明顯。