有機(jī)硅對(duì)瀝青路面滲水與抗滑性能影響研究

宋純雪，崔培德，龐 凌，謝 君，張登峰

1.中交一航局第二工程有限公司，青島 266000;2.武漢理工大學(xué)，武漢 430070)

截止到2019年底，全國(guó)公路總里程501.25萬(wàn)公里，比上年增加16.60萬(wàn)公里。瀝青混凝土具有良好的高低溫性能和行車舒適性，是我國(guó)公路主要的路面形式[1-3]。然而，瀝青路面在服役的過(guò)程中受環(huán)境因素的綜合作用，會(huì)產(chǎn)生一系列的病害。其中，道路在行車荷載和水分侵蝕共同作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水損害，造成剝落、掉粒和坑洞等病害，嚴(yán)重影響行車安全性[4-6]。其主要原因是降水滲透到路面內(nèi)部，使瀝青與集料剝離。因此控制路面的滲透性能是預(yù)防水損害關(guān)鍵步驟[7-9]。

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)封層材料具有一些普遍問(wèn)題，如降低路面的耐久性、滲透性能不理想、抗水損害性能不佳和組成差異大等問(wèn)題。有機(jī)硅材料以硅氧共價(jià)鍵為基本結(jié)構(gòu)。由于此共價(jià)鍵鍵能很高，使其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備優(yōu)異的防水抗油性能。由于防水性能和耐久性是路面的重要指標(biāo)，所以有機(jī)硅材料具有應(yīng)用于提高路面抗?jié)B性能和抗水損害性能的潛力。該研究基于國(guó)內(nèi)外在封層材料方面的研究成果以及有機(jī)硅的防水性能，探究有機(jī)硅材料的制備方法，并采用有機(jī)硅材料對(duì)瀝青混合料面層進(jìn)行處理，探究有機(jī)硅材料對(duì)路面滲透性能、水損害性能、構(gòu)造深度和抗滑性能的影響規(guī)律，推動(dòng)有機(jī)硅材料在道路工程中的應(yīng)用。

1 原材料與試驗(yàn)方法

研究所采用的有機(jī)硅材料來(lái)自湖北環(huán)宇化工有限公司，其以硅氧共價(jià)鍵為主鏈，側(cè)鏈含有甲基等非極性基團(tuán)。由于水分子有較強(qiáng)的極性，因此有機(jī)硅材料的憎水性強(qiáng)。未使用時(shí)為液體，主要為低聚物。噴灑到路面上后，羥基脫水使其連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

有機(jī)硅材料是高度交聯(lián)的化合物。以硅氧鍵為主體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全無(wú)毒。由于側(cè)鏈基團(tuán)的特殊結(jié)構(gòu)使其同時(shí)具有耐高溫的特性。有機(jī)硅材料的基本性能如表1所示。

為了驗(yàn)證有機(jī)硅材料對(duì)瀝青路面滲水和抗滑性能的影響，研究選擇玉林至湛江高速公路K32+397-K32+400段進(jìn)行滲透性能、構(gòu)造深度和抗滑性能試驗(yàn)。試驗(yàn)段上面層采用AC-13C礦料配合比，瀝青采用SBS改性瀝青。

表1 有機(jī)硅材料的基本性能

研究采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)試了有機(jī)硅材料固化后的微觀形貌特征，此外根據(jù)規(guī)范評(píng)估了有機(jī)硅材料的細(xì)度、黏度和抗?jié)B壓力等基本性能。路面滲水性能是評(píng)價(jià)瀝青路面水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，研究按照J(rèn)TG E20-2011中的T0730-2011對(duì)有機(jī)硅處理前后的路面進(jìn)行滲水系數(shù)試驗(yàn)。

瀝青路面要具有足夠的構(gòu)造深度，這對(duì)于行車安全性意義重大。研究按照J(rèn)TG E20-2011中的T0731-2000對(duì)有機(jī)硅處理前后的路面進(jìn)行構(gòu)造深度試驗(yàn)。研究根據(jù)規(guī)范ASTM E303對(duì)路面的抗滑性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前需要標(biāo)定滑動(dòng)長(zhǎng)度，精確到(126±0.5)mm。測(cè)試時(shí)，首先將待測(cè)區(qū)域清理干凈，洗去泥漿后灑水。按下釋放開關(guān)，使擺錘在待測(cè)區(qū)域上滑過(guò)，指針即可指出擺值BPN結(jié)果。當(dāng)擺錘回?cái)[時(shí)用手接住，使滑塊升高，讓擺向右運(yùn)動(dòng)，使定位卡環(huán)進(jìn)入釋放開關(guān)，重復(fù)操作五次，取五次的平均值作為擺值結(jié)果。

2 有機(jī)硅材料路面處理效果研究

2.1 滲水系數(shù)

有機(jī)硅材料的用量設(shè)置為150 g/m2、200 g/m2、250 g/m2、300 g/m2。四種有機(jī)硅材料用量下的滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，盡管部分區(qū)域在使用有機(jī)硅材料前滲水系數(shù)大于100 mL/min，但在四種有機(jī)硅材料用量下，路面的滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范中不大于100 mL/min的要求，分別為67 mL/min、87 mL/min、52 mL/min和50 mL/min。說(shuō)明使用有機(jī)硅材料后，路面的滲水系數(shù)都明顯減小，路面的抗?jié)B透性能增強(qiáng)，從而提升了路面的抗水損害性能。此外，從圖1中還可以看出，有機(jī)硅用量為250 g/m2和300 g/m2時(shí)，路面滲水系數(shù)的下降幅度比150 g/m2和200 g/m2時(shí)的下降幅度更加明顯。這表明有機(jī)硅材料用量為250 g/m2時(shí)已經(jīng)較為完全地封閉了路面結(jié)構(gòu)中的聯(lián)通孔，使得水分很難進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)考慮路面的抗水損害性能和抗?jié)B透性能時(shí)，此時(shí)的有機(jī)硅材料用量是較為理想的用量。

2.2 構(gòu)造深度

四種有機(jī)硅用量的構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從構(gòu)造深度的結(jié)果可以看出，使用有機(jī)硅材料前后，構(gòu)造深度都滿足規(guī)范中不小于0.55 mm的要求。但路面的構(gòu)造深度結(jié)果整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。噴灑有機(jī)硅前，路面的構(gòu)造深度分別為0.75 mm、0.71 mm、0.81 mm和0.76 mm，而噴灑有機(jī)硅后路面的構(gòu)造深度下降為0.69 mm、0.65 mm、0.59 mm和0.57 mm。這說(shuō)明有機(jī)硅的使用對(duì)路面的紋理結(jié)構(gòu)有一定的負(fù)面影響。當(dāng)噴灑的有機(jī)硅在自然環(huán)境的作用下固化后，固體的有機(jī)硅材料填充在集料顆粒構(gòu)成的表面波谷中，一定程度上填平了紋理中凹陷的部分，從而減小了表面的構(gòu)造深度。且有機(jī)硅用量越多，構(gòu)造深度的降低幅度就越明顯。因此在使用有機(jī)硅材料提升抗水損害性能的同時(shí)，要兼顧瀝青路面的構(gòu)造深度，不能一味增加有機(jī)硅用量，使得構(gòu)造深度不能滿足規(guī)范要求。

2.3 抗滑性能

四種有機(jī)硅用量前后瀝青路面的抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可知，四種有機(jī)硅用量前后瀝青路面的抗滑性能BPN均滿足規(guī)范中不小于45的要求，但使用有機(jī)硅材料后，抗滑性能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，有機(jī)硅材料對(duì)路面的抗滑性能有不利的影響。噴灑有機(jī)硅前，四種用量下的路面的BPN分別為72、72、75和83，而噴灑有機(jī)硅后路面的抗滑性能下降為53、52、52和48。當(dāng)有機(jī)硅用量為150 g/m2、200 g/m2和250 g/m2時(shí)，BPN的測(cè)試結(jié)果均高于50。但有機(jī)硅材料用量為300 g/m2時(shí)，所對(duì)應(yīng)的抗滑性能已經(jīng)基本不能滿足高速公路對(duì)抗滑性能的要求。究其原因，當(dāng)有機(jī)硅用量過(guò)大時(shí)，固化后的有機(jī)硅不但填充在集料之間的空隙中，同時(shí)也將表面的集料進(jìn)行了覆蓋，使得道路表面的微觀紋理和宏觀紋理同時(shí)喪失，使得瀝青路面的抗滑性能急劇下降。因此，在使用有機(jī)硅材料后，可考慮在路面上撒布一定量的碎石，從而提高道路表面的抗滑性能。同時(shí)，綜合上述幾種性能可以分析得到有機(jī)硅用量為250 g/m2時(shí)，能獲得較為良好的服役性能。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)有機(jī)硅材料和鋪灑有機(jī)硅材料前后瀝青路面的性能研究，可以得到如下結(jié)論：

a.有機(jī)硅材料是高度交聯(lián)的化合物。以硅氧鍵為主體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全無(wú)毒。由于側(cè)鏈基團(tuán)的特殊結(jié)構(gòu)使其同時(shí)具有耐高溫的特性，表面的形貌均一、致密，具有改善瀝青路面滲水性能的潛力。

b.使用有機(jī)硅材料后，路面的滲水系數(shù)明顯減小，路面的抗?jié)B透性能增強(qiáng)，從而提升了路面的抗水損害性能。有機(jī)硅材料用量為250 g/m2時(shí)已經(jīng)較為完全地封閉了路面結(jié)構(gòu)中的聯(lián)通孔，使得水分很難進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

c.使用有機(jī)硅材料后，構(gòu)造深度結(jié)果整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在使用有機(jī)硅材料提升抗水損害性能的同時(shí)，要兼顧瀝青路面的構(gòu)造深度，不能一味增加有機(jī)硅用量，使得構(gòu)造深度不能滿足規(guī)范要求。

d.使用有機(jī)硅材料后，抗滑性能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，有機(jī)硅材料對(duì)路面的抗滑性能有不利的影響。當(dāng)有機(jī)硅用量過(guò)大時(shí)，固化后的有機(jī)硅不但填充在集料之間的空隙中，同時(shí)也將表面的集料進(jìn)行了覆蓋，使得道路表面的微觀紋理和宏觀紋理同時(shí)喪失。同時(shí)，綜合分析得到有機(jī)硅用量為250 g/m2時(shí)，能獲得較為良好的服役性能。