瀝青路面微表處研究綜述

任瑞波，張正男，趙品暉，薄劍，范文淼，劉凡愷

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

1 概述

隨著《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》的出臺(tái)，我國(guó)公路行業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇。同時(shí)，由于交通量和交通荷載的持續(xù)增加，以及自然因素的綜合作用，加大了原有路面的損壞速度和程度，因此國(guó)內(nèi)放緩了公路修建，開始重視公路養(yǎng)護(hù)。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，至2018年12月，國(guó)內(nèi)公路總里程為484.65×104km，居世界第一位，其中，養(yǎng)護(hù)里程占比高達(dá)98%[1]。眾所周知，公路瀝青路面在使用初期往往就會(huì)出現(xiàn)各種病害[2]，若不及時(shí)對(duì)其采取有效的措施，對(duì)路面早期病害進(jìn)行處理，路面將會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損壞，不僅使公路服務(wù)質(zhì)量變差，而且易引發(fā)各種交通事故。為了解決這一問(wèn)題，建議對(duì)路面進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。這種養(yǎng)護(hù)形式在近幾年開始興起，它與傳統(tǒng)意義上的養(yǎng)護(hù)不同，其特點(diǎn)為主動(dòng)養(yǎng)護(hù)、提前養(yǎng)護(hù)，即當(dāng)路面剛剛出現(xiàn)小的病害時(shí)，就及時(shí)對(duì)其開展養(yǎng)護(hù)工作，解決病害問(wèn)題，避免因放任病害加重引起更嚴(yán)重的病害。該養(yǎng)護(hù)模式的優(yōu)點(diǎn)在于，既能有效減少養(yǎng)護(hù)成本，又能提高公路壽命[3]。

針對(duì)瀝青路面可使用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案大致有五種，分別為霧封層、薄層罩面、碎石封層、稀漿封層和微表處[4]。其中，微表處應(yīng)用最為廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)在于不僅養(yǎng)護(hù)成本低，而且施工周期短，同時(shí)治理效果較好，在改善路面抗滑性能、防止路面滲水、改善路面外觀和平整度、提高路面承載能力、防止路面老化、延長(zhǎng)路面使用壽命等方面具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，還是在中國(guó)，這種養(yǎng)護(hù)方式都被普遍使用[5]。

2 微表處的組成及相關(guān)技術(shù)

微表處的組成和配合比有一定標(biāo)準(zhǔn)，使用的材料也很廣泛，主要包括聚合物改性乳化瀝青，各類集料以及多種礦料，再輔以水、添加劑等[6]。由于原材料質(zhì)量對(duì)微表處性能的影響很大，因此，了解每個(gè)組分的性能和影響其性能的關(guān)鍵因素對(duì)確保微表處混合料的質(zhì)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

2.1 乳化瀝青

普通瀝青加熱時(shí)，會(huì)消耗大量化石能源，同時(shí)排出大量煙氣，嚴(yán)重污染環(huán)境。與此相比，乳化瀝青材料由于具有施工便捷、節(jié)能環(huán)保、減輕瀝青老化、延長(zhǎng)施工季節(jié)等突出優(yōu)勢(shì)，符合《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出的綠色發(fā)展、節(jié)約集約、低碳環(huán)保的發(fā)展理念，得到了國(guó)內(nèi)外公路行業(yè)的廣泛認(rèn)可，因此十分適合公路修建與養(yǎng)護(hù)，尤其是在目前的養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段中基于乳化瀝青技術(shù)的占比最大。

乳化瀝青由兩個(gè)互不相容的相組成，即1 ～50 um 的瀝青微滴在乳化劑的作用下分散到水介質(zhì)中形成[7]。按照乳化劑親水段的電荷差異，可將其劃分成三種，分別為陽(yáng)離子乳化瀝青、陰離子乳化瀝青和非離子乳化瀝青。到目前為止，陽(yáng)離子乳化瀝青在世界范圍內(nèi)最常見(jiàn)。陽(yáng)離子乳化劑本身一般呈堿性，需要與酸（一般為HCl）反應(yīng)，使其溶于水并帶正電荷，才能起到乳化作用。通常，制備乳化瀝青陽(yáng)離子水溶液（皂液）的pH 范圍在2 ～3 之間[8]。

在工程應(yīng)用當(dāng)中，乳化瀝青的主要作用是改變?yōu)r青的流動(dòng)狀態(tài)，使其在常溫下即可使用。而在瀝青混合料中起膠結(jié)料作用的仍然是基質(zhì)瀝青自身，因此基質(zhì)瀝青存在的易老化、粘附性不強(qiáng)、高低溫性能差、抗水損害能力差等缺點(diǎn)也會(huì)在基質(zhì)乳化瀝青中出現(xiàn)[9,10]。為了解決這一問(wèn)題，通常在制備乳化瀝青時(shí)摻入橡膠、樹脂等高分子聚合物來(lái)改善改性乳化瀝青的性能。

2.2 乳化劑

乳化劑作為微表處混合料重要的組成部分之一，其主要作用是減少水與瀝青微滴的界面自由能，從而使得二者能夠均勻且穩(wěn)定的形成一種乳狀液。在乳化瀝青中，乳化劑的摻量往往非常小，但是對(duì)乳化瀝青的加工、貯存和使用性能等至關(guān)重要。在我國(guó)，對(duì)于微表處中的乳化劑，《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》做出了詳細(xì)說(shuō)明：微表處因其原材料選用和施工條件的限制，必須使用陽(yáng)離子乳化劑，且用量不得小于瀝青用量的3%[11]。我國(guó)常用的陽(yáng)離子乳化劑有季銨鹽、胺化木質(zhì)素、酰胺類和咪唑啉等。實(shí)踐表明，使用陽(yáng)離子乳化劑效果更好，可顯著提升集料和乳化瀝青的粘結(jié)能力，其原理是陽(yáng)離子乳化劑本身帶有陽(yáng)離子的基團(tuán)，摻入陽(yáng)離子乳化劑的乳化瀝青會(huì)使得瀝青微滴帶正電荷，而集料表面通常帶負(fù)電荷，當(dāng)二者在攪拌機(jī)的作用下相互混合時(shí)，正負(fù)電荷就會(huì)相互吸引，使瀝青微滴與集料更好的粘附在一起[12]。

2.3 改性劑

改性劑在微表處改性乳化瀝青混合料中有著重要的地位。改性劑加入的效果具體體現(xiàn)在：增強(qiáng)瀝青路面的抗裂能力和高溫抗變形能力，改善瀝青與集料之間的粘附性，增強(qiáng)改性乳化瀝青混合料的保水性和流動(dòng)性，同時(shí)，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保上有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

改性劑的種類繁多，其性質(zhì)各不相同，因此改性劑的選擇至關(guān)重要。改性劑要對(duì)改性乳化瀝青起到預(yù)期的效果，其本身必須均勻穩(wěn)定的填充到瀝青分子當(dāng)中。因此，在選擇瀝青的種類時(shí)應(yīng)從瀝青的組分和原始物理性質(zhì)兩個(gè)方面來(lái)考慮二者對(duì)改性劑的兼容性，同時(shí)，根據(jù)使用條件和使用目的以及使用環(huán)境合理地選擇改性劑也是保證其效果充分發(fā)揮的關(guān)鍵。

例如，在SBR 改性乳化瀝青中加入水性環(huán)氧樹脂，可使體系在常溫環(huán)境下發(fā)生固化反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)。從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而大大提高微表處的耐磨性和抗剝落性能。Sun 等人[13]在微表處中加入2%的水性環(huán)氧樹脂，其耐磨性和水穩(wěn)定性均有明顯提升，與普通微表處對(duì)比，在抗滑性與抗剝落方面都具優(yōu)勢(shì)。

2.4 集料

集料可由花崗巖、石灰石和玄武巖等粉碎后得到，集料在微表處中占比很高[14]。由于微表處的快速凝固特性，選用集料的性質(zhì)至關(guān)重要。不同集料會(huì)產(chǎn)生不同的作用，因此從微表處的性能方面考慮，需要評(píng)估集料的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，包括采集地的地質(zhì)情況、石料的形狀、結(jié)構(gòu)、完整性和耐磨性。此外，影響微表處混合料性能的要素還有很多，比如集料的級(jí)配和含水量的高低。

集料一般選擇粗粒式或中粒式，使用粗集料可以在混合料中形成骨架，再通過(guò)細(xì)集料的填充，就形成一種較為穩(wěn)定的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。要想獲得更好的抗磨耗能力，應(yīng)選擇堅(jiān)固且耐磨的石料，此外，大粒徑塊石、卵石等在破碎后也是很好的選擇。為了增強(qiáng)瀝青與礦料間的粘附性，集料表面必須用清水洗凈并烘干。

鋼渣是目前廣泛用于瀝青路面施工的集料。Cui 等人[15]將激光掃描技術(shù)與數(shù)字分析方法相結(jié)合，通過(guò)成像分析對(duì)玄武巖和鋼渣的形貌進(jìn)行了定量分析，采集并研究了含鋼渣微表處試樣的形貌特征。結(jié)果表明，鋼渣代替玄武巖后，微表處混合料具有較強(qiáng)的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，磨耗損失、橫向位移和豎向位移均有所降低，這表明鋼渣可以提高微表處抵抗交通荷載的能力。

Peter 等人[16]的研究結(jié)果表明：只要給定一種集料，微表處混合料的空隙率就一定，不會(huì)因級(jí)配而發(fā)生較大的變動(dòng)。集料的形狀直接決定混合料的骨架結(jié)構(gòu)，最終影響混合料的空隙率。

2.5 礦物填料

礦物填料可以填補(bǔ)集料之中的空隙，使其有較好的級(jí)配；也可以縮短改性乳化瀝青混合料的拌和時(shí)間、改善改性乳化瀝青混合料的成型狀況、延長(zhǎng)或縮短微表處混合料的破乳速度[17]。微表處中常常摻入的填料為水泥、石灰等。

2.6 水

水以三種方式被引入到微表處混合料中，即集料中存在的水、拌和用水和乳化瀝青中的水。水作為微表處混合料各組分間相互作用的溶劑，其質(zhì)量必須符合相應(yīng)的要求。水的主要目的是濕潤(rùn)、溶解和粘附其他成分并緩和化學(xué)反應(yīng)，因此，用于微表處的水應(yīng)與其他組分兼容。此外，水中不能含有太多的雜質(zhì)，pH 值需要控制在合理范圍內(nèi)，通常為6 ～8.5，這有利于混合料中集料與瀝青、礦粉和添加劑之間的相互作用[18]。影響微表處混合料所需水的因素有集料中的水分含量、溫度、相對(duì)濕度和路面吸水量[19]。

3 微表處混合料性能試驗(yàn)

對(duì)于微表處，所制定的每一個(gè)配合比都是一個(gè)化學(xué)體系，它受到乳化瀝青和集料類型、集料級(jí)配、水和乳化瀝青用量以及礦物填料和添加劑種類等多個(gè)變量的影響。因此，在工程特定條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)室樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)分析成為評(píng)價(jià)微表處混合料性能的關(guān)鍵，現(xiàn)對(duì)常用的幾個(gè)試驗(yàn)介紹如下。

3.1 拌和試驗(yàn)

拌和試驗(yàn)的主要目的是模擬攤鋪的施工現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)微表處的成型狀態(tài)驗(yàn)證乳化瀝青與集料的配伍性，進(jìn)而獲取具體準(zhǔn)確的拌和時(shí)間。拌和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，路面達(dá)不到早期強(qiáng)度，則無(wú)法開放交通；拌和時(shí)間過(guò)短，則不能順利攤鋪施工。

微表處的施工效果很容易受到環(huán)境的影響。因此，進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)時(shí)，可拌和時(shí)間必須要在施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的最不利的溫度下檢驗(yàn)。

居浩等人[20]通過(guò)一系列性能測(cè)試，全面分析微表處混合料性能的影響因素。得到的結(jié)論有三點(diǎn)；一是溫度，高溫環(huán)境能夠明顯減少拌和時(shí)間；二是乳化劑，乳化劑占比越高，需要的拌和時(shí)間越久；三是水泥，摻入水泥可能延長(zhǎng)也可能縮短混合料的拌和時(shí)間。

3.2 粘結(jié)力試驗(yàn)

粘結(jié)力試驗(yàn)主要測(cè)試微表處的早期強(qiáng)度，能準(zhǔn)確地測(cè)得初凝時(shí)間，足夠的早期強(qiáng)度是保證開放交通時(shí)間的前提。粘結(jié)力指標(biāo)需要綜合評(píng)判，應(yīng)將測(cè)得的粘結(jié)力數(shù)值與試樣破損狀態(tài)相結(jié)合，以確定混合料的初凝時(shí)間和開放交通時(shí)間。

3.3 濕輪磨耗試驗(yàn)

濕輪磨耗試驗(yàn)?zāi)M了路面在潮濕的情況下，抵抗汽車輪胎磨耗的能力。

1 h 濕輪磨耗試驗(yàn)可以測(cè)定微表處功能層的抗磨耗性能以及瀝青與集料的裹覆性[21]，而微表處改性乳化瀝青混合料的抗水損害性能則由6 d 的磨耗值表示[22]，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的浸泡過(guò)程來(lái)考察水對(duì)混合料的侵蝕狀況。但是，水的破壞不僅體現(xiàn)在對(duì)瀝青膜的置換中，水分相態(tài)的改變也會(huì)對(duì)混合料造成損傷[23,24]，而浸水6 d 磨耗試驗(yàn)并沒(méi)有考慮到在季節(jié)性冰凍地區(qū)水的凍融循環(huán)對(duì)礦料表面的瀝青膜產(chǎn)生的凍脹剝落作用。因此，王兆宇[25]在6 d 浸水濕輪磨耗試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬采用凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)，從而更全面地反映水對(duì)微表處混合料的不利影響。

3.4 輪轍變形試驗(yàn)

通過(guò)輪轍變形試驗(yàn)可以得出輪跡寬度變形率，并由此來(lái)評(píng)價(jià)微表處混合料的抗車轍能力。寬度變形率越小，抗車轍變形能力越強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性越好；反之，抗車轍變形能力越差。

肖勁松[26]研究發(fā)現(xiàn)，輪跡寬度變形率與乳化瀝青摻量有明顯的相關(guān)性，乳化瀝青摻量越大，微表處混合料的抗車轍能力越差。他指出這是因?yàn)閷⒕酆衔锶榛癁r青摻入到水泥基無(wú)機(jī)結(jié)合料當(dāng)中后，由于聚合物的彈性模量相比水泥低很多，復(fù)合反應(yīng)后，膠凝材料性能發(fā)生改變，導(dǎo)致整體剛性降低，從而使輪轍變形增大。

除以上試驗(yàn)外，還應(yīng)根據(jù)不同的情況，設(shè)置不同的試驗(yàn)情境，采用不同的配合比試驗(yàn)。實(shí)際施工中，根據(jù)不同的天氣和溫度，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整配合比，特別是混合料的用水量和水泥的用量。

4 結(jié)語(yǔ)

微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)可大幅提升路面的綜合性能，有效消除各種病害對(duì)路面的影響，同時(shí)，成本低、施工周期短，養(yǎng)護(hù)效果好。綜述了微表處混合料的組成，分析了它們對(duì)整體的影響，并對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中微表處混合料的性能試驗(yàn)做了簡(jiǎn)單介紹與總結(jié)，對(duì)未來(lái)深入研究具有積極的借鑒意義。

微表處技術(shù)雖已日趨成熟，但仍應(yīng)深入研發(fā)，提升技術(shù)水平，以更好地改進(jìn)和提升公路的綜合性能，滿足交通運(yùn)行的需要。此外，在微表處施工的過(guò)程中，很多外部的條件對(duì)于工程質(zhì)量的影響是比較直接的，因而必須考慮實(shí)際施工條件，選擇更加科學(xué)的養(yǎng)護(hù)措施，從而保證微表處施工能夠順利實(shí)施，達(dá)到提升養(yǎng)護(hù)效果的目的。