基于室內試驗的不同材料改善微表處性能的研究

羅要飛，于景蘭，張爭奇，謝祥兵

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院 土木建筑學院，河南 鄭州 450046；2.長安大學 道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室；3.鄭州航空工業(yè)管理學院 外國語學院)

1 前言

微表處是一種重要的預防性養(yǎng)護技術，其在改善路面抗滑性能、平整度、防水、耐磨耗性能以及修復車轍、快速開放交通等方面具有顯著的優(yōu)勢，已在國內外實體工程中得到了廣泛應用。但通過長期的跟蹤觀察和經驗總結發(fā)現，普通微表處混合料存在著抗裂性能差、抵抗重交通能力較弱等缺陷，以至于嚴重縮短其使用壽命。如何有效降低普通微表處在應用中出現的性能不足問題，國內外研究者采用了不同的方法且取得了較好的效果，主要有混合料中摻加纖維、結合料替換為水性環(huán)氧改性乳化瀝青或SBS改性乳化瀝青等。

SBR改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹脂組分的添加，能夠使共混體系在常溫環(huán)境下發(fā)生固化交聯反應，形成三維網狀空間結構，從而顯著改善微表處的耐磨耗性能和抗剝落性能；孫曉立、鄺堅鋒等研究指出，改性乳化瀝青與2%水性環(huán)氧樹脂復配制備的微表處混合料，其耐磨耗性和抗水損害性能提高約60%，且抗滑性能和抗剝落性能明顯優(yōu)于常規(guī)微表處。張慶等研究發(fā)現，常規(guī)微表處中水性環(huán)氧樹脂的添加明顯改善了混合料黏聚強度和耐久性能，且效果與摻加量呈正相關關系。纖維具有吸附、加筋和橋接等作用，添加于微表處混合料中能夠形成三維分散形態(tài)，故可以改善其抗裂性能和耐久性；Krummenauer等探討分析了鉻鞣皮革殘留物(含有纖維成分)摻量對微表處相關性能的影響，指出其摻量為0.30%時混合料具有相對較好的路用性能和減小的開裂概率；Wright等研究指出，0.20%玻璃纖維的摻加顯著改善了微表處的抗裂性能，劈裂抗拉強度、間接拉伸勁度模量、疲勞壽命等指標分別提高23%、24%和200%。中國普遍采用聚丙烯纖維來改善微表處的整體性能，其合理摻量根據分散效果、性能變化和經濟條件確定，建議控制為0.10%～0.20%。SBS聚合物具有橡膠和塑料的雙重特性，在顯著改善瀝青高溫性能的同時也可一定程度上改善低溫性能；用其制備改性乳化瀝青能夠改善微表處的高溫抗變形能力和耐磨耗性，尤其是前者。然而遺憾的是上述研究中并沒有提及不同改善方法的性能優(yōu)劣和加工難易程度，且纖維微表處采用的纖維類型相對單一，缺乏試驗論證和比選，以致于影響微表處技術的推廣和應用。

鑒于此，該文以改善普通微表處路用性能為目的，室內采用常規(guī)試驗、組合試件低溫彎曲試驗和漢堡車轍試驗方法等探析纖維、水性環(huán)氧改性乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青等措施的改善效果差異；并選取添加方式較簡單和成本相對低的纖維改善措施，借助上述試驗方法分析纖維摻量變化條件下聚丙烯纖維微表處和玄武巖纖維微表處路用性能的優(yōu)劣，以闡明玄武巖纖維在微表處中應用的可行性，其成果為纖維微表處組分材料的選取提供更多的可取方案。

2 試驗材料與方法

2.1 原材料和改善方案

結合料是微表處性能形成的關鍵，基于對比分析不同結合料改善效果的考慮，選取SBR改性乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青開展相關試驗，其主要組分摻配方案如表1所示，相應的制備工藝參照其他研究成果。粗細集料分別采用輝綠巖和石灰?guī)r，礦粉為磨細的石灰?guī)r粉，水泥采用325號普通硅酸鹽水泥，礦料和填料技術指標均滿足相關規(guī)范指標要求；微表處混合料礦料級配選用MS-3型，具體級配如圖1所示。

纖維穩(wěn)定劑選用聚丙烯纖維和玄武巖礦物纖維，主要技術指標如表2所示。不同類型微表處各組成材料的摻配比例按照《微表處和稀漿封層技術指南》中推薦的方法進行確定，具體如表3所示；其中纖維的摻量是以集料總量的質量百分率進行計算。玄武巖纖維微表處中集料、SBR改性乳化瀝青和水泥的摻配比例為100∶12.5∶2.0，而玄武巖纖維的摻量為0.05%～0.30%。

表1 不同乳化瀝青組分摻配方案

圖1 試驗用MS-3型礦料級配

2.2 試驗方法與測試條件

微表處技術具有快速開放交通的優(yōu)勢，攤鋪后能否達到開放交通的條件室內采用黏聚力試驗進行判斷；而微表處的耐磨耗性能和抗水損害性能則采用濕輪磨耗試驗來評價，相應指標分別為1 h和6 d的濕輪磨耗損失量。

微表處位于路面結構的最上層，直接與大氣環(huán)境相接觸，受溫度變化的影響相對最為劇烈；一旦氣溫出現驟降的現象，微表處極易產生低溫開裂病害，這樣會導致其失去封水效果。提高微表處混合料的抗裂性能，能夠有效延長路面的使用壽命。但中國相應的規(guī)范中并沒有關于微表處抗裂性能的評價方法，一定程度上阻礙了微表處該方面性能的研究和合理改善措施的提出。綜合考慮瀝青混合料低溫抗裂性能不同試驗方法的優(yōu)劣和普適性，該文采用彎曲試驗評價微表處的低溫抗裂性能，其試驗溫度及加載速率分別為-10 ℃和50 mm/min；而在測試用試件和指標獲取位置方面做了相應調整，如圖2所示。

表2 聚丙烯纖維和玄武巖纖維技術指標

表3 不同類型微表處的試驗方案

圖2 低溫性能測試試件成型與指標獲取方法

微表處能夠用于填補瀝青路面的車轍病害，相應的性能評價時應測定其抗車轍能力；但規(guī)范中采用輪轍變形試驗進行評價，試驗溫度為(22±2)℃，這不符合夏季路面的實際溫度狀況。另外試件在加載過程中，由于受設備精度的影響，加載輪并不是嚴格按照直線的方向運行，容易出現跑偏的現象；再加之橡膠輪[寬度(26.0±1.0)mm]置于試件[寬度(50.0±1.0)mm]上后，兩邊剩余寬度較窄，容易加載到試件邊緣，二者綜合導致試件會發(fā)生斷裂或松散破壞，影響測試結果精度。基于上述因素的考慮，試驗時借助漢堡車轍試驗系統、選取空氣浴模式評價不同微表處混合料的抗車轍能力；空氣浴的溫度選定為60 ℃，加載輪速度和施加荷載的大小分別為52 ppm和705 N。試件為組合型試件，由水泥板和微表處混合料構成，成型方法如下：① 按照標準車轍試模成型5 cm厚C30水泥混凝土板，養(yǎng)生后放入8 cm車轍模中；② 涂刷黏層油，在水泥混凝土板試件上灑鋪改性乳化瀝青，用量為0.3～0.5 L/m2；③ 拌制微表處混合料，并均勻攤鋪在車轍板上，形成組合試件；④ 烘箱保溫，組合試件置于60 ℃的烘箱中保溫不少于16 h，取出后碾壓成型，冷卻至室溫備用，處理過程如圖3所示；其中微表處養(yǎng)生后的厚度統一為25 mm。

圖3 試件成型過程

3 不同材料改善微表處性能效果分析

探析不同類型微表處的常規(guī)性能、低溫抗裂性和抗車轍能力等差異，以定量說明選取措施改善微表處性能的效果優(yōu)劣。

3.1 微表處常規(guī)性能對比

不同微表處混合料黏聚力和濕輪磨耗試驗結果如表4所示。

由表4可知：① 不同類型微表處均能夠滿足快速開放交通的要求，且結合料的改變或添加纖維均一定程度上提高了微表處的黏聚力，其中水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的改善效果相對最為顯著，分析原因一方面為在測試周期內水性環(huán)氧樹脂與固化劑充分接觸后，二者反應強度能夠快速形成，從而提高了微表處的黏聚力；另一方面水泥的水化為放熱過程，溫度的升高能夠促進水性環(huán)氧體系的固化反應速度，故在相同時間內含有該組分的微表處混合料強度比較高；② 不同類型微表處的耐磨耗性和抗水損害性能優(yōu)劣為：水性環(huán)氧乳化瀝青>SBR乳化瀝青+聚丙烯纖維>SBS乳化瀝青>SBR乳化瀝青，其中SBR乳化瀝青與水性環(huán)氧組分復配或常規(guī)微表處中添加纖維措施的改善效果相對最好，這是因為環(huán)氧樹脂具有黏結力很強的特性，一旦固化反應完成后，能夠賦予瀝青結合料更好的黏結性能，增加對礦料的黏附程度；而微表處混合料中添加纖維，憑借其吸附、加筋和橋接等作用，能夠提高結合料的黏度、改善與礦料的黏結性，且縱橫交錯的纖維可以限制礦料的自由移動、降低外力的破壞效應，故二者具有較好的性能改善效果。

表4 黏聚力與濕輪磨耗試驗結果

3.2 微表處抗車轍能力和低溫抗裂性探討

不同微表處混合料抗車轍能力和低溫抗裂性試驗結果分別如圖4、表5所示。

圖4 組合試件HWTD試驗結果

表5 HWTD試驗最終車轍深度、車轍變形率和低溫彎曲試驗結果

從圖4、表5可以看出：① 變化瀝青結合料或添加纖維均可以改善微表處混合料的抗車轍能力，其中水性環(huán)氧乳化瀝青的改善效果相對最好、而SBS改性乳化瀝青與添加聚丙烯纖維的改善效果基本相當，這是因為水性環(huán)氧體系固化后形成的產物為熱固性材料，該過程不可逆、且產物不受溫度變化的影響，所以其具有相對較好的抗車轍性能改善效果；而纖維穩(wěn)定劑的摻加能夠起到增加結合料黏度、降低礦料自由移動和承擔應力等的作用，但瀝青用量的提高有損混合料的抗車轍性能，上述各種效應相互作用，故對應的改善程度有限；② 不同措施對微表處低溫性能的改善效果存在明顯的差異，就破壞應變指標而言，僅添加纖維起到了改善微表處低溫性能的目的，而水性環(huán)氧乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青的使用則有損其低溫抗裂性能，原因為SBS聚合物以改善瀝青高溫性能為主，其對瀝青低溫性能的改善效果劣于SBR聚合物；水性環(huán)氧樹脂固化后呈脆性，一定程度上降低了微表處混合料的低溫延展能力，故導致其破壞應變值降低，低溫性能遭到損害。

綜合以上不同試驗發(fā)現，纖維能夠有效改善且可以兼顧微表處的各種性能；而水性環(huán)氧乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青雖然提高了微表處混合料的耐磨耗、抗水損害和抗車轍能力，但有損其低溫抗裂性，起不到改善整體性能的效果。另外纖維改善措施還具有添加方式簡單、價格相對較低的特性；有必要充分利用好纖維穩(wěn)定劑的這些優(yōu)勢，擴大纖維微表處在預防性養(yǎng)護工程中的應用規(guī)模。

4 不同纖維微表處路用性能差異探析

纖維材料能夠綜合改善普通微表處的各項性能，尤其是低溫抗裂性；但其改善效果與纖維類型密切相關，選取合適的纖維應用于微表處中可以達到性能和經濟俱佳的效果。玄武巖纖維是一種無機類礦物纖維，屬于環(huán)保型材料，其制備原料為玄武巖石料；具有使用溫度范圍寬、力學性能優(yōu)異、耐老化性能和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，能夠一定程度上彌補有機纖維抗老化性能差的缺陷。通常應用于熱拌瀝青混合料和水泥混凝土中，較少在微表處技術中使用；而僅有的關于玄武巖纖維微表處的研究也多采用規(guī)范中提供的方法來進行，忽略了個別試驗方法的不足和玄武巖纖維的性能特點?；诖嗽摬糠植捎貌煌瑩搅康木郾├w維和玄武巖纖維分別制備相應的微表處混合料，借助1.2節(jié)提供的試驗方法對比分析聚丙烯纖維微表處和玄武巖纖維微表處的性能差異及纖維摻量變化對微表處性能的影響，以闡明玄武巖纖維改善微表處性能的顯著效果。

4.1 黏聚力對比

玄武巖纖維和聚丙烯纖維微表處黏聚力試驗結果如表6所示。

表6 纖維摻量變化條件下不同纖維微表處黏聚力大小

4.2 其他性能差異性分析

不同類型纖維微表處高、低溫性能和耐磨性能試驗結果如表7所示。

表7 不同纖維微表處高、低溫性能及耐磨性能試驗結果

由表7可知：① 聚丙烯纖維微表處混合料的耐磨耗性、抗水損害和低溫抗裂性能等均優(yōu)于玄武巖纖維微表處，這與4.1節(jié)黏聚力試驗結果一致；聚丙烯纖維微表處混合料低溫性能相對較好的原因為聚丙烯纖維的斷裂伸長率大于玄武巖纖維，該指標越大則材料的韌性越好，受力時越不宜拉斷，摻入混合料后其抗變形能力提高，可以承受更大的拉伸力和拉伸應變；② 玄武巖纖維、聚丙烯纖維微表處混合料的抗車轍能力依次遞減，原因一方面為材料的塑性和強度是兩個相互“矛盾”的性能指標，其中一指標的提高就意味著另一指標必然會受到損害，即低溫性能較差的混合料對應的高溫性能反而相對較好；另一方面玄武巖纖維的組分為天然玄武巖礦料，其在混合料中的分散效果優(yōu)于聚丙烯纖維，在摻量相同的情況下，前者可以更好地發(fā)揮吸附和加筋的作用，故對應的抗車轍性能相對最優(yōu)；③ 纖維摻量在0～0.20%范圍內變化時，纖維改善微表處各種性能的效果與其呈正相關，一旦摻量達到0.20%以上，纖維微表處對應的各種性能反而出現不同程度的降低，還增加了鋪筑成本，其原因為混合料中摻加過量的纖維易出現結團現象，吸附大量的結合料，導致混合料中結合料分布不均勻，瀝青膜厚度相對減薄，從而影響二者的黏結性能，造成混合料的整體性能出現損害。根據纖維摻量對微表處各種性能的影響和經濟因素等，建議纖維的添加量為0.10～0.20%。

玄武巖纖維微表處具有優(yōu)良的抗車轍性能，且纖維成本明顯低于聚丙烯纖維；微表處中添加合適劑量的玄武巖纖維，能夠顯著提高黏聚力、耐磨耗性和低溫抗裂性等，但上述性能略低于聚丙烯纖維微表處混合料。玄武巖纖維微表處可以用于瀝青路面的預防性養(yǎng)護工程(冬季氣溫相對較溫和的地區(qū))和車轍病害的修復。

5 結論

(1)改變結合料類型或添加纖維均能夠改善常規(guī)微表處混合料的相關性能，其中摻加纖維具有相對較好的整體改善效果；聚丙烯纖維微表處的耐磨耗性和抗水損害性能優(yōu)于SBS乳化瀝青微表處、SBR乳化瀝青微表處，劣于水性環(huán)氧乳化瀝青微表處；其低溫性能相對最優(yōu)、且具有改善效果，而高溫性能低于水性環(huán)氧乳化瀝青微表處，與SBS乳化瀝青微表處的性能基本相當。

(2)玄武巖纖維微表處的抗車轍性能高于聚丙烯纖維微表處，而黏聚力、耐磨耗性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等略低于后者，且玄武巖纖維的成本低廉；合適摻量的玄武巖纖維微表處，其整體性能優(yōu)于水性環(huán)氧乳化瀝青微表處和SBS乳化瀝青微表處混合料。

(3)聚丙烯纖維和玄武巖纖維劑量在合理范圍內，其能夠顯著改善微表處的性能，但摻量繼續(xù)增加則耐磨耗、抗水損害和高低溫性能等的改善效果受到損害，性價比下降，結合微表處性能變化和經濟因素，建議纖維的添加量為0.10%～0.20%。