含砂有機(jī)硅霧封層耐磨耗性能研究

劉富強(qiáng)，鄭木蓮，丁曉巖，張文武，王飛，高源

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250108)

霧封層是一種有效的路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，具有防水、防熱氧和紫外老化等功能。但霧封層材料的使用會降低路表的抗滑性能，對行車的安全性造成影響。雖然通過在霧封層材料中撒布細(xì)砂來提高路表的抗滑性能，但含砂霧封層耐磨耗性能較差。由于霧封層的抗滑、耐磨耗等性能欠佳，對其應(yīng)用不太廣泛。為了提高霧封層膠結(jié)料的各項性能，有個別學(xué)者將有機(jī)硅樹脂應(yīng)用在霧封層膠結(jié)料中，并對其性能進(jìn)行了研究。有機(jī)硅(有機(jī)硅化合物)，是指含有Si—C鍵且至少有一個有機(jī)基是直接與硅原子相連的化合物，具有良好的防水和耐候性能[1]。呂峰等[2]通過對有機(jī)硅瀝青霧封層材料的研究表明，采用有機(jī)硅瀝青霧封層材料后，大大降低了路面滲透系數(shù)，很好的防止了路面的水損壞。萬里[3]選取了4種有機(jī)硅材料研究其路用性能的差異，并確定了最適宜路面養(yǎng)護(hù)的有機(jī)硅材料。此外，還將這種材料與市場上主要的功能性預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料進(jìn)行對比，分析了有機(jī)硅材料與這些材料的養(yǎng)護(hù)效果差異。CUI等[4]提出了硅樹脂聚合物霧封層材料，并利用X射線斷層掃描和三維重建技術(shù)評價了硅樹脂聚合物在瀝青混合料中的滲透性和分布特征，同時研究了硅樹脂對瀝青路面的防水和耐高溫性能，研究表明硅樹脂的表面特性能有效地隔離水分，當(dāng)噴灑量為400 mL/m2或600 mL/m2時，硅樹脂均勻地分布在試樣孔隙中；當(dāng)噴灑量由20～400 mL/m2增加時，孔隙填充率增加16.3%，而當(dāng)噴灑量由400～600 mL/m2增加時，孔隙填充率僅增加3.7%。隨著硅樹脂用量的增加，瀝青混合料的防水性能顯著提高。但隨著摻量從400 mL/m2增加到600 mL/m2，硅樹脂的孔隙填充作用達(dá)到上限，殘余馬歇爾穩(wěn)定性(RMS)和抗拉強(qiáng)度比(TSR)的增長速度明顯減慢。硅樹脂用量對車轍試驗結(jié)果影響不大，對漢堡車轍試驗有顯著影響。綜合性能、經(jīng)濟(jì)等方面考慮，推薦了最佳噴灑量為400 mL/m2。為了保證霧封層材料具有良好的性能，李煒光等[5]借鑒瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程，結(jié)合FAA(美國聯(lián)邦航空管理局)霧封層材料規(guī)范，提出了切合實際且操作簡便的試驗方法，建立了較完善的霧封層評價體系。其他研究者[6-18]對于霧封層的性能評價指標(biāo)一般采用其中的部分指標(biāo)進(jìn)行評價。除此之外，有相關(guān)學(xué)者[19-24]對霧封層還原、滲透、滲固、抗紫外老化、自愈合及NO降解性能的評價進(jìn)行了研究。為有效改善瀝青路面防水和抗滑性能、提高含砂霧封層材料的耐磨耗性能，研發(fā)含砂有機(jī)硅霧封層材料(ES-Fog Seal with Sand)。本文通過一系列室內(nèi)試驗[25]對含砂有機(jī)硅霧封層的耐磨耗性能進(jìn)行研究。

1 材料與試驗

1.1 材料

選擇有機(jī)硅樹脂A，滲透劑，硅烷偶聯(lián)劑，炭黑，CA還原劑和聚酰胺類固化劑制備有機(jī)硅霧封層膠結(jié)材料(ES-Fog Seal)，然后在制備的有機(jī)硅霧封層材料中加入0.6～1.18 mm玄武砂抗滑顆粒制備含砂有機(jī)硅霧封層，主要材料的性質(zhì)指標(biāo)分別如表1～3所示。

表1 有機(jī)硅樹脂A的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Properties of organosilicon resin A

表2 滲透劑B的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Properties of penetrating agent B

1.2 試驗方法

1.2.1 含砂有機(jī)硅霧封層材料的制備方法

有機(jī)硅霧封層材料的制備工藝如圖1所示，在制備好有機(jī)硅霧封層材料后在其中加入0.6～1.18 mm玄武砂抗滑顆粒攪拌可得含砂有機(jī)硅霧封層。

表3 固化劑C的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicator of curing agent C

圖1 有機(jī)硅霧封層材料的制備Fig.1 Preparation of organosilicon fog seal

1.2.2 濕輪磨耗試驗

1)試驗儀器與材料。本試驗需要的試驗材料為有機(jī)硅霧封層膠結(jié)材料和抗滑顆粒。試驗儀器為濕輪磨耗儀；邊長360 mm的塑料模板，中間有一直徑為(280±1)mm的圓孔，試模厚度為(3±0.1)mm；直徑為286 mm的油毛氈圓片；天平(稱量2 000 g)；水浴箱、烘箱等。

2)方法與步驟。①將油毛氈圓片平鋪在操作臺上，再將模板居中放在平整的油毛氈圓片上；②稱取37 g(按噴灑量為600 g/m2計算而得)有機(jī)硅霧封層膠結(jié)材料和49.3 g抗滑顆粒(按噴灑量為800 g/m2計算而得)均勻噴灑在試模中；③等表干后取走模板，將試樣放入(60±3)℃的烘箱中烘干至恒重，一般不少于16 h，然后將油毛氈試件用環(huán)氧樹脂E-51黏結(jié)在圓形三合板上。④將試件及油毛氈片放入(25±1)℃的水浴中保溫1 h，然后將試件及油毛氈片從水浴中取出，放入試樣托盤中，往試樣托盤中加入25℃的水，使試樣完全浸入水中，水面到試件表面的深度不小于6 mm。⑤把裝有試件的試樣托盤固定在磨耗儀升降平臺上，提升平臺并鎖住，開動儀器，使磨耗頭轉(zhuǎn)動300 s后停止。⑥將試件從試樣托盤中取出，沖洗，然后放入60℃烘箱中烘干至恒重，冷卻至室溫后，稱取試件與油毛氈的總質(zhì)量，m2。霧封層磨耗值按下式計算：

式中：WTAT為霧封層磨耗值，g/m2；m1為磨耗前的試件質(zhì)量，g；m2為磨耗后的試件質(zhì)量，g；A為磨耗頭膠管的磨耗面積(本儀器為0.034 m2)。

1.2.3 三輪加速磨耗試驗

試驗采用課題組研發(fā)的三輪加速磨耗試驗儀模擬高速公路上行車荷載對含砂霧封層的磨耗作用。三輪加速磨耗儀采用減震及耐磨性良好的實心聚氨酯輪胎模擬行車輪胎，加速磨耗儀的輪胎組包括3個輪胎，輪胎通過電機(jī)作用繞軸心高速旋轉(zhuǎn)。試驗通過加載負(fù)荷圓盤為底部輪胎提供荷載，三輪加速磨耗試驗儀如圖2所示。其中豎向荷載設(shè)置為0.7 MPa，輪胎轉(zhuǎn)速為5 000轉(zhuǎn)/h，聚氨酯輪胎寬100 mm，車轍板經(jīng)磨耗后形成1/4半圓弧，內(nèi)圓弧半徑為100 mm。

圖2 三輪加速磨耗儀及磨耗試驗Fig.2 Three-wheel accelerated wear tester and wear test

三輪加速磨耗試驗的試驗試件為瀝青瑪蹄脂混合料(SMA-13)車轍板試件。表征耐磨耗性能的指標(biāo)分別為含砂霧封層材料的質(zhì)量損失率和抗滑性能，其中抗滑性能由擺值(BPN)、構(gòu)造深度和摩擦力3個指標(biāo)進(jìn)行表征。

1)質(zhì)量損失率(mloss)是表征試驗試件在磨耗前(mbefore)和后(mafter)的質(zhì)量變化情況，按下式計算：

2)擺值(BPN)和構(gòu)造深度參考公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程(JTG E60-2008,T0961和T0964)進(jìn)行測試。

3)摩擦力采用拉力計法進(jìn)行測試。根據(jù)物理學(xué)動摩擦因數(shù)原理，通過橡膠塊模擬車輛輪胎，采用拉力計施加拉力，橡膠塊與試件之間的摩擦力大小表征試驗試件的抗滑性能，其原理如圖3所示。

圖3 摩擦力測試原理Fig.3 Schematic of friction force test

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 濕輪磨耗性能

不同類型含砂霧封層1 h和6 d老化與未老化濕輪磨耗試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同類型含砂霧封層1 h和6 d老化與未老化濕輪磨耗試驗結(jié)果Fig.4 Results of 1h and 6d wet-wheel wear performance with or without aging of different types of fog seals with sand

由圖4可知，對于浸水1 h和6 d濕輪磨耗試驗而言，無論紫外老化與否，含砂有機(jī)硅霧封層材料的抗1 h和6 d濕輪磨耗性能均優(yōu)于含砂SBR改性乳化瀝青霧封層材料。未紫外老化情況下，含砂SBR改性乳化瀝青霧封層1 h和6 d濕輪磨耗痕跡明顯，WTAT較含砂有機(jī)硅霧封層材料分別增大2.48倍(1 h)和5.67倍(6 d)。紫外老化情況下，含砂SBR改性乳化瀝青霧封層1 h和6 d的WTAT較含砂有機(jī)硅霧封層分別增大3.57倍(1 h)和6.68倍(6 d)。這是因為有機(jī)硅霧封層固化物由2種物質(zhì)組成，即環(huán)氧樹脂和固化劑通過復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)形成具有良好性能的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物、具有有機(jī)和無機(jī)物2種物質(zhì)雙重特性的以硅氧鍵(—Si—O—Si—)為骨架組成的聚硅氧烷，故其耐磨耗性能明顯優(yōu)于SBR改性乳化瀝青霧封層材料。

2.2 三輪加速磨耗性能

2.2.1 質(zhì)量損失率

不同原路面類型和紫外老化條件下，不同含砂霧封層在不同磨耗次數(shù)下的質(zhì)量損失衰減曲線如圖5所示。

圖5 不同磨耗次數(shù)下不同霧封層的質(zhì)量損失Fig.5 Mass loss of different fog seal under different wear times

由圖5可知：

1)無論對于哪種處理試件類型，老化后期不同磨耗次數(shù)下的質(zhì)量損失均高于未老化條件，這是由于老化后霧封層膠結(jié)料的黏結(jié)性能降低，抗滑顆粒易被磨掉，進(jìn)而出現(xiàn)質(zhì)量損失。

2)原車轍板試件經(jīng)過有機(jī)硅霧封層材料處理后，含砂霧封層處理試件的質(zhì)量損失均高于未被有機(jī)硅霧封層材料優(yōu)先處理試件。如在磨耗次數(shù)為100 000次時，未老化和老化條件下有機(jī)硅霧封層處理后被含砂有機(jī)硅和含砂SBR霧封層處理試件較未被有機(jī)硅霧封層優(yōu)先處理試件分別增大1.26倍、2.25倍、1.20倍和2.30倍。這是因為有機(jī)硅霧封層材料是一種熱固性材料，有機(jī)硅霧封層優(yōu)先處理車轍板是為了模擬瀝青路面在投入使用后的情況，瀝青路面投入使用后路表的抗滑性能和構(gòu)造深度會降低，從而使得含砂霧封層材料與瀝青路面表面的黏結(jié)性能降低，不同磨耗次數(shù)下的質(zhì)量損失增大。

3)對于未被有機(jī)硅霧封層處理的SMA-13車轍板試件，含砂SBR改性乳化瀝青霧封層的質(zhì)量損失大于含砂有機(jī)硅霧封層。如在磨耗次數(shù)為100 000次時，未老化和老化條件下含砂SBR霧封層處理試件較含砂有機(jī)硅霧封層分別增大1.98倍和2.77倍。對于有機(jī)硅霧封層處理的SMA-13車轍板試件，含砂SBR改性乳化瀝青霧封層的質(zhì)量損失明顯大于含砂有機(jī)硅霧封層。試驗結(jié)果表明有機(jī)硅霧封層膠結(jié)料對抗滑顆粒玄武砂的固化效果較好，能夠提高含砂霧封層的耐磨耗性能。

由于有機(jī)硅霧封層材料中含有環(huán)氧樹脂、固化劑、有機(jī)硅樹脂和硅烷偶聯(lián)劑等材料，環(huán)氧樹脂和固化劑通過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)能夠形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，該物質(zhì)具有良好的性能，如較高的強(qiáng)度、良好的防水性能、耐久性能等。有機(jī)硅樹脂、硅烷偶聯(lián)劑和固化劑能夠形成一種介于有機(jī)和無機(jī)聚合物之間的以硅氧鍵(—Si—O—Si—)為骨架組成的聚硅氧烷，由于這種材料具有有機(jī)和無機(jī)物2種物質(zhì)的雙重特性，使得該物質(zhì)除具有一般無機(jī)物的耐熱性、堅硬性等特性外，又有熱塑性等有機(jī)聚合物的特性。

2.2.2 抗滑性能

不同原路面類型和紫外老化條件下，不同含砂霧封層在不同磨耗次數(shù)下的抗滑性能衰減曲線如圖6和7所示。

由圖6可知，未老化不同磨耗次數(shù)下不同霧封層處理試件的抗滑性能總體變化規(guī)律為：先增大再突然減小、緩慢衰減3個階段。起始階段增大的原因是部分抗滑顆粒被磨耗掉，表面的紋理構(gòu)造較未磨耗時粗糙，故其抗滑性能指標(biāo)逐漸增大。隨著磨耗次數(shù)的增加，表面的抗滑顆粒被磨掉的數(shù)量越來越多，直至最后部分抗滑顆粒被擠壓進(jìn)入原路面的膠結(jié)料中，該過程出現(xiàn)抗滑性能急劇下降的現(xiàn)象。最后由于表面的顆?；竟潭ǎ囕喣ズ牡拇螖?shù)增大對其影響不顯著，故其抗滑性能指標(biāo)基本保持不變。

圖6 未老化不同磨耗次數(shù)下不同霧封層性能衰減曲線Fig.6 Attenuation curves of performance of different fog seal under different wear times without aging

對于不同類型霧封層處理試件的BPN，構(gòu)造深度及摩擦力指標(biāo)，相互之間沒有顯著的差異及規(guī)律性。但在1 000次磨耗后，SMA-13車轍板未被ES-Fog Seal處理試件的BPN，構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)大于先被ES-Fog Seal處理然后被含砂霧封層處理試件，說明瀝青路面在通車運營一定時間后表面的抗滑性能會降低，然后實施含砂霧封層后，含砂霧封層材料與原路面的黏結(jié)力較新建路面與含砂霧封層的弱，這也進(jìn)一步證明了用ES-Fog Seal預(yù)先處理新車轍板模擬老路面的正確性。

圖7顯示老化不同磨耗次數(shù)下不同霧封層處理試件的抗滑性能總體變化規(guī)律與未老化情況下類似，即經(jīng)歷先增大再突然減小、緩慢衰減的3個階段。在1 000次磨耗之前，BPN，構(gòu)造深度及摩擦力隨著磨耗次數(shù)的增加沒有明顯的規(guī)律性。1 000次磨耗后BPN，構(gòu)造深度及摩擦力均出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，但降低幅度較小。100 000次磨耗后，BPN和構(gòu)造深度均能滿足規(guī)范要求。

圖7 老化不同磨耗次數(shù)下不同霧封層性能衰減曲線Fig.7 Attenuation curves of performance of different fog seal under different wear times with aging

從圖7(a)可以看出，1 000次磨耗后，SMA-13車轍板經(jīng)ES-Fog Seal處理后再噴撒ES-Fog Seal with Sand試件的BPN值最大，5 000次磨耗后SBR-Fog Seal with Sand處理試件的BPN值最小，其他霧封層處理試件的BPN變化沒有明顯的規(guī)律性。

圖7(b)顯示，磨耗次數(shù)在1 000次之前及4 000次以后，各種霧封層處理試件的構(gòu)造深度差別不顯著。在1 000次至4 000次磨耗次數(shù)之間時，SMA-13車轍板經(jīng)ES-Fog Seal處理后再噴撒ESFog Seal with Sand試件的構(gòu)造深度最大。圖7(c)顯示各種類型霧封層處理試件的摩擦力變化規(guī)律相似，相互之間的差異性不顯著。

基于上述分析可知，對于不同類型霧封層處理試件在不同磨耗次數(shù)下其抗滑性能的變化規(guī)律性不顯著，但各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。出現(xiàn)該試驗結(jié)果的原因包括：

1)車轍板表面平整度及紋理構(gòu)造的差異性導(dǎo)致試驗結(jié)果沒有規(guī)律性。

2)實驗室內(nèi)霧封層是通過試驗人員噴灑于車轍板表面，在試驗人員的操作過程中存在噴灑不均勻?qū)е绿幚碓嚰砻娴臉?gòu)造深度、BPN及摩擦力沒有明顯的規(guī)律性。

3 結(jié)論

1)無論紫外老化與否，含砂有機(jī)硅霧封層材料的抗1 h和6 d濕輪磨耗性能均優(yōu)于含砂SBR改性乳化瀝青霧封層材料。未紫外老化下，含砂SBR改性乳化瀝青霧封層的WTAT分別較含砂有機(jī)硅霧封層分別增大2.48倍(1 h)和5.67倍(6 d)；紫外老化下，分別增大3.57倍(1 h)和6.68倍(6 d)。

2)老化后期不同磨耗次數(shù)下的質(zhì)量損失均高于未老化條件。原車轍板試件經(jīng)過有機(jī)硅霧封層材料處理后的含砂霧封層處理試件的質(zhì)量損失均高于未被有機(jī)硅霧封層材料優(yōu)先處理試件。含砂SBR改性乳化瀝青霧封層的質(zhì)量損失大于含砂有機(jī)硅霧封層。磨耗次數(shù)為100 000次時，未老化和老化條件下有機(jī)硅霧封層處理后被含砂有機(jī)硅和含砂SBR霧封層處理試件較未被有機(jī)硅霧封層優(yōu)先處理試件分別增大1.26倍、2.25倍、1.20倍和2.30倍。

3)未老化不同磨耗次數(shù)下不同霧封層處理試件的抗滑性能總體變化規(guī)律可分為快速上升、快速下降和緩慢降低3個階段。對于不同類型霧封層處理試件的BPN，構(gòu)造深度及摩擦力指標(biāo)，相互之間沒有顯著的差異及規(guī)律性。但在1 000次磨耗后，SMA-13車轍板未被ES-Fog Seal處理試件的BPN，構(gòu)造深度和摩擦因數(shù)大于先被ES-Fog Seal處理然后被含砂霧封層處理試件。

4)老化不同磨耗次數(shù)下不同霧封層處理試件的抗滑性能總體變化規(guī)律與未老化情況下類似，即經(jīng)歷先增大再突然減小、緩慢衰減的3個階段。在1 000次磨耗之前，BPN，構(gòu)造深度及摩擦力隨著磨耗次數(shù)的增加沒有明顯的規(guī)律性。1 000次磨耗后BPN，構(gòu)造深度及摩擦力均出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，但降低幅度較小，100 000次磨耗后，BPN和構(gòu)造深度均能滿足規(guī)范要求。