抗滑顆粒對含砂霧封層性能影響

田 甜， 蔣 應(yīng) 軍*， 張 文 輝， 張 毅， 陳 浙 江

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.陜西省交通工程咨詢有限公司，陜西 西安 710003；3.金華市交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 金華 321015 )

0 引 言

霧封層作為一種路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段，是采用專用設(shè)備將霧封層材料以霧狀灑布到路面上形成一層薄薄的封層，填封微小裂縫和表面空隙，還原和保護(hù)被氧化的路面，起到防水和抑制松散的作用，同時改善和提升路面形象[1]．近年來，國內(nèi)外研究人員對此開展了大量研究．文獻(xiàn)[2-6]提出霧封層能夠改善路面防水、防滲性能，但一定程度上會降低路面的抗滑性能．Prapaitrakul等[7]、蔣志軍[8]從流體角度分析霧封層技術(shù)在路面封閉微裂縫、防止?jié)B水等方面的機(jī)理，提出霧封材料自身的滲透性會直接影響路面抗滑性能．劉先淼等[9]提出霧封層質(zhì)量控制技術(shù)，分析了霧封層密水性和抗滑性的實(shí)際效果．韓瑞民等[10]提出霧封層研究重點(diǎn)應(yīng)從耐磨性、抗滑性和固結(jié)性著手．王朝輝等[11]結(jié)合SPSS探索性分析結(jié)果，建議路面使用霧封層技術(shù)后，路面的擺式摩擦系數(shù)(BPN)應(yīng)不小于50．

因此，研究人員開始在霧封材料中摻加抗滑顆粒形成含砂霧封層(或稱抗滑霧封層)以改善霧封層的抗滑性能．文獻(xiàn)[12-14]認(rèn)為環(huán)氧乳化瀝青作為霧封膠結(jié)料的含砂霧封層耐磨耗性及抗滑性均優(yōu)于傳統(tǒng)的霧封膠結(jié)料，年壽命周期成本低于其他養(yǎng)護(hù)方式．Estakhri等[15]、Prapaitrakul等[16]研究表明，在霧封層撒布細(xì)砂可防止路面短期內(nèi)抗滑性能迅速下降．文獻(xiàn)[17-20]認(rèn)為含砂霧封層技術(shù)可以有效提高路面抗滑性能．王雕鵬[21]、路俊杰[22]認(rèn)為軟質(zhì)顆粒提供的摩擦力較小，抗滑性能較差，而硬質(zhì)顆粒耐磨耗性能較好，適宜作為路面封層的抗滑顆粒．王利利等[23]發(fā)現(xiàn)以石英砂細(xì)集料為抗滑顆粒的霧封層抗滑性有明顯提高．陳小庭等[24]開發(fā)了輪胎驅(qū)動式路面功能加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)，認(rèn)為霧封層抗滑所用細(xì)集料的撒布量及粒徑需要進(jìn)行嚴(yán)格控制．Oduroh等[25]提出通過嚴(yán)格控制施工流程和規(guī)范撒布量，可避免霧封層施工后短時間內(nèi)路面再次產(chǎn)生病害．陳俊宇[26]研究了水性環(huán)氧樹脂摻量、砂的粒徑與撒布量對含砂霧封層的耐磨耗性能與抗滑性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧樹脂摻量主要影響霧封層的耐磨耗性能，撒布砂的粒徑主要影響抗滑性能．同時，現(xiàn)有霧封層材料耐久性差，在早期就會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象．鄭敏楠[27]針對此現(xiàn)象，研發(fā)了一種耐久型水性環(huán)氧樹脂霧封層材料，并優(yōu)化了配比．高志明等[28]、李凱[29]提出耐久型含砂霧封層的配比設(shè)計結(jié)果為用砂量20%左右、母液固含量50%～60%．李煒光等[30]、戴征等[31]通過加重磨耗試驗(yàn)測試瀝青失重、車轍深度、磨損指數(shù)等指標(biāo)，用于評價霧封層的耐久性．

上述研究表明在霧封膠結(jié)料中摻加細(xì)砂等抗滑顆?？筛纳坡访婵够阅?，但由于抗滑顆粒與霧封膠結(jié)料的黏結(jié)性不足、抗滑顆粒規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)缺失，含砂霧封層質(zhì)量參差不齊，耐久性差，通車后會出現(xiàn)抗滑顆粒迅速磨掉、路面泛油、BPN低于安全行車要求等問題．鑒于此，本文采用課題組自主研制的環(huán)氧乳化瀝青霧封膠結(jié)料，通過室內(nèi)加速磨耗試驗(yàn)，提出含砂霧封層抗滑性及耐久性的試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)，分析抗滑顆粒類型、粒徑、級配及摻量對含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，給出含砂霧封層用抗滑顆粒建議參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證．

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

(1)環(huán)氧乳化瀝青

采用課題組研發(fā)的環(huán)氧乳化瀝青，主要成分為BE-4型乳化瀝青、E-44型水性環(huán)氧樹脂及水性固化劑，各部分的技術(shù)性質(zhì)見表1～3．其中，BE-4型乳化瀝青占比80%，水性環(huán)氧樹脂與水性固化劑的比例為2∶1．

表1 BE-4型乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Technical properties of BE-4 emulsified asphalt

(2)抗滑顆粒

試驗(yàn)用抗滑顆粒為玄武砂、天然河砂及金剛砂，技術(shù)性質(zhì)見表4．

表4 抗滑顆粒技術(shù)性質(zhì)Tab.4 Technical properties of anti-slip particles

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用單一變量控制法，研究抗滑顆粒的類型、粒徑、級配及摻量對含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，提出含砂霧封層用抗滑顆粒建議指標(biāo)，并與未噴灑霧封膠結(jié)料的空白試件及只噴灑

表2 E-44型水性環(huán)氧樹脂技術(shù)性質(zhì)Tab.2 Technical properties of E-44 waterborne epoxy resin

表3 水性固化劑技術(shù)性質(zhì)Tab.3 Technical properties of waterborne curing agent

霧封膠結(jié)料的試件進(jìn)行性能對比．其中，霧封膠結(jié)料選用環(huán)氧乳化瀝青，用量為0.6 kg/m2．

1.3 試驗(yàn)方法

(1)試件成型方法

按照試驗(yàn)規(guī)程成型300 mm×300 mm×50 mm 的車轍板，室溫冷卻至少12 h后脫模；清理車轍板試件表面，測試其質(zhì)量與BPN，變異系數(shù)不應(yīng)大于5%；采用預(yù)拌工藝成型試件，分別量取各粒徑的抗滑顆粒，將不同粒徑顆粒混合攪拌均勻后加入一定比例的環(huán)氧乳化瀝青，充分?jǐn)嚢韬笮纬缮皾{混合料；將一定質(zhì)量的砂漿混合料均勻攤鋪在合格的車轍板上，采用刮刀等輔助工具將砂漿混合料攤鋪平整(圖1)；將試件置于30 ℃鼓風(fēng)箱內(nèi)至表干后備用．

圖1 含砂霧封層試件成型Fig.1 Sand fog seal specimen molding

(2)性能評價方法

采用長安大學(xué)研發(fā)的加速磨耗試驗(yàn)儀(圖2)，模擬含砂霧封層使用過程中受到的車輛磨耗作用．儀器的4只直徑45 mm的聚氨酯輪胎在電機(jī)作用下繞軸心高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動頻率為5 000 r/h，線速度為84.78 km/h．試驗(yàn)通過加載圓盤調(diào)整底部輪胎荷載，豎向荷載設(shè)為0.7 MPa．設(shè)備試件安裝槽尺寸為605 mm×605 mm，采用4組車轍板試件．

圖2 加速磨耗試驗(yàn)儀Fig.2 Accelerated wear tester

試驗(yàn)步驟主要包括：①測量表干后含砂霧封層試件的質(zhì)量及BPN；②將4塊試件依次置于試件安裝槽，用螺栓固定；③設(shè)定儀器轉(zhuǎn)動頻率，前期為1×104次，逐漸遞增至1×105次，開始加速磨耗試驗(yàn)，待儀器停止轉(zhuǎn)動后取出試件，測定試件質(zhì)量及磨耗軌跡處的BPN；④重復(fù)前述步驟，放置試件時應(yīng)按初始順序保證試件磨耗軌跡與實(shí)際磨耗吻合．

一塊車轍板可切割為4個平行試件，擺式儀測試過程及磨耗軌跡簡化模型分別見圖3、4．測定磨耗軌跡中間段處BPN，根據(jù)不同磨耗次數(shù)下含砂霧封層試件的BPN變化情況評價不同含砂霧封層試件的抗滑性[32]．隨磨耗次數(shù)增加，BPN越大且減小越慢者，其抗滑性越好．

圖3 擺式儀測試過程Fig.3 Test process of pendulum apparatus

圖4 加速磨耗過程中試件磨耗軌跡Fig.4 The wear trajectory of specimens in accelerated wear process

用經(jīng)過1×105次磨耗后試件的質(zhì)量損失率評價不同含砂霧封層試件的耐久性．質(zhì)量損失率計算見式(1)，質(zhì)量損失率越小，其耐久性越好．

(1)

式中：M為試件質(zhì)量損失率；m0、m1分別為磨耗前后的試件質(zhì)量；ma為成型含砂霧封層前的試件質(zhì)量；mb為含砂霧封層固化后的試件質(zhì)量；A為試件面積，即900 cm2；A1為試件的磨耗面積，即204.88 cm2．

2 抗滑顆粒對含砂霧封層性能影響

2.1 顆粒類型對含砂霧封層性能的影響

為研究抗滑顆粒的類型對含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，在霧封層試件表面分別撒布玄武砂、天然河砂及金剛砂，進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)．

(1)抗滑性

成型后的3種含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN(b0)變化規(guī)律見圖5．其中抗滑顆粒粒徑取0.6～1.18 mm，摻量為0.6 kg/m2．

圖5 不同類型抗滑顆粒成型試件BPN磨耗規(guī)律Fig.5 BPN wear law of different types of anti-slip particles forming specimens

由圖5可知，磨耗次數(shù)為0～1×104，隨磨耗次數(shù)N的增加，試件BPN呈線性下降趨勢，這是因?yàn)殪F封層存在部分包裹在瀝青材料的細(xì)砂及未在表面黏結(jié)牢固的浮砂，不能發(fā)揮其抗滑功效；磨耗次數(shù)超過1×104，試件表面浮砂及多余的霧封膠結(jié)料被磨耗殆盡，集料逐漸裸露出來，抗滑性能增加，表現(xiàn)出試件的質(zhì)量與BPN均隨磨耗次數(shù)變化而趨于平緩，甚至出現(xiàn)小幅上升的情況．

3種抗滑顆粒中，金剛砂為瀝青路面提供的初始BPN最高，且磨耗過程中BPN曲線始終位于其他兩種曲線上方；磨耗1×105次后，摻玄武砂、天然河砂及金剛砂的3種試件BPN分別降低了32.8%、32.4%及29.1%，金剛砂試件降低比例最?。@是由于金剛砂多為立方體，棱角分明，表面粗糙且粒徑分布均勻，而玄武砂與天然河砂多為球狀或橢球狀，表面較光滑，所提供摩擦力有限．同時，抗滑顆粒為金剛砂時，試件BPN在磨耗至3×104次左右趨于穩(wěn)定，BPN極小值為52；玄武砂與天然河砂試件BPN均在磨耗到1×104次左右達(dá)到穩(wěn)定，BPN極小值均為48，表明金剛砂作為抗滑顆粒能保證較好的抗滑性．

(2)耐久性

成型后的3種含砂霧封層試件磨耗前后質(zhì)量m0與m1、成型前質(zhì)量ma、固化后質(zhì)量mb及1×105次磨耗作用后的質(zhì)量損失率結(jié)果見表5．

由表5可知，經(jīng)過1×105次磨耗作用后，3種抗滑顆粒成型的含砂霧封層試件質(zhì)量損失率由小到大順序?yàn)樾渖啊⒔饎偵?、天然河砂，金剛砂試件質(zhì)量損失率為62.46%，較玄武砂霧封層僅高0.68%．

表5 不同類型抗滑顆粒成型試件的質(zhì)量損失率Tab.5 Mass loss rate of different types of anti-slip particles forming specimens

綜上，建議選擇金剛砂作為抗滑顆粒．

2.2 顆粒粒徑對含砂霧封層性能的影響

為研究抗滑顆粒粒徑對含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，在霧封層試件表面分別摻加粒徑為0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm的金剛砂，進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)．

(1)抗滑性

成型后3種含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN變化規(guī)律見圖6．其中，金剛砂摻量暫定為0.6 kg/m2．

圖6 不同粒徑金剛砂成型試件的BPN磨耗規(guī)律Fig.6 BPN wear law of emery molding specimens with different particle sizes

由圖6可知，金剛砂粒徑為1.18～2.36 mm時，試件初始BPN最高，但磨耗次數(shù)超過1×104后，其BPN曲線基本位于其他兩種曲線下方；粒徑為0.3～0.6 mm時，試件初始BPN最低，且磨耗過程中BPN較粒徑為0.6～1.18 mm的低．同時，粒徑為0.6～1.18 mm時，試件的BPN約在磨耗3×104次時下降至極小值52；粒徑為0.3～0.6 mm及1.18～2.36 mm時，BPN在磨耗1.5×104次左右下降至極小值52及50．

(2)耐久性

摻加不同粒徑金剛砂成型的霧封層試件經(jīng)1×105次磨耗，質(zhì)量損失率結(jié)果見表6．

表6 不同粒徑金剛砂成型試件的質(zhì)量損失率Tab.6 Mass loss rate of emery molding specimens with different particle sizes

由表6可知，0.6～1.18 mm粒徑金剛砂成型試件經(jīng)1×105次磨耗后質(zhì)量損失率最低，與0.3～0.6 mm及1.18～2.36 mm粒徑成型試件相比，質(zhì)量損失率分別降低了3.68%、8.15%．這是由于粒徑過大時，金剛砂與霧封膠結(jié)料間的有效黏結(jié)面積較小，黏結(jié)力較小導(dǎo)致抗滑顆粒易被磨掉；而粒徑過小會使路表的霧封膠結(jié)料直接與輪胎作用，加速了霧封層材料的脫落，導(dǎo)致質(zhì)量損失率較大．

綜上，建議選擇0.6～1.18 mm粒徑金剛砂作為抗滑顆粒．

2.3 顆粒級配對含砂霧封層性能的影響

為研究金剛砂級配對含砂霧封層試件抗滑性及耐久性的影響，改變不同粒徑金剛砂配比進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)，3種金剛砂級配見表7．

表7 金剛砂的級配Tab.7 Gradation of emery

(1)抗滑性

分別摻加3種級配的金剛砂成型的含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN變化規(guī)律見圖7．其中，金剛砂摻量暫定為0.6 kg/m2．

由圖7可知，摻加級配2金剛砂成型的霧封層試件，BPN磨耗曲線位于最上方，抗滑性最好；磨耗1×105次后，用級配1與級配3成型的含砂霧封層試件，抗滑性相比0.6～1.18 mm單粒徑提高不大．這是因?yàn)榧壟?中細(xì)砂含量較多，導(dǎo)致初始BPN較小，而級配3中90%為0.6～1.18 mm 金剛砂，相比單粒徑金剛砂差別較小，BPN磨耗曲線相近．

圖7 不同級配金剛砂成型試件的BPN磨耗規(guī)律Fig.7 BPN wear law of emery molding specimens with different gradation

(2)耐久性

在霧封層試件表面分別摻加3種級配的金剛砂，成型的含砂霧封層試件與0.6～1.18 mm單粒徑含砂霧封層試件經(jīng)1×105次磨耗后質(zhì)量損失率見表8．

表8 不同級配金剛砂成型試件的質(zhì)量損失率Tab.8 Mass loss rate of emery molding specimens with different gradation

由表8可知，采用不同級配金剛砂成型的含砂霧封層試件均能不同程度減小磨耗后的質(zhì)量損失率．與0.6～1.18 mm單粒徑金剛砂試件相比，級配1、級配2及級配3金剛砂霧封層的質(zhì)量損失率分別減小了4.83%、3.54%及0.39%，其中級配1質(zhì)量損失率最小，表明該級配金剛砂與霧封膠結(jié)料的黏結(jié)面積較大，黏結(jié)力較強(qiáng)，不易被磨掉．

綜合抗滑性與耐久性，建議選擇級配2作為金剛砂所用級配．

2.4 顆粒摻量對含砂霧封層性能的影響

為研究金剛砂摻量對含砂霧封層試件抗滑性及耐久性的影響，選用金剛砂摻量0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 kg/m2分別成型含砂霧封層試件進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)．級配2金剛砂用量見表9．

表9 級配2金剛砂用量Tab.9 Gradation 2 emery quantity

(1)抗滑性

不同摻量金剛砂成型的含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN變化規(guī)律見圖8．

圖8 不同摻量金剛砂成型試件的BPN磨耗規(guī)律Fig.8 BPN wear law of emery molding specimens with different dosage

由圖8可知，摻量小于0.6 kg/m2時，顆粒相互嵌擠作用較小，磨耗過程中易被磨掉，試件BPN迅速減?。浑S摻量逐漸增大，試件表面構(gòu)造逐漸被填充，試件不同磨耗次數(shù)下的BPN逐漸增大，抗滑性逐漸增強(qiáng)，金剛砂摻量為0.6 kg/m2時，試件的BPN磨耗曲線位于最上方，抗滑性最好；摻量大于0.6 kg/m2時，試件表面出現(xiàn)浮砂，黏結(jié)力降低，試件BPN減小．

(2)耐久性

不同摻量金剛砂成型的含砂霧封層試件經(jīng)1×105次磨耗后質(zhì)量損失率見圖9．

由圖9可知，隨金剛砂摻量的增加，含砂霧封層試件的質(zhì)量損失率先減小后迅速增大，在摻量為0.6 kg/m2附近質(zhì)量損失率最?。@是因?yàn)榻饎偵皳搅枯^小時，顆粒間難以形成骨架，嵌擠作用較小，且較少的金剛砂與霧封膠結(jié)料間的接觸面積有限，黏結(jié)力較小，試件表面抗滑顆粒易在短期內(nèi)被磨掉．金剛砂摻量大于0.6 kg/m2時，試件表面開始出現(xiàn)浮砂，抗滑顆粒與霧封膠結(jié)料的黏結(jié)作用較小，易被磨掉，質(zhì)量損失率開始增大，對耐久性產(chǎn)生不利影響．

圖9 不同摻量金剛砂成型試件的質(zhì)量損失率Fig.9 Mass loss rate of emery molding specimens with different dosage

綜上，建議金剛砂摻量取0.6 kg/m2，此時含砂霧封層的抗滑性及耐久性均較優(yōu)．

2.5 抗滑顆粒優(yōu)選及驗(yàn)證

綜上所述，建議選取金剛砂作為含砂霧封層的抗滑顆粒，當(dāng)環(huán)氧乳化瀝青用量為0.6 kg/m2時，各粒徑金剛砂建議摻量為0.3～0.6 mm粒徑摻量0.18 kg/m2，0.6～1.18 mm粒徑摻量0.42 kg/m2．

按照金剛砂建議摻量成型含砂霧封層試件，并與不摻加抗滑顆粒的霧封膠結(jié)料試件及未進(jìn)行霧封的空白試件進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)對比，磨耗過程中3種試件的BPN磨耗曲線見圖10，磨耗1×105次后的質(zhì)量損失率見表10．

表10 不同試件的耐久性試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Durability test results of different specimens

圖10 不同試件BPN磨耗規(guī)律Fig.10 BPN wear law of different specimens

由圖10可知，不摻加抗滑顆粒的霧封膠結(jié)料試件的BPN磨耗曲線呈二次拋物線，初始BPN較低，這是由于霧封膠結(jié)料填補(bǔ)了路表的空隙形

成一層油膜，抗滑性能降低，隨著磨耗次數(shù)增大，油膜逐漸被磨耗，露出表面粗糙的集料，試件BPN開始增大，在磨耗約6.5×104次時BPN達(dá)到峰值，此時路表霧封膠結(jié)料形成的油膜被完全磨去，抗滑性能恢復(fù)至原路面水平，試件BPN開始隨磨耗作用下降．含砂霧封層能有效提高路面的抗滑性能，相比不摻加抗滑顆粒的霧封膠結(jié)料試件及未進(jìn)行霧封的空白試件，含砂霧封層試件初始BPN分別提高了69.8%和35.2%，抗滑性能有明顯改善，且BPN磨耗曲線始終位于最上方，表明含砂霧封層在車輛磨耗過程中BPN始終大于原路面，抗滑性較好，有效延長了路面使用壽命．

由表10可知，經(jīng)1×105次磨耗，含砂霧封層試件的質(zhì)量損失率比霧封膠結(jié)料試件小9.67%，具有更好的耐久性．

綜上，含砂霧封層技術(shù)能有效提升路面的抗滑性及耐久性，延長路面使用壽命．

3 結(jié) 論

(1)提出了含砂霧封層抗滑性及耐久性的評價方法：通過四輪加速磨耗試驗(yàn)，根據(jù)磨耗過程中BPN變化規(guī)律評價抗滑性；采用磨耗1×105次后的質(zhì)量損失率評價耐久性．

(2)研究了環(huán)氧乳化瀝青作為霧封膠結(jié)料時，抗滑顆粒的類型、粒徑、級配及摻量對霧封層抗滑性及耐久性的影響．結(jié)果表明：抗滑顆粒選用0.3～0.6 mm與0.6～1.18 mm兩種粒徑金剛砂，摻量分別為0.18、0.42 kg/m2時，磨耗1×105次后抗滑霧封層試件的BPN下降了27.4%，具有較優(yōu)的抗滑性，質(zhì)量損失率為58.92%，耐久性較優(yōu)．

(3)經(jīng)驗(yàn)證，相比霧封膠結(jié)料試件及空白試件，含砂霧封層試件初始BPN分別提高了69.8%和35.2%，而質(zhì)量損失率比霧封膠結(jié)料試件小9.67%，抗滑性及耐久性良好．