高速公路夜間微表處施工影響因素及應(yīng)用 效果分析

摘要：文章探討了石料、乳化劑、填料、外加水量、光照與溫度等因素對微表處混合料成型強度及可拌和時間等性能的影響，綜合以上影響因素試驗數(shù)據(jù)確定了最優(yōu)配合比設(shè)計，并以南寧繞城高速公路西段工程為例，通過檢測微表處混合料濕輪磨耗值和粘聚力，驗證該混合料的使用效果及路用性能。結(jié)果表明：在達到可開放交通時間要求的情況下，按該配合比設(shè)計的混合料具有較好的使用性及和易性，可為后續(xù)夜間微表處施工及南寧地區(qū)高速公路夜間養(yǎng)護提供一種新方法。

關(guān)鍵詞：夜間施工；微表處；配比設(shè)計；影響因素；實用效果

中圖分類號：U418.4 A 12 035 4

0 引言

日間高速公路車輛通行需求高，交通量大，不能采用白天間斷式施工而只能在夜間實行半封閉施工。根據(jù)施工特點選擇適合的混合料，通過全面分析路況指標(biāo)制定合理的施工組織計劃，在保證施工質(zhì)量和嚴(yán)格把控現(xiàn)場管理的情況下，最大限度地降低對施工進度和車輛的通行的影響。微表處是一種高效、快捷、經(jīng)濟的路面養(yǎng)護技術(shù)，可以延長路面壽命、增強路面抗滑能力及改善路面外觀形態(tài)，因具有較好的技術(shù)經(jīng)濟效益被廣泛應(yīng)用于各等級公路養(yǎng)護工程［1-2］。然而，針對施工環(huán)境的復(fù)雜性以及高速公路的特點，對微表處的設(shè)計和施工工藝提出了更高要求：（1）受車輛重載率、交通量、地域等因素影響，很難實現(xiàn)白天長時間的封路施工，一般采用夜間施工養(yǎng)護方式，而夜間高濕、低溫環(huán)境會影響微表處施工及強度的增長，故必須考慮夜間環(huán)境合理設(shè)計施工；（2）隨著公路交通量的逐漸增大，對微表處技術(shù)降低交通影響的要求不斷提高，為保證快速通車應(yīng)盡量減少路面強度形成時間。

微表處混合料施工易受原材料性質(zhì)、品種和環(huán)境條件的影響，每個因素的輕微變化都會在一定程度上改變其性能［3］。因此，本文結(jié)合南寧繞城高速公路西段施工要求，系統(tǒng)分析微光照低溫條件下混合料成型時間、可拌和時間影響因素，在保證混合料性能符合規(guī)范要求情況下加快其破乳速度，經(jīng)試驗驗證提出合適的配合比，并通過試驗路鋪筑和跟蹤檢測來科學(xué)評定夜間微表處施工效果。

1 夜間微表處養(yǎng)護施工影響因素

根據(jù)南寧地區(qū)的氣候環(huán)境特點及夏季夜間施工條件，控制可拌和時間約為 170 s，試驗設(shè)計環(huán)境溫度為 10 ℃～20 ℃，通過控制室內(nèi)溫度模擬現(xiàn)場施工條件，遮蔽光線模擬夜間無光照環(huán)境。通過分析夜間微表處混合料質(zhì)量影響因素，揭示可拌和時間變化規(guī)律，為工程的順利施工提供技術(shù)支持。

1.1 光照與溫度對混合料的影響

夜間微表處與普通微表處的最大區(qū)別就是光照條件和環(huán)境溫度的不同，本文利用恒溫箱設(shè)定不同溫度對石料做保溫處理，通過增加光照條件探討了溫度與光照對混合料可拌和時間的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，混合料可拌和時間隨著環(huán)境溫度的升高而減小。究其原因，溫度越高則分子間的運動越劇烈，從而加快了破乳速度，縮短了混合料的可拌和時間。另外，在無光照條件下的乳化瀝青主要通過化學(xué)反應(yīng)來破乳，無光照也會對混合料中水分的蒸發(fā)造成一定影響，所以無光照要比有光照的可拌和時間長，但兩種試驗條件均符合≥ 120 s的規(guī)范要求。

1.2 用水量對混合料的影響

微表處混合料含水量主要包括拌和時摻入的用水量和乳液、礦料等材料的含水量，其數(shù)值多少直接決定著稀漿混合料的稠度。在確保成型的情況下，適當(dāng)減少用水量可以防止混合料流淌和離析，加快破乳速度達到快速成型的作用。然而，若用水量過少則會產(chǎn)生拌和不均勻的問題，因破乳速度過快而降低成型強度。因此，必須確定合適的用水量和配合比，經(jīng)多次調(diào)配后再用于工程現(xiàn)場路段攤鋪。本研究設(shè)計 50 g、 60 g、 70 g、 80 g、 90 g、 100 g 這6種外加用水量，探討其對混合料可拌和時間的影響，試驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著外加用水量的不斷增大，混合料可拌和時間逐漸延長，當(dāng)用水量從 50 g增大到 80 g時，可拌和時間呈明顯的線性上升趨勢，隨著用水量的進一步增大，可拌和時間雖然持續(xù)增大，但增幅有所減弱。根據(jù)實際工程，混合料破乳速度會隨外加用水量的增加而下降，究其原因是外加用水量會稀釋乳化瀝青乳液，對瀝青顆粒的相互碰撞產(chǎn)生一定的阻礙作用，從而降低了破乳速度［8］。外加用水量過多會稀釋混合料，因瀝青與石料無法裹覆產(chǎn)生離析現(xiàn)象，工程中使用該混合料攤鋪會造成路面泛油，大大降低石料之間的粘結(jié)力，經(jīng)多次碾壓后隨輪跡帶脫落，對路面整體性產(chǎn)生影響，故最佳用水量應(yīng)為60～ 80 g。

1.3 乳化劑摻量對混合料的影響

雖然改性乳化瀝青占混合料總體積較小，約為10%，但直接影響著混合料的成型強度、成型時間和破乳速度。改性乳化瀝青包括瀝青添加劑、改性劑、乳化劑和基質(zhì)瀝青等材料，其中合理選擇乳化劑至關(guān)重要［5］。為了滿足南寧地區(qū)在濕度大、溫度低且無陽光條件下快速開放交通等夜間施工要求，選擇與改性劑、基質(zhì)瀝青配伍優(yōu)良的快凝慢裂型陽離子乳化劑，設(shè)計0.6%、0.8%、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%這6種摻量，以可拌和時間為控制指標(biāo)確定乳化劑的最佳用量。試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨乳化劑用量的提高，可拌和時間總體表現(xiàn)出線性增長趨勢。具體而言，當(dāng)乳化劑用 量＜0.8%時，可拌和時間不符合 ≥120 s的規(guī)范要求，而當(dāng)乳化劑用量 ＞1.5%時，可拌和時間又表現(xiàn)出大幅增長趨勢，并且變化規(guī)律性明顯。究其原因，在瀝青微粒表面聚集大量的乳化劑分子形成了一種油水隔離界面膜層，乳化劑用量越高則界面膜擴散層越厚，相應(yīng)的強度和電位也就越高，石料與乳化瀝青溶液接觸后會降低雙電位層和原界面膜的破壞速度，界面間水分散失變慢使得可拌和時間有所延長［6］。

1.4 石料對混合料的影響

微表處混合料主要包括石料、填料、水、改性乳化瀝青等原材料，其中石料約占混合料總體積的80%，故石料級配在很大程度上影響著微表處的表面功能和路面性能［4］。對于不同石料，必須設(shè)計適合的集料配合比才能調(diào)配出最佳的微表處混合料。本文選用石灰石和玄武巖兩種集料，通過砂當(dāng)量試驗、篩分試驗評定集料的清潔程度及其級配范圍。砂當(dāng)量、集料篩分測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，玄武巖、石灰?guī)r+玄武巖砂當(dāng)量平均值均符合設(shè)計規(guī)范要求（＞65%），石料級配均未超出微表處上、下限區(qū)間。兩種石料對混合料可拌和時間的影響試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，采用純玄武巖配制的微表處混合料可拌和時間不符合 ≥120 s的規(guī)范要求，拌和料呈離散分散狀態(tài)，乳化瀝青漿體裹覆力較低，難以滿足施工和易性要求。石灰?guī)r+玄武巖復(fù)配的混合料可拌和時間符合要求，表觀致密，故后續(xù)試驗擬利用復(fù)配集料。

1.5 填料對混合料的影響

目前工程中比較常用的化學(xué)活性填料有活性硫酸鋁Al 2（SO 4） 3、消石灰、水泥等，非化學(xué)活性填料有木質(zhì)纖維、礦粉等，為了增強石料與微表處乳液的粘結(jié)活性，通常選用化學(xué)活性填料。本文選用消石灰和普通硅酸鹽水泥兩種填料，分別設(shè)計 0 g、4 g、8 g、12 g、16 g、20 g這6種摻量，探討不同填料及其摻量對混合料破乳速度的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出，在微表處混合料中摻入消石灰或水泥填料可明顯改變其可拌和時間。當(dāng)集料摻量處于 0～8 g時，隨摻量增加混合料的可拌和時間逐漸增大；當(dāng)集料摻量 ＞8 g時，隨摻量增大可拌和時間逐漸減小。消石灰和水泥影響混合料可拌和時間的變化趨勢基本一致，但在摻量相同的情況下，消石灰的改變作用優(yōu)于水泥。究其原因，混合料中的水與摻入的填料發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，由此生成的大量正電荷離子Ca2+與填料表面的負(fù)電荷發(fā)生中和反應(yīng)，從而減緩了乳化瀝青陽離子與填料的反應(yīng)速度，延長了拌和時間并降低了破乳速度。填料摻量超過特定界限值后，混合料吸水量隨比表面積的增加而增大，明顯減少拌和時間，大幅加快破乳速度［7］。

混合料成型后摻不同填料的表觀形態(tài)存在較大差異：干燥后摻消石灰的混合料出現(xiàn)明顯的泌水浮漿層，外觀受到影響；而摻水泥的混合料表面外觀良好，這是因為具有較大比表面積的水泥更易吸水，在固化成型過程中增大稀漿稠度，更好地促進了漿體的破乳和混合料早期強度的提升，所以夜間施工更適合選用水泥填料。

2 夜間微表處混合料最優(yōu)配合比及實用效果

2.1 工程應(yīng)用

選擇南寧繞城高速公路西段（G7201：K20+610～K65+360段）為試驗段，該路段為雙向四車道，設(shè)計速度為 100 km/h，是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分。經(jīng)過十多年運營，該路段的路況水平進入快速衰減期，路面出現(xiàn)車轍及輕微裂縫現(xiàn)象，特別是路面抗滑性能明顯減弱，經(jīng)檢測路面抗滑指數(shù)SRI只有60，破損指數(shù)PCI達到95。因此，為提高路面行車質(zhì)量，延長路面使用壽命以及有效防止路面微病害的擴展，擬利用微表處技術(shù)對該路段進行處理，施工時間選擇8月份夜間，以驗證該項技術(shù)的可行性。

2.2 最優(yōu)配合比設(shè)計

本文遵循最佳早期強度、最適宜拌和時間等設(shè)計原則，綜合以上影響因素試驗數(shù)據(jù)，確定適用于南寧地區(qū)夜間施工的微表處混合料配合比及其基礎(chǔ)材料，最終選用丁苯聚合膠乳改性添加劑、SBR膠乳改性劑、快凝慢裂乳化劑、SK-70型基質(zhì)瀝青和石灰?guī)r+玄武巖混合集料，其最優(yōu)配合比設(shè)計如表4所示，按該配合比制備的乳化瀝青性能如表5所示。

2.3 技術(shù)設(shè)備

本工程夜間微表處攤鋪施工選用VSS型封層車。為確保試驗配方、配合比與實體工程的物料比例一致，攤鋪前嚴(yán)格標(biāo)定水、乳化瀝青、礦料等劑量設(shè)備，并按要求合理選擇原料。考慮到夜間施工交通狀況復(fù)雜、可視度差、施工問題難以發(fā)現(xiàn)等特點，為保證施工質(zhì)量可以增設(shè)大功率照明設(shè)備，重點控制人工修補、橫縱接縫、攤鋪厚度與速度、破乳時間、混合料稠度和加水量等環(huán)節(jié)，確保工程質(zhì)量符合設(shè)計要求。

2.4 實用效果分析

（1）粘聚力測試?；旌狭峡焖俪尚彤a(chǎn)生強度是微表處的最大特征，故選用粘聚力反映其路用性能［9］?；旌狭现苽鋾r間選擇夏季夜間0時，試件成型后放置室外養(yǎng)護 30 min，每隔 15 min測試一次粘聚力值（表6），以此確定交通開放時間和混合料的初凝時間。

表6的檢測結(jié)果表明，混合料成型 30 min時粘聚力值只有 1.6 N·m，有許多細(xì)小裂縫分布于試件表面，該階段屬于初級成型；混合料成型 60 min時粘聚力值達到 2.5 N·m，表面無裂縫但壓頭下有集料被碾落，該階段屬于中度成型；混合料成型 90 min時粘聚力值達到 2.7 N·m，表面未見損壞但出現(xiàn)圓形痕跡，該階段屬于完全成型。總體而言，混合料成型強度隨著時間的變化逐漸增大，可以達到 2 h開放交通及規(guī)范要求。

（2）濕輪磨耗測試。通過該試驗?zāi)M混合料表面在潮濕狀態(tài)下受行駛車輛的磨耗情況，浸水 1 h和 6 h評定混合料的耐磨耗及抗水損害能力。采用浸水條件下試件磨耗前、后質(zhì)量差計算濕輪磨耗值WTAT，計算式為WTAT=（ma-mb）/A，結(jié)果如表7所示。

表7的試驗結(jié)果表明，浸水 1 h和 6 h時微表處混合料表面濕輪磨耗值均符合規(guī)范要求，并且成型 1 h后混合料粘聚力為 2.5 N·m，可以達到公路交通快速開放要求。因此，按照表5配合比配制的微表處混合料能夠滿足夜間施工要求。

（3）跟蹤觀測。通車使用6個月后，從外觀上看微表處施工路段狀況良好，未發(fā)現(xiàn)掉料松散問題，說明原路面與微表處混合料的粘附性良好。檢測數(shù)據(jù)如表8所示。

表8的檢測結(jié)果表明，夜間微表處施工在一定程度上改善了路面整體性、抗滑性能、外觀形態(tài)和平整度，施工效果良好。微表處施工技術(shù)明顯增強了路面抗?jié)B水能力，有效地防止了水向路基的滲入，降低了對道路結(jié)構(gòu)的破壞。

3 結(jié)語

（1）為了達到微表處混合料夜間環(huán)境下的快凝要求，可以采取合理控制乳化劑、外加水量、水泥、選擇合適溫度、濕度等措施?；旌狭峡砂韬蜁r間與外加水量、乳化劑用量呈正相關(guān)性，而與溫度呈負(fù)相關(guān)性，水泥和消石灰類填料可調(diào)節(jié)混合料破乳時間、漿體狀態(tài)以及施工和易性。

（2）微表處混合料受光照、溫度的影響顯著，夜間無光照、低溫條件不利于混合料施工和易性，特別是水分蒸發(fā)速率對混合料硬化過程、破乳時間會造成直接影響。

（3）以南寧繞城高速公路西段為試驗路段，結(jié)合各因素試驗數(shù)據(jù)提出適用于南寧地區(qū)的夜間微表處混合料配合比，結(jié)果顯示該混合料成型 60 min時的粘聚力值為 2.5 N·m，浸水 6 h濕輪磨耗值符合 ≤800 g/m2的規(guī)范要求，可以滿足夜間施工和交通快速開放要求，具有較強的實用性。

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收稿日期：2022-12-20