巖瀝青改性微表處路用性能評(píng)價(jià)

■黃 亮

（福建南平路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司，南平 353000）

目前，我國(guó)高速公路發(fā)展已經(jīng)由大規(guī)模新建進(jìn)入修建和養(yǎng)護(hù)并重的階段，有相當(dāng)一部分瀝青路面結(jié)構(gòu)雖然整體強(qiáng)度完好，但出現(xiàn)了多種表面功能性病害。對(duì)于這部分路面結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修，從減少對(duì)路面標(biāo)高的影響與節(jié)約資源的角度出發(fā)，僅需對(duì)其表面功能進(jìn)行恢復(fù)，而采用微表處養(yǎng)護(hù)技術(shù)是較為理想的方案。微表處作為道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的一種，通過(guò)采用專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備將聚合物改性乳化瀝青、粗細(xì)集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計(jì)配比拌和成稀漿混合料攤鋪到原路面上，具有開(kāi)放交通快、高抗滑、耐久性能等特點(diǎn)，目前已為一種重要的養(yǎng)護(hù)材料[1]。然而由于微表處在使用過(guò)程中出現(xiàn)了使用壽命較短、耐久性差等問(wèn)題，從而限制了微表處的推廣應(yīng)用。

隨著道路工程科學(xué)領(lǐng)域?qū)ξ⒈硖幯芯康闹饾u深入，發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理添加外摻劑（如玻璃纖維、鋼渣、環(huán)氧樹(shù)脂和天然瀝青等）[2]可以提升微表處的路用性能，使其更好地滿(mǎn)足大交通量和重載交通。因此，本文嘗試通過(guò)向微表處中添加巖瀝青以制備改性微表處混合料試件，進(jìn)一步采用室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)比較不同改性微表處的路用性能，從而為福建地區(qū)微表處罩面材料中的合理應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 原材料

1.1 集料及填料

試驗(yàn)采用粒徑5～10mm粗集料、0～5mm細(xì)集料均為石灰?guī)r，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）測(cè)試集料的各項(xiàng)性能，均滿(mǎn)足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》的技術(shù)要求。填料采用礦粉和水泥，其中礦粉為磨細(xì)的石灰?guī)r粉，水泥采用普通硅酸鹽P042.5水泥。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）和《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2005）測(cè)試填料的技術(shù)性能，測(cè)試結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范使用要求。

1.2 改性乳化瀝青

本研究所用SBR改性乳化瀝青，其技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 SBR改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.3 巖瀝青添加劑

巖瀝青中瀝青質(zhì)含量高達(dá)40%，具有很強(qiáng)的浸潤(rùn)性和對(duì)自由氧化基的高抵抗性，所以通過(guò)添加巖瀝青以期改善瀝青粘結(jié)料的粘結(jié)性能，增強(qiáng)微表處混合料的粘聚力。本研究所用巖瀝青技術(shù)指標(biāo)如表2所示，巖瀝青的摻量范圍設(shè)置為0.5%、1%、1.5%和2%（占瀝青混合料的質(zhì)量比例），按干法加入集料中進(jìn)行拌和。

表2 巖瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

2 微表處混合料組成設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

我國(guó)規(guī)范中推薦微表處級(jí)配類(lèi)型包括MS-2型和MS-3型。前者公稱(chēng)最大粒徑為4.75mm，適用于中等交通量的高速公路，一、二級(jí)公路的罩面；后者公稱(chēng)最大粒徑為9.5mm，適用于高速公路、一級(jí)公路的罩面和車(chē)轍填充。實(shí)體工程已經(jīng)鋪筑的微表處多采用MS-3型級(jí)配，少數(shù)采用MS-2型級(jí)配，所以，結(jié)合實(shí)際工程本文依托于MS-3型級(jí)配進(jìn)行研究，可使研究結(jié)果更有借鑒意義，根據(jù)規(guī)范要求[3]，設(shè)計(jì)的MS-3型級(jí)配曲線如圖 1所示，其中水泥摻量為2%。

圖1 微表處瀝青混合料MS-3型級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

2.2 最佳瀝青用量確定

本研究設(shè)計(jì)了常規(guī)微表處以及巖瀝青摻量分別為0.5%、1%、1.5%和2%的巖瀝青改性微表處共5種瀝青混合料，瀝青的最佳用量是通過(guò)1h濕輪磨耗試驗(yàn)及負(fù)荷輪黏附砂試驗(yàn)共同確定，其中1h濕輪磨耗試驗(yàn)的磨耗值用于確定微表處瀝青混合料的最小瀝青用量，負(fù)荷輪黏附砂試驗(yàn)的黏附砂量用于控制微表處的最大瀝青用量[4]。確定各類(lèi)微表處最佳瀝青用量的選擇范圍為5.5%～7.5%，不同瀝青用量下微表處瀝青混合料磨耗值和粘附量結(jié)果見(jiàn)表3、表 4以及圖2～圖6。

從圖2～圖6中可以看出，普通微表處的瀝青用量范圍在6.4%～7.4%，而摻加有巖瀝青后，微表處瀝青用量分別為 6.25%～7.1%（巖瀝青摻量 0.5%）、6.1%～6.9%（巖瀝青摻量1%）、6.0%～6.8%（巖瀝青摻量 1.5%）和 5.8%～6.6%（巖瀝青摻量2%）。可見(jiàn)巖瀝青加入后起到有一定的瀝青的作用，降低了瀝青用量。為便于比較，不同摻量的巖瀝青微表處最佳瀝青用量統(tǒng)一為6.5%。

表3 不同摻量巖瀝青改性微表處濕輪磨耗值（g/m2）

表 4 不同摻量巖瀝青改性微表處粘附砂量（g/m2）

圖2 普通微表處瀝青用量確定

圖3 巖瀝青摻量為0.5%的微表處瀝青用量確定

圖4 巖瀝青摻量為1.0%的微表處瀝青用量確定

圖5 巖瀝青摻量為1.5%的微表處瀝青用量確定

圖6 巖瀝青摻量為2.0%的微表處瀝青用量確定

4 路用性能測(cè)試

4.1 施工性能

微表處混合料施工性能包括施工可操作性及成型速度兩個(gè)方面，通常采用拌合試驗(yàn)、粘聚力試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。微表處混合料是冷拌冷鋪的混合料，施工過(guò)程中呈稀漿狀態(tài)，攤鋪后稀漿混合料迅速固化成型以滿(mǎn)足開(kāi)放交通的需要，這就要求微表處混合料必須有合理的可拌和時(shí)間，拌和試驗(yàn)具體操作方法參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0757-2011。微表處混合料的粘聚力是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，它反映了混合料的成型速度和開(kāi)放交通時(shí)間，微表處混合料要求初凝時(shí)間30min粘聚力大于1.2Nm；固化開(kāi)放交通時(shí)間60min粘聚力值大于2Nm，具體操作室內(nèi)測(cè)試方法參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0754-2011。

各混合料拌和試驗(yàn)進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，得到的平均拌和時(shí)間如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)巖瀝青摻量不超過(guò)1.5%時(shí)，隨著巖瀝青摻量增加，微表處混合料的可拌合時(shí)間增加，但是達(dá)到2%之后微表處混合料的可拌合時(shí)間劇烈下降，甚至無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求的120s規(guī)定。分析其原因可能是因?yàn)閹r瀝青表面的瀝青成分粒徑很小比表面積大，遇水之后會(huì)形成“油包水”狀態(tài)，但是當(dāng)摻量是超過(guò)2%之后，過(guò)量的巖瀝青由于比表面積大，反而加速了改性乳化瀝青的破乳時(shí)間。從拌和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用巖瀝青作為微表處添加劑不要超過(guò)1.5%為宜。

圖7 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的拌和時(shí)間

從圖8中可以看出，巖瀝青摻量對(duì)30min黏聚力值和60min黏聚力值兩指標(biāo)的影響趨勢(shì)是一致的，隨著巖瀝青摻量的增加，微表處混合料黏聚力值都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在1.5%摻量下粘聚力值最大。

圖8 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的粘聚力

4.2 抗車(chē)轍性能

微表處罩面車(chē)轍試驗(yàn)所用試件為4cmAC-13+1cm微表處的結(jié)構(gòu)，以模擬鋪設(shè)微表處后路面上層材料抵抗車(chē)轍的能力。成型試件過(guò)程中先在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試模中放置1cm厚的模板，然后裝填A(yù)C-13瀝青混合料，并壓實(shí)長(zhǎng)、寬、高分別為30cm、30cm和4cm的試件。然后待AC-13瀝青混合料強(qiáng)度形成后，將AC-13瀝青混合料試件放置在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試模中，并在AC-13瀝青混合料表面鋪設(shè)1cm厚的微表處。最終將試件在烘箱中按60℃養(yǎng)生24h，取出放至室溫進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，每種混合料做3組平行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖 9。

由圖 9可知：常規(guī)微表處中加入巖瀝青后，試件的動(dòng)穩(wěn)定度比傳統(tǒng)的微表處的動(dòng)穩(wěn)定度有所提高，尤其是摻量在0.5%以上時(shí)，對(duì)混合料抗車(chē)轍能力的提升十分明顯，動(dòng)穩(wěn)定度至增加了40%左右，說(shuō)明利用巖瀝青微表處罩面后能顯著提高路面的高溫抗變形能力。同時(shí)，巖瀝青摻量在1%～2%間變化時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度值雖然表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度其實(shí)是相對(duì)緩慢的，所以從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，也并非是摻量越大越好。

圖9 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

4.3 低溫抗裂性能

微表處作為路表面的薄層結(jié)構(gòu)，其裂縫病害普遍存在，且通常是由降溫及溫度循環(huán)反復(fù)作用產(chǎn)生的溫縮裂縫。雖然微表處溫縮裂縫得到越來(lái)越多的關(guān)注，但目前還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法對(duì)其低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本研究通過(guò)SCB試驗(yàn)評(píng)價(jià)巖瀝青摻量對(duì)微表處瀝青混合料低溫抗裂性能的作用，其試驗(yàn)圖示見(jiàn)圖 10。支座間距離s=8cm，試驗(yàn)在-10℃下進(jìn)行，采用位移加載模式，速率為1mm/min。所用試件由標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件切割而成的半圓試件，直徑D為10cm，厚度d為3cm。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程測(cè)試得到的峰值荷載和相關(guān)幾何尺寸，按照公式（1）可計(jì)算試件的低溫破壞強(qiáng)度用于評(píng)價(jià)微表處混合料的低溫抗裂性能。

式（1）中，σ 為試件的破壞強(qiáng)度，MPa；P 為破壞時(shí)刻荷載，N；s為支座間距離，mm；d為試件厚度，mm。

瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)中每組進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出微表處中添加巖瀝青后對(duì)低溫抗裂性能會(huì)產(chǎn)生不利影響，添加量為0.5%時(shí)這種副作用尚不明顯，但當(dāng)添加量大于1%時(shí)破壞強(qiáng)度已經(jīng)損失了10%，且隨著摻量增加，低溫抗裂性能衰減幅度越大。

圖10 SCB試驗(yàn)示意圖

表5 不同巖瀝青摻量SCB試驗(yàn)結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文基于濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷輪黏附砂試驗(yàn)、拌合試驗(yàn)、粘聚力試驗(yàn)、罩面車(chē)轍試驗(yàn)和半圓彎拉試驗(yàn)對(duì)巖瀝青摻量在0%～2%范圍的巖瀝青改性微表處進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試與評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

（1）巖瀝青加入微表處可起到替代瀝青的作用，進(jìn)而降低微表處混合料最佳瀝青用量，但是這種替代作用是有限的，并非等值替換。

（2）巖瀝青加入對(duì)微表處工作性能和抗車(chē)轍性能均能起到積極作用，但對(duì)微表處低溫抗裂性能會(huì)帶來(lái)不利影響，尤其是當(dāng)摻量大于1%時(shí)低溫抗裂性能有明顯下降。

（3）結(jié)合福建地區(qū)道路服役低溫環(huán)境并不苛刻的情況和巖瀝青微表處自身性能特點(diǎn)，建議巖瀝青改性微表處在使用時(shí)摻量在1.5%以?xún)?nèi)。

[1]肖晶晶.微表處改性乳化瀝青及混合料性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

[2]高仲，劉曉琴.巖瀝青微表處應(yīng)用技術(shù)研究[J].中外公路，2014，34（1）：294-297.

[3]JTGF40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]交通部公路科學(xué)研究院.微表處和稀漿封層技術(shù)指南[S].北京：人民交通出版社，2006.