排水瀝青路面表面強化技術對比

趙麗華， 白子玉,2， 許 斌， 劉少華

(1.大連交通大學土木工程學院， 大連 116000； 2.中路高科(北京)公路技術有限公司， 北京 100088； 3.大連理工大學交通運輸學院， 大連 116000)

排水瀝青路面是世界公認的高安全性功能路面，具有抗滑性能高、抑制雨天行車水霧、提高行車安全性以及舒適性、降低噪聲等技術特點[1-3]。目前，排水瀝青路面在中國已得到廣泛推廣。排水瀝青混合料是一種粗集料相互嵌擠形成的骨架型結構，由于其大孔隙、開級配的特性，飛散掉粒及其引發的坑槽是最主要的結構病害，且一旦飛散發生將會呈現“多米諾效應”，即飛散面積和程度會加速破壞[4-6]。排水瀝青路面預防性養護技術是目前針對其飛散病害最有效的手段。荷蘭研發了預防性養護專用材料及其灑布車，并測試、評估了預防性養護的應用效果[7]。Zhang 等[8]研究發現飛散病害對排水瀝青路面的使用壽命影響較大，并通過再生劑提高了路面的自愈能力，延長了路面的使用壽命。美國主要采用霧狀封層及還原劑對OGFC(open graded friction course)路面進行養護[9]。Boyer[10]研究發現，降低路面頂部瀝青黏度并做好路面封層可有效延長路面的使用壽命。Prapaitrakul等[11]研究發現霧狀封層通過減少水和空氣對排水瀝青路面面層的滲透來預防路面老化并減少飛散與開裂。Brownridge[12]對比了再生劑與普通瀝青乳液的使用效果，發現再生劑可以較低的成本有效延長路面壽命。盧傳忠等[13]通過沿海高速公路(鹽通段)預防性養護工程發現，其對排水瀝青路面功能性能的恢復以及其使用壽命的延長有極其重要的作用。Xu 等[14-15]研發了三種不同類型的預防性養護材料，并依托沈海高速公路在南通到鹽城段實施了預防性養護試驗段，取得了良好的應用效果。塵福濤等[16]評估了滲透性樹脂材料對排水瀝青路面的表面強化效果，發現這種材料能有效抑制路面早期飛散病害的發生。殷俊等[17]將小粒徑排水型抗滑超薄磨耗層作為路面的表面強化措施，并通過攤鋪試驗段，證明其具有良好的結構穩定性和排水抗滑效果。

根據中外排水瀝青路面應用以及研究，飛散掉粒是排水瀝青路面主要的結構病害，中外針對飛散掉料主要采用噴灑還原劑進行預防性養護，這種方式主要適用于飛散出現前，其原理主要是改善老化瀝青的性質或者在排水瀝青路面覆蓋一層未老化的瀝青膜。以往的研究中多采用撒布滲透性樹脂或鋪設路面超薄磨耗層等措施，本文研究采用水性環氧乳化瀝青以及環氧樹脂砂漿兩種手段對排水瀝青路面進行表面強化，提高其抵抗飛散病害的能力。

1 試驗材料

1.1 水性環氧乳化瀝青和環氧樹脂砂漿原材料

(1)水性環氧樹脂和環氧樹脂。環氧樹脂是環氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產物，含有兩個或兩個以上環氧基團的一類熱固性材料，通過環氧基的開環可與多種含有活潑氫的化合物固化交聯生成網狀結構，具有良好的黏結強度。采用水性環氧樹脂和雙組分常溫固化型環氧樹脂，其技術指標如表1所示。

表1 環氧樹脂技術指標

(2)機制砂。機制砂采用0～3 mm單粒徑機制砂，技術指標如表2所示，規格要求如表3所示。

表2 機制砂技術指標

表3 機制砂規格要求

(3)色粉。環氧樹脂砂漿凝固后略顯黃色，為了使環氧砂漿凝固后和路面顏色趨于一致，在環氧砂漿內加入黑色色粉，其技術指標如表4所示。

表4 色粉技術指標

1.2 排水瀝青混合料級配

排水瀝青混合料(PAC)采用高黏度改性瀝青，玄武巖粗集料，石灰巖機制砂以及石灰巖礦粉，油石比為4.8%，外摻0.1%的聚酯纖維(質量比)，采用PAC-13級配，級配如表5所示。

表5 PAC-13級配

2 試驗方案與結果

2.1 試驗試件準備

水性環氧乳化瀝青主要成分為瀝青、陽離子乳化劑、水、水性環氧樹脂；環氧樹脂砂漿主要成分為環氧樹脂、黑色色粉、單粒徑機制砂。混合料試件制備步驟如下。

(1)按照配方分別制備好水性環氧乳化瀝青和環氧樹脂砂漿。

(2)將表面強化材料按照設計用量均勻涂抹到排水瀝青混合料試件表面，其中水性環氧乳化瀝青材料用量為0.02 g/cm2，環氧樹脂砂漿材料用量為0.2 g/cm2。

(3)將涂抹好表面強化材料的排水瀝青混合料試件在常溫下養生24 h，留待進行下一步試驗。效果如圖1所示。

圖1 表面強化效果

2.2 滲水性能

滲水性能的強弱決定了排水瀝青路面排水功能的強弱，其通過滲水系數來表征。為了研究不同表面強化材料對排水瀝青路面滲水性能的影響，采用全自動滲水系數測試儀對車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm)進行涂抹表面強化材料前后滲水試驗，測定排水瀝青混合料滲水系數，測定結果如表6所示。

表6 滲水系數試驗結果

按照式(1)計算得到環氧砂漿對滲水系數的影響。

(1)

式(1)中：PDR為滲水系數降低率，%；C為表面強化后混合料的滲水系數，mL/min；C0為原瀝青混合料的滲水系數，mL/min。

由結果可以看出，采用表面強化材料對排水瀝青混合料試件表面強化后，滲水系數均有所下降，涂抹環氧樹脂砂漿試件滲水系數下降14.6%，涂抹水性環氧乳化瀝青試件滲水系數下降6.6%，涂抹環氧樹脂砂漿試件滲水系數下降幅度大于涂抹水性環氧乳化瀝青試件。這是因為水性環氧乳化瀝青材料中的環氧樹脂和瀝青覆蓋在混合料表面，同時有部分水性環氧樹脂和乳化瀝青深入到了混合料內部空隙，影響了混合料的空隙率；環氧樹脂砂漿除了部分環氧樹脂滲入了混合料內部空隙之外，同時細小的機制砂填充了排水瀝青路面表面的空隙，這樣就在混合料表面形成了一層較為致密的砂漿層阻止了水分快速進入混合料內部空隙并排出混合料內部。

2.3 抗飛散性能

2.3.1 肯塔堡飛散試驗

對試驗進行相應改進，只對排水瀝青混合料試件強化面的飛散損失進行分析。

參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0733—2011中瀝青混合料肯塔堡飛散試驗方法，擬采用如下試驗步驟進行研究。

(1)準備好排水瀝青混合料馬歇爾試件。

(2)對排水瀝青混合料馬歇爾試件采用表面強化材料進行涂抹，常溫下養護24 h。

(3)將養護好的試件在規定溫度下進行恒溫20 h，稱取試件質量m0。

(4)取出排水瀝青馬歇爾試件并迅速(1 min內)采用聚合物高強度膠帶將混合料試件未強化的面進行包裹，包裹尺寸應滿足膠帶距離試件表面不超過2 cm，保證包裹面的混合料在試驗結束后不會碎渣漏出，稱取包裹試件質量m1。

(5)將包裹好試件置入洛杉磯磨耗儀中，開動儀器，按30～33 r/min的轉速旋轉300轉。儀器停止后，取出剩余最大試件部分，稱其質量m2。

(6)按照式(2)計算試件單面肯塔堡飛散損失率RR。

(2)

式(2)中：m0為排水瀝青馬歇爾試件的質量，g；m1為包裹后排水瀝青馬歇爾試件的質量，g；m2為包裹后排水瀝青馬歇爾試件飛散試驗剩余的質量，g。

排水瀝青混合料試件單面肯塔堡試驗變化示意圖如圖2所示。

圖2 排水瀝青混合料試件單面肯塔堡試驗變化示意圖

不同表面強化材料對排水瀝青混合料強化后的單面肯塔堡飛散試驗結果如表7所示。

表7 混合料飛散損失試驗結果

按照式(3)計算得到環氧砂漿對抗飛散性的影響。

(3)

式(3)中：RDR為飛散損失降低率，%；RR為表面強化后瀝青混合料的飛散損失，%；RR0為原瀝青混合料的飛散損失，%。

由結果可以看出，采用表面強化材料對排水瀝青混合料試件表面強化后，飛散損失均呈現一定程度的降低，涂抹水性環氧乳化瀝青后，飛散損失下降了13.4%，涂抹環氧樹脂砂漿后，飛散損失下降了28.4%。涂抹水性環氧乳化瀝青后，環氧樹脂和瀝青覆蓋在混合料表面，在混合料表面形成一層保護膜，同時有部分水性環氧樹脂和乳化瀝青深入到了混合料內部空隙，環氧樹脂和瀝青具有較好的黏結性，增強了瀝青混合料的整體性從而提高了混合料的抗飛散性；涂抹環氧砂漿后，細小的機制砂填充了排水瀝青路面表面的空隙且有部分環氧樹脂滲入了混合料內部空隙，機制砂較好地黏結在混合料表面，同時環氧樹脂具有較強的黏結力，增加了瀝青混合料的整體性從而提高了混合料的抗飛散性。

2.3.2 濕輪磨耗試驗

(1)稱取車轍板試件質量m，并計算車轍板試件濕輪磨耗質量m0。

(2)將試件裝入濕輪磨耗設備的試模中，啟動循環水浴，保持所需的試驗溫度60 ℃恒溫水浴養生1.5～2 h。

(3)開啟設備，在一定轉速進行濕輪磨耗試驗，每完成1 000次稱取車轍試件損失質量mn，統計記錄，根據實際情況所需次數完成試驗。

(4)按照式(4)計算試件飛散損失率。

(4)

式(4)中：m0為車轍板試件濕輪磨耗質量，g；mn為第n個1 000 次濕輪磨耗后車轍板試件損失質量，g。

采用濕輪磨耗儀測試其抗飛散能力，結果如表8及圖3所示。

從表8及圖3可以看出，三種試件的磨耗損失的規律總體相近，可分為三個階段：第一階段試件飛散損失相對較平穩，此時被濕輪磨去的主要是車轍板表面的瀝青油膜；第二階段試件飛散損失快速增加，此時車轍板表面的瀝青油膜已所剩無幾，裸漏出來的集料被磨去或磨斷；第三階段試件飛散損失再次趨于平穩，此時集料表面較為光滑。水性環氧乳化瀝青和環氧砂漿在試件表面形成保護層，故二者試件飛散較小，且涂抹環氧砂漿的試件進入第二階段較晚。綜合來看，二者均能有效增強排水瀝青混合料的抗飛散性能，且環氧砂漿的效果優于水性環氧乳化瀝青。

表8 濕輪磨耗試驗結果

圖3 濕輪磨耗飛散對比

2.4 抗滑性能

路面的抗滑性能是指路面提供防止車輛輪胎滑動和減小制動距離的能力，是行車安全的關鍵指標。摩擦系數是表征路面抗滑性能的指標。采用擺式摩擦系數儀測定排水瀝青混合料車轍板試件涂抹表面強化材料前后的摩擦系數。結果如表9所示。

從表9可以看出，采用表面強化對排水瀝青混合料試件表面強化后，摩擦系數較原試件均呈現一定程度的降低，但下降幅度較小，這是因為乳化瀝青及環氧樹脂固化后在混合料表面形成一層薄膜，在初期一定程度上降低了路面的抗滑功能。

表9 混合料摩擦系數試驗結果

3 工程應用及效果評價

3.1 試驗段實施

為了評價表面強化材料用于排水瀝青路面表面強化的應用效果，依托西阜高速公路(西柏坡到阜平方向)排水瀝青路面進行表面強化試驗段實施，并對表面強化效果進行跟蹤觀測，進一步評價排水瀝青路面表面強化技術的長期應用性能。試驗段表面強化材料用量為水性環氧乳化瀝青材料0.2 kg/m2(0.02 g/cm2)，環氧樹脂砂漿材料2 kg/m2(0.2 g/cm2)。應用對比效果如圖4所示。

圖4 表面強化施工效果圖

3.2 路用效果及性能評價

為了評價環氧砂漿對排水瀝青路面表面強化的應用效果，采用了現場檢測以及鉆取芯樣室內試驗分析兩種方法對該路面進行性能檢測。

3.2.1 滲水性能

參照試驗規程JTG E60—2008《公路路基路面現場測試規程》中T 0971—2008試驗方法，采用全自動滲水系數測試儀進行排水瀝青路面表面強化前后不同時期的滲水系數測定。測試結果如表10所示。

結合表10，按照式(1)計算排水瀝青路面滲水系數的降低率，結果如表11所示。

表10 滲水系數試驗結果

表11 滲水系數降低率

根據表10、表11計算滲水系數降低率，結果如圖5所示。

由表10、表11及圖5可以看出，三種路面的滲水性能均隨著時間推移而衰減，且表面強化后的排水瀝青路面滲水系數有一定程度的損失，但在路面投入運營以后，3個月以及6個月的滲水系數衰減速率均小于普通排水瀝青路面，這說明排水瀝青路面表面強化后，具有一定的防堵塞功能。

圖5 滲水系數降低率

3.2.2 抗滑性能

參照試驗規程JTG E60—2008《公路路基路面現場測試規程》中的試驗方法，采用擺式摩擦系數儀檢測排水瀝青路面表面強化前后不同時期的摩擦系數。測定結果如表12所示。

表12 摩擦系數試驗結果

由試驗結果可以看出，表面強化后的排水瀝青路面摩擦系數有所下降，主要是水性環氧乳化瀝青或者環氧樹脂凝固后在排水瀝青路面表面形成一層薄膜造成摩擦系數在初期有所降低，隨著路用時間增長，路面輪胎之間的磨耗減弱了薄膜的影響，摩擦系數有一個微小的回升，這說明表面強化材料對排水瀝青路面的抗滑性影響不大。

3.2.3 抗飛散性能

為了評價排水瀝青路面表面強化前后不同時期抗飛散能力的改善效果，在排水瀝青路面鉆取芯樣之后，采用前面提出單面肯塔堡飛散試驗方法測試抗飛散能力。試驗結果如表13所示。

表13 飛散試驗結果

從試驗結果可以看出，表面強化后的排石瀝青路面芯樣單面肯塔堡飛散損失在不同時期均小于未做表面強化的普通排水瀝青路面芯樣，這是因為水性環氧乳化瀝青或者環氧樹脂砂漿覆蓋在排水瀝青路面表面增強了排水瀝青路面的整體性，同時水性環氧乳化瀝青或者環氧樹脂滲入排水瀝青路面內部空隙，其具有良好的黏結力，增強了石料與石料之間的黏結強度。結果表明表面強化材料可以增強排水瀝青路面抵抗飛散病害的能力。

4 結論

對水性環氧乳化瀝青和環氧樹脂砂漿用于排水瀝青路面表面強化技術進行了研究，通過室內試驗研究排水瀝青混合料表面強化材料，并將研究結果應用于實際工程，主要結論如下。

(1)表面強化技術可用于新建排水瀝青路面，也可用于排水瀝青路面的預防性養護以及飛散病害剛開始發生時的修補，可以延緩飛散病害以及空隙堵塞，延長排水瀝青路面的使用壽命。

(2)通過室內滲水試驗、單面肯塔堡飛散試驗、濕輪磨耗試驗以及擺式摩擦系數試驗研究了表面強化材料的室內性能，水性環氧乳化瀝青和環氧樹脂砂漿對排水瀝青路面的滲水性能和抗滑性能影響不大，同時可以有效提高排水瀝青混合料抗飛散的能力，且環氧砂漿的效果優于水性環氧乳化瀝青。

(3)采用水性環氧乳化瀝青和環氧樹脂砂漿進行排水瀝青路面表面強化試驗段應用，結果表明，表面強化在完成時對路面滲水性能造成了一定的影響，但其滲水功能衰減速率明顯緩于普通排水瀝青路面，說明表面強化具有一定的防止排水瀝青路面空隙堵塞的功能；表面強化對排水瀝青路面抗滑性能影響較小，且能較大提高其抵抗飛散病害的能力。