高黏微表處的制備及工程應用

王洪偉 儲昭勝 郭 鵬 方四發 任 浩 肖 強 黃紹龍

(1.武漢市市政建設集團 武漢 430023； 2.湖北大學材料科學與工程學院 武漢 430062；3.湖北交投智能檢測股份有限公司 武漢 430050)

在環境因素及行車載荷雙重作用下，已經建成的路面會不定時出現一些裂縫、松散、車轍、磨光，以及坑槽等病害，極大地降低了路面行駛功能和服務壽命，經濟而高效的道路養護變得愈發重要[1]。微表處預防性養護技術屬于一種廣泛使用的預養護施工技術，不僅可以有效處理路面早中期出現的病害問題，還能延長道路使用年限[2]。它是一種由改性乳化瀝青、集料、填料、水，以及外加劑按合理配比拌和并通過專門施工設備攤鋪到原路面上，達到迅速開放交通要求的薄層結構[3]。由于層間抗剪切能力不足，微表處路面容易發生推移，隨著行車載荷加強產生疲勞開裂，水分下滲便會引起坑槽病害[4]。所以，繼續提升改性乳化瀝青和微表處混合料的高溫穩定性、與集料的黏附性、微表處與舊路面的層間黏結性能仍是目前的重大研究方向。目前，提高路面層間黏結力主要是通過改變瀝青膠結料的黏附性能和改善界面黏結劑材料的黏結特性2種方法。

綜上原因，本文將以性能優異的高黏乳化瀝青作為膠結料制備高黏微表處，并與SBS及SBR 2種微表處進行性能比較。

1 試驗設計

1.1 實驗原料

1) 乳化瀝青。高黏乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青。3種改性乳化瀝青基本性能見表1。

表1 3種改性乳化瀝青基本性能測試結果

由表1可見，高黏乳化瀝青相比其他2種改性乳化瀝青的主要優勢在于軟化點和黏度，其中軟化點高達89.5，60 ℃動力黏度為90.4 kPa·s。

2) 集料(堅硬耐磨的玄武巖，0～3，>3～5，>5～10 mm 3檔石料)，礦粉為湖北京山某石材廠提供。

3) 水泥。P·O 42.5，武漢華新水泥廠。

1.2 試驗方法

其中微表處配合比設計及相關試驗參照《微表處和稀漿封層技術指南》；通過水平抗剪切試驗和豎直拉拔試驗來檢測微表處混合料攤鋪完成后與原路面的抗剪強度。參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的熱拌瀝青混合料劈裂試驗方法[5]和JTG E30-2005 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[6]中水泥膠砂抗折強度的試驗方法分析高黏微表處的低溫抗裂性能。

2 高黏微表處配合比設計及性能評價

2.1 配合比設計

首先按照MS-3型級配要求確定礦料合成級配，再通過拌和實驗確定水和水泥的用量，最后利用不同油石比下的濕輪磨耗值及黏附砂量求最佳油石比，其求解示意見圖1。

圖1 最佳油石比圖解

由圖1可見，油石比在6.4%～7.5%之間滿足規范要求，最佳油石比為6.7%。按照高黏乳化瀝青固含量62%計算，高黏乳化瀝青摻量為合成集料的10.8%，從而可確定高黏微表處的配合比。

丁苯橡膠(styrene butadiene rubber，SBR)改性乳化瀝青微表處與普通的微表處相比石料與瀝青間黏結更加牢固，耐磨耗能力和抵抗水損害的能力更強，但高溫性能不佳，其微表處填補車轍能力有限，不適宜高溫地區[7]，同時疲勞性能差，使用壽命較短；熱塑性丁苯橡膠(styrene butadiene styrene block copolymer，SBS)改性乳化瀝青在一定程度上改善了微表處的高溫性能，但它與集料的黏附性、與原路面的黏結強度不夠。

采用相同礦料合成級配、同樣設計方法, 參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》和JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》[8]通過拌和試驗、濕輪磨耗試驗及負荷輪黏砂試驗確定SBS微表處及SBR微表處的配合比。3種微表處配合比見表2。

表2 3種微表處配合比

2.2 3種微表處的性能比較

1) 混合料成型強度。黏聚力實驗既可以判斷混合料破乳時間的長短，又能檢測混合料的成型強度，定性分析其與集料的黏附性。不同微表處的黏聚力見表3。

表3 不同微表處黏聚力實驗結果

由表3可見，3種類型的微表處，隨著時間的延長，黏聚力均提高，在20 min時，高黏微表處早期強度已經達到規范中30 min的要求值(≥1.2 N·m)，30 min黏聚力接近規范中1 h的要求(≥2.0 N·m)，說明高黏微表處破乳后與集料間的黏附性好，成型速度快，混合料強度高，對后期的迅速開放交通起到了決定性作用。SBS微表處成型強度較好，SBR微表處次之。

2) 常規路用性能。 分別測量3種微表處混合料在相同條件下的1 h、6 d濕輪磨耗值和負荷輪黏砂試驗(寬度變形率)的結果，分別評價各自抗耐磨、抗水損和抗車轍能力。實驗結果見表4，其中高黏微表處與SBR微表處的磨耗情況分別見圖2a)和圖2b)。

表4 不同微表處常規路用性能實驗結果

圖2 濕輪磨耗效果

由表4可見，在相同條件下，高黏微表處的磨耗值和輪轍寬度變形率低于其他2組，說明有更好的耐磨性能、抗水損能力和抗變形能力，SBS膠乳微表處性能優于SBR微表處。從圖2可以直觀發現高黏微表處比SBR微表處更耐磨。

3) 層間抗剪切性能。抗耐磨性能不僅只表現在輪胎與微表處路面的磨耗，當微表處與原路面的抗剪切性能不足，層間黏結力不夠，在汽車載荷的作用下，表層抗磨耗性能會大大降低還會繼續出現推移、壅包，以及車轍等病害。本文采用直接剪切儀和25 ℃下的拉拔試驗綜合分析層間抗剪切性能。3種微表處在同一路段小塊攤鋪成型，待其完全固化后進行測試，結果見表5。

表5 不同微表處的抗剪切和抗裂性能測試結果MPa

由表5可見，高黏乳化瀝青由于其超高的動力黏度，其微表處混合料與原路面的黏結性能、抗剪切能力均優于其他2組微表處，這與黏聚力實驗結果一致。說明高黏微表處有效改善了目前微表處所存在的層間黏結力不足缺陷。

4) 低溫抗裂性能。借鑒熱拌混合料成型馬歇爾試件，測試-10 ℃下的劈裂強度，借鑒砂漿試驗測試-10 ℃下的抗折實驗，以評價3種微表處的低溫抗裂性能，具體結果見表5。

由表5可見，高黏微表處的劈裂強度和抗折強度明顯大于SBR微表處的劈裂強度和抗折強度，也較優于SBS微表處，說明高黏乳化瀝青與石料的黏結力更強，微表處混合料的黏聚力更大，低溫抗開裂性能更優。SBR作為瀝青改性劑時，改性后的瀝青擁有較好的低溫延展性，因SBS的特殊結構形式，SBS改性瀝青具有很好的高溫性能，同時也表現出較好的低溫性能。高黏瀝青改性劑是高摻量SBS且有相容劑和穩定劑的協同作用，其綜合性能優異。結合劈裂和抗折試驗結果，可以得出高黏微表處的低溫抗裂性能較好。

3 工程應用

3.1 工程施工

武漢市江夏區靈山拌和站附近的一路段，因重載行駛、交通量大且有一定坡度，導致下坡路段路面在行車載荷的作用下出現了裂縫、車轍等病害。針對此路段修復，專家組決定采用高黏微表處作為養護材料，2019年9月上旬，在此路段進行2 km試驗段試鋪。為了加強高黏微表處與原路面的黏結力，增強抗滑移變形的能力，黏層油亦采用高黏乳化瀝青，灑布量為0.25 kg/m2，當日天氣溫度為30 ℃。具體施工步驟見微表處混合料施工指南，當日施工順利，封閉交通時間短，攤鋪速度快，2 h即可開放交通。圖3a)和圖3b)分別是高黏微表處施工30 min和1 h后情況。

圖3 施工效果圖

3.2 驗收檢測

1) 抗滑性能。在微表處鋪筑完并開放交通2 d后進行擺值和構造深度測試，測試時路面溫度為20 ℃，擺值修正值為0。具體測量結果見表6。

表6 構造深度、擺值和滲水系數測量結果

路面的構造紋路和與原路面的結合強度是影響路面抗滑性能的關鍵因素。所謂路面構造紋路是由微表處混合料所選用的集料與級配決定，本文選用的集料為棱角分明的堅硬耐磨的玄武巖，并且采用MS-3型級配，保證了路面的構造紋路清晰；由2.2.3可知高黏微表處與原路面有很強的黏結強度，緊密相連，進一步加強了抗滑性能。表6中構造深度和擺值結果均符合驗收要求(TD≥0.6 mm；擺值≥45)，具有良好的抗滑性能。

2) 抗滲性能。早期的水損害是公路工程最常見的病害。雨水過后，積水短暫停留微表處表面，若抗滲效果不好，水會滲入與原路面的連接層，在重載交通下，層間黏接力會逐漸降低，進而出現集料的剝落和部分坑槽，所以在工程驗收時，路面抗滲性能是重要指標[9-10]。高黏微表處滲水試驗結果見表6。

由于微表處級配特點，粉料和細集料含量相比普通熱拌混合料要多，鋪筑成型后空隙率小，另外由于高黏乳化瀝青與集料優異的黏附性，使得微表處混合料密實性好。通過表6滲水試驗結果為0.3 mL/min可知，高黏乳化瀝青制成的微表處混合料具有優異的防水抗滲性能，幾乎不滲水。

3) 降噪性能。近年來，路面噪聲越來越受到關注，低音路面更受青睞。故在微表處鋪設完5 d后進行行車噪聲的測試。行車噪聲一般從車外噪聲、路側噪聲及車內噪聲3個方面進行評價，根據工程實驗經驗，這3種噪聲對應變化趨勢一致。本文選用同一輛車測量在原路面和高黏微表處路面上行駛中車內與車外的噪聲分貝值，行車速度分別為40，60，80 km/h，并與對側原路面進行比較，測試結果見表7。

表7 車內外噪聲測試結果

隨著速度的提高，無論原路面還是高黏微表處試驗段路面，不管車內還是車外，噪聲逐漸提升。根據以往工程經驗可得，普通微表處路面的噪聲相比原路面均提高4～5 dB，這是因為在微表處路面的合成級配中，粗細集料不均勻，路面紋路結構深，且沒有經過碾壓，會增加行車時的噪聲值。而高黏乳化瀝青的應用，使微表處路面具有一定的彈性，可降低車輛行駛過程中輪胎振動的頻率和幅度，有效吸收來自輪胎的沖擊力，達到減小噪聲的目的。從表7數據可以看出，高黏微表處與原路面的噪聲幾乎相同，說明高黏微表處具有良好的降噪效果。

綜上可得，高黏微表處是一種經濟、快捷、有效的路面預防養護技術，其抗滑耐磨，抗水損、抗車轍能力好，可有效降低噪聲，環保節能，具有很好的社會效益和經濟效益。高黏微表處的實際應用對道路預防性養護工程的推廣具有深遠意義。

4 結語

以高黏乳化瀝青為原料，制備高黏微表處并分析其混合料的各種性能；在試驗段攤鋪高黏微表處，評價驗收，得到以下結論。

1) 高黏微表處的最佳油石比為6.7%，高黏乳化瀝青固含量按62%計算，各組分質量比為m(合成集料)∶m(水泥)∶m(水)∶m(高黏乳化瀝青)=100∶1.5∶9∶10.8。

2) 高黏微表處施工20 min時，早期強度已經達到規范中30 min的要求值(≥1.2 N·m)，30 min時達到規范中1 h的要求(≥2.0 N·m)，說明高黏微表處破乳后與集料的黏附性好、成型速度快、混合料強度高。

3) 高黏微表處耐磨性能、抗水損性能、抗車轍、抗剪切性能和低溫抗裂性能均優于普通SBR微表處，可彌補目前微表處存在的高溫性能不佳和黏結力不強等缺陷。

4) 高黏微表處在試驗段進行工程試驗，發現其具有優良的抗滑性能，幾乎不滲水，并且有效降低路面噪聲，經濟效益和社會效益高，對道路預防性養護工程的推廣具有深遠意義。