瀝青路面微表處研究綜述

2021-10-25 12:39:52   來源:瀝青路面   評論:0 點擊:   字體大?。?a href="javascript:SetFont(16)">大

摘 要

目前我國公路交通的重點已逐漸由新建向養護轉移,觀念也由以往的“以建代養",逐步轉化為現在的“建養并重"。我國已有大量公路進入養護維修期,若不及時采取有效的措施,對路面早期病害進行處理,路面將會產生更嚴重的損壞,導致公路服務水平降低,甚至危及行車安全。微表處技術就是伴隨著公路養護發展起來的新型養護技術,現已在國內廣泛應用。結合相關技術規范,介紹了徵表處的組成和試驗分析方法,為進一步開展相關研究莫定了基礎。

關鍵詞

預防性養護 | 乳化瀝青 | 微表處混合料

概述

隨著《交通強國建設綱要》的出臺,我國公路行業的發展迎來了前所未有的機遇。同時,由于交通量和交通荷載的持續增加,以及自然因素的綜合作用,加大了原有路面的損壞速度和程度,因此國內放緩了公路修建,開始重視公路養護。相關數據統計表明,至2018年12月,國內公路總里程為484.65x10^4km,居世界第一位,其中,養護里程占比高達98%[1]。眾所周知,公路瀝青路面在使用初期往往就會出現各種病害[2],若不及時對其采取有效的措施,對路面早期病害進行處理,路面將會產生更嚴重的損壞,不僅使公路服務質量變差,而且易引發各種交通事故。為了解決這一問題,建議對路面進行預防性養護。這種養護形式在近幾年開始興起,它與傳統意義上的養護不同,其特點為主動養護、提前養護,即當路面剛剛出現小的病害時,就及時對其開展養護工作,解決病害問題,避免因放任病害加重引起更嚴重的病害。該養護模式的優點在于,既能有效減少養護成本,又能提高公路壽命[3]。


針對瀝青路面可使用的預防性養護方案大致有五種,分別為霧封層、薄層罩面、碎石封層、稀漿封層和微表處[4]。其中,微表處應用最為廣泛,它的優點在于不僅養護成本低,而且施工周期短,同時治理效果較好,在改善路面抗滑性能、防止路面滲水、改善路面外觀和平整度、提高路面承載能力、防止路面老化、延長路面使用壽命等方面具有許多突出的優點,無論是歐美等發達國家,還是在中國,這種養護方式都被普遍使用[5]。

微表處的組成及相關技術

微表處的組成和配合比有一定標準,使用的材料也很廣泛,主要包括聚合物改性乳化瀝青,各類集料以及多種礦料,再輔以水、添加劑等氣由千原材料質量對微表處性能的影響很大,因此,了解每個組分的性能和影響其性能的關鍵因素對確保微表處混合料的質量來說至關重要。

乳化瀝青

普通瀝青加熱時,會消耗大量化石能源,同時排出大量煙氣,嚴重污染環境。與此相比,乳化瀝青材料由于具有施工便捷、節能環保、減輕瀝青老化、延長施工季節等突出優勢,符合《交通強國建設綱要》提出的綠色發展、節約集約、低碳環保的發展理念,得到了國內外公路行業的廣泛認可,因此十分適合公路修建與養護,尤其是在目前的養護技術手段中基于乳化瀝青技術的占比最大。


乳化瀝青由兩個互不相容的相組成,即1~50um的瀝青微滴在乳化劑的作用下分散到水介質中形成嘰按照乳化劑親水段的電荷差異,可將其劃分成三種,分別為陽離子乳化瀝青、陰離子乳化瀝青和非離子乳化瀝青。到目前為止,陽離子乳化瀝青在世界范圍內最常見。陽離子乳化劑本身一般呈堿性,需要與酸(一般為HCl)反應,使其溶于水并帶正電荷,才能起到乳化作用。通常,制備乳化瀝青陽離子水溶液(皂液)的pH范圍在2~3之間[8]。


在工程應用當中,乳化瀝青的主要作用是改變瀝青的流動狀態,使其在常溫下即可使用。而在瀝青混合料中起膠結料作用的仍然是基質瀝青自身,因此基質瀝青存在的易老化、粘附性不強、高低溫性能差、抗水損害能力差等缺點也會在基質乳化瀝青中出現[9,10]。為了解決這一問題,通常在制備乳化瀝青時摻入橡膠、樹脂等高分子聚合物來改善改性乳化瀝青的性能。

乳化劑

乳化劑作為微表處混合料重要的組成部分之一,其主要作用是減少水與瀝青微滴的界面自由能,從而使得二者能夠均勻且穩定的形成一種乳狀液。在乳化瀝青中,乳化劑的摻量往往非常小,但是對乳化瀝青的加工、貯存和使用性能等至關重要。在我國,對于微表處中的乳化劑,《微表處和稀漿封層技術指南》做出了詳細說明:微表處因其原材料選用和施工條件的限制,必須使用陽離子乳化劑,且用量不得小于瀝青用量的3%[11]。我國常用的陽離子乳化劑有季銨鹽、胺化木質素、酰胺類和咪唑啉等。實踐表明,使用陽離子乳化劑效果更好,可顯著提升集料和乳化瀝青的粘結能力,其原理是陽離子乳化劑本身帶有陽離子的基團,摻入陽離子乳化劑的乳化瀝青會使得瀝青微滴帶正電荷,而集料表面通常帶負電荷,當二者在攪拌機的作用下相互混合時,正負電荷就會相互吸引,使瀝青微滴與集料更好的粘附在一起[12]。

改性劑

改性劑在微表處改性乳化瀝青混合料中有著重要的地位。改性劑加入的效果具體體現在:增強瀝青路面的抗裂能力和高溫抗變形能力,改善瀝青與集料之間的粘附性,增強改性乳化瀝青混合料的保水性和流動性,同時,在經濟和環保上有著巨大的優勢。


改性劑的種類繁多,其性質各不相同,因此改性劑的選擇至關重要。改性劑要對改性乳化瀝青起到預期的效果,其本身必須均勻穩定的填充到瀝青分子當中。因此,在選擇瀝青的種類時應從瀝青的組分和原始物理性質兩個方面來考慮二者對改性劑的兼容性,同時,根據使用條件和使用目的以及使用環境合理地選擇改性劑也是保證其效果充分發揮的關鍵。


例如,在SBR改性乳化瀝青中加入水性環氧樹脂,可使體系在常溫環境下發生固化反應和交聯反應。從而形成三維網絡結構,從而大大提高微表處的耐磨性和抗剝落性能。Sun等人[13]在微表處中加入2%的水性環氧樹脂,其耐磨性和水穩定性均有明顯提升,與普通微表處對比,在抗滑性與抗剝落方面都具優勢。

集料

集料可由花崗巖、石灰石和玄武巖等粉碎后得到,集料在微表處中占比很高[14]。由于微表處的快速凝固特性,選用集料的性質至關重要。不同集料會產生不同的作用,因此從微表處的性能方面考慮,需要評估集料的幾個關鍵指標,包括采集地的地質情況、石料的形狀、結構、完整性和耐磨性。此外,影響微表處混合料性能的要素還有很多,比如集料的級配和含水量的高低。


集料一般選擇粗粒式或中粒式,使用粗集料可以在混合料中形成骨架,再通過細集料的填充,就形成一種較為穩定的骨架密實結構。要想獲得更好的抗磨耗能力,應選擇堅固且耐磨的石料,此外,大粒徑塊石、卵石等在破碎后也是很好的選擇。為了增強瀝青與礦料間的粘附性,集料表面必須用清水洗凈并烘干。


鋼渣是目前廣泛用千瀝青路面施工的集料。Cui等人[15]將激光掃描技術與數字分析方法相結合,通過成像分析對玄武巖和鋼渣的形貌進行了定量分析,采集并研究了含鋼渣微表處試樣的形貌特征。結果表明,鋼渣代替玄武巖后,微表處混合料具有較強的聯鎖結構,磨耗損失、橫向位移和豎向位移均有所降低,這表明鋼渣可以提高微表處抵抗交通荷載的能力。


Peter等人[16]的研究結果表明:只要給定一種集料,微表處混合料的空隙率就一定,不會因級配而發生較大的變動。集料的形狀直接決定混合料的骨架結構,最終影響混合料的空隙率。

礦物填料

礦物填料可以填補集料之中的空隙,使其有較好的級配;也可以縮短改性乳化瀝青混合料的拌和時間、改善改性乳化瀝青混合料的成型狀況、延長或縮短微表處混合料的破乳速度[17]。微表處中常常摻入的填料為水泥、石灰等。

水以三種方式被引入到微表處混合料中,即集料中存在的水、拌和用水和乳化瀝青中的水。水作為微表處混合料各組分間相互作用的溶劑,其質量必須符合相應的要求。水的主要目的是濕潤、溶解和粘附其他成分并緩和化學反應,因此,用于微表處的水應與其他組分兼容。此外,水中不能含有太多的雜質,pH值需要控制在合理范圍內,通常為6-8.5,這有利于混合料中集料與瀝青、礦粉和添加劑之間的相互作用[18]。影響微表處混合料所需水的因素有集料中的水分含量、溫度、相對濕度和路面吸水量[19]。

微表處混合料性能試驗

對于微表處,所制定的每一個配合比都是一個化學體系,它受到乳化瀝青和集料類型、集料級配、水和乳化瀝青用量以及礦物填料和添加劑種類等多個變量的影響。因此,在工程特定條件下對實驗室樣品進行現場模擬試驗分析成為評價微表處混合料性能的關鍵,現對常用的幾個試驗介紹如下。

拌和試驗

拌和試驗的主要目的是模擬攤鋪的施工現場。通過微表處的成型狀態驗證乳化瀝青與集料的配伍性,進而獲取具體準確的拌和時間。拌和時間過長,路面達不到早期強度,則無法開放交通;拌和時間過短,則不能順利攤鋪施工。


微表處的施工效果很容易受到環境的影響。因此,進行混合料設計時,可拌和時間必須要在施工過程中可能出現的最不利的溫度下檢驗。


居浩等人[20]通過一系列性能測試,全面分析微表處混合料性能的影響因素。得到的結論有三點;一是溫度,高溫環境能夠明顯減少拌和時間;二是乳化劑,乳化劑占比越高,需要的拌和時間越久;三是水泥,摻入水泥可能延長也可能縮短混合料的拌和時間。

粘結力試驗

粘結力試驗主要測試微表處的早期強度,能準確地測得初凝時間,足夠的早期強度是保證開放交通時間的前提。粘結力指標需要綜合評判,應將測得的粘結力數值與試樣破損狀態相結合,以確定混合料的初凝時間和開放交通時間。

濕輪磨耗試驗

濕輪磨耗試驗模擬了路面在潮濕的情況下,抵抗汽車輪胎磨耗的能力。


1h濕輪磨耗試驗可以測定微表處功能層的抗磨耗性能以及瀝青與集料的裹覆性[21],而微表處改性乳化瀝青混合料的抗水損害性能則由6d的磨耗值表示[22],通過長時間的浸泡過程來考察水對混合料的侵蝕狀況。但是,水的破壞不僅體現在對瀝青膜的置換中,水分相態的改變也會對混合料造成損傷[23,24],而浸水6d磨耗試驗并沒有考慮到在季節性冰凍地區水的凍融循環對礦料表面的瀝青膜產生的凍脹剝落作用。因此,王兆宇[25]在6d浸水濕輪磨耗試驗的基礎上,擬采用凍融循環濕輪磨耗試驗,從而更全面地反映水對微表處混合料的不利影響。

輪轍變形試驗

通過輪轍變形試驗可以得出輪跡寬度變形率,并由此來評價微表處混合料的抗車轍能力。寬度變形率越小,抗車轍變形能力越強,高溫穩定性越好;反之,抗車轍變形能力越差。


肖勁松[26]研究發現,輪跡寬度變形率與乳化瀝青摻量有明顯的相關性,乳化瀝青摻量越大,微表處混合料的抗車轍能力越差。他指出這是因為將聚合物乳化瀝青摻入到水泥基無機結合料當中后,由于聚合物的彈性模量相比水泥低很多,復合反應后,膠凝材料性能發生改變,導致整體剛性降低,從而使輪轍變形增大。


除以上試驗外,還應根據不同的情況,設置不同的試驗情境,采用不同的配合比試驗。實際施工中,根據不同的天氣和溫度,可以適當的調整配合比,特別是混合料的用水量和水泥的用量。

結語

微表處預防性養護技術可大幅提升路面的綜合性能,有效消除各種病害對路面的影響,同時,成本低、施工周期短,養護效果好。綜述了微表處混合料的組成,分析了它們對整體的影響,并對現行規范中微表處混合料的性能試驗做了簡單介紹與總結,對未來深入研究具有積極的借鑒意義。


微表處技術雖已日趨成熟,但仍應深入研發,提升技術水平,以更好地改進和提升公路的綜合性能,滿足交通運行的需要。此外,在微表處施工的過程中,很多外部的條件對于工程質量的影響是比較直接的,因而必須考慮實際施工條件,選擇更加科學的養護措施,從而保證微表處施工能夠順利實施,達到提升養護效果的目的。

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