多功能沥青路面微表处材料的制备与性能

王吉运 ，骆中斌

(1.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 510655；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

微表处技术是一种广泛应用于沥青路面的预防性养护措施，可以快速恢复路面表面功能，能够提供较好的表面构造深度，提高路面抗滑能力，但存在行车噪声较大的问题[1-2]。已有许多研究试图通过特殊工艺和材料合成手段对微表处进行设计，以实现抗滑降噪的目的。孙晓立等[3]通过室内加速加载试验研究了集料级配、填料类型与用量等对微表处混合料抗滑性能和耐磨耗性能的影响，结果表明：粗级配微表处的抗滑性能相对较好，然而耐磨耗性能相对细级配微表处要差。张争奇等[4]通过湿轮磨耗、轮辙变形试验等探讨了间断级配对微表处性能的影响，结果表明：与连续级配相比，间断级配微表处的路用性能同样满足规范要求。孔静静[5]利用图像处理技术，从路面纹理深度、路表空隙等参数指标入手，对微表处混合料的声学性能开展深入研究，发现微表处混合料空隙率、矿料级配、外加剂及纹理深度等因素与吸声性能均有很好的相关性。凌天清等[6]分析了添加橡胶颗粒对微表处混合料技术性能的影响，研究结果表明：适量的橡胶颗粒可显著改善微表处混合料的技术性能；添加2%～5%橡胶颗粒，可显著提高微表处路面的振动衰减系数。李志栋等[7]通过测定不同使用时间的微表处路面噪声水平，评价分析了设计、路用材料、配合比及路表构造等因素对微表处路面噪声的影响，发现微表处路面的车内噪声值随使用时间的延长而降低，随车速变大、纹理深度变小而增强，车外噪声随时间延长或车速变大而变大，随纹理深度增加而下降；通过控制关键筛孔，确定微表处降噪级配，可以显著缩短路表构造波长，降低行车噪声。付凯敏等[8]通过调查发现，微表处路面车内噪声与路面构造深度成正比，可通过增加7.13 mm筛孔通过量、降低路表宏观构造，达到抗滑和降噪的双重效果。钟建超等[9]针对微表处配合比设计不完善、噪声大等问题，提出了低噪微表处的矿料级配以及矿料级配优化设计方法——堆积密度法，室内试验表明：矿料在振实状态下的堆积密度越大，微表处混合料的技术性能越好。高志伟等[10]针对影响乳化沥青微表处混合料耐久性能的因素，采用湿轮磨耗试验，对不同配比乳化沥青混合料中的乳化沥青含量、水泥用量和含水率进行了测试，并对显著影响混合料耐久性的因素进行了方差分析，确定了混合料耐久性的变化规律，提出了耐久性最优时的乳化沥青微表处混合料配合比例。

此外，融雪材料也越来越广泛地应用于沥青路面材料中，以提高车辆在雨雪天气下行驶的安全性[11-13]。张小龙等[14]通过冰点测试试验、融冰化雪试验等研究了自制融雪抑冰材料的基本特性，分析总结了不同混合料空隙率、降雨量和温度条件下材料的析出量和析出次数的规律，结果显示：自制融雪抑冰材料可以降低路面冰点，延长结冰时间。陈拴发等[15]通过电导率测试，研究了疏水剂、偶联剂等对融雪抑冰材料疏水性能的影响，比较了融雪抑冰材料添加前后沥青混合料的路用性能，结果表明：疏水剂掺量越大，融雪抑冰材料的疏水性能越强；偶联剂对融雪抑冰材料疏水性能的影响较小；与未掺融雪抑冰材料的沥青混合料相比，掺融雪抑冰材料的沥青混合料水稳定性稍高，高温稳定性和低温抗裂性略低；在降雪天气下，掺融雪抑冰材料的沥青混合料具有明显的融雪抑冰效果。吴泽媚等[16]采用低温弯曲试验研究了AC-13型沥青混合料在不同浓度下氯盐融雪剂溶液中冻融后的低温稳定性能，结果表明：氯盐融雪剂溶液浓度是影响沥青混合料低温抗裂性的重要因素。李根等[17]基于相似性原理建立了2种融雪填料的饱水模型，采用溶液电导分析法研究了融雪沥青混合料中融雪填料的析出变化规律，提出了融雪长效性预估模型。刘状壮等[18]采用等体积置换法分别研究了AC-13和SMA-13沥青混合料掺入盐化物后的路用性能，结果表明：在等容积的盐化物掺量条件下，盐化物改变了混合料的沥青膜抗剥落能力；相同沥青混合料级配类型条件下，空隙率越大，盐分析出能力越强；内部空隙连通的沥青混合料的盐分析出能力优于内部封闭的混合料。魏建国等[19]采用软化点、针入度、延度、黏度和红外光谱等试验，分析了氯盐融雪剂浸泡后的沥青高温性能、低温性能、感温性能、抗老化性能及红外光谱，揭示了氯盐融雪剂对沥青结合料路用性能的影响及其作用机理，结果表明：融雪剂提高了基质沥青的高温性能，降低了基质沥青的感温性能、低温性能以及SBS改性沥青的高温性能，增强了SBS改性沥青的感温性能及沥青的抗老化性能；融雪剂浸泡不会引起沥青分子结构或官能团的变化。

综合以往研究可知，目前针对微表处的研究主要在于提高其表面抗滑降噪性能及耐久性。本文将水性环氧树脂、胶粉与融雪材料添加到微表处材料中，旨在设计出一种多功能复合材料，以达到抗滑降噪、融雪抑冰、耐久耐磨耗的效果，并对其服役性能进行试验验证。

1 原材料与试验

1.1 原材料

本文选择ESSO90#沥青作为基质沥青，其技术性质如表1所示；采用河南漯河天龙化工CMK-20慢裂快凝阳离子沥青乳化剂，制备得到的阳离子乳化沥青技术性质如表2所示；对照组结合料选用河南新乡正通SBS改性乳化沥青，其技术性质如表3所示。添加剂主要包括超细丁苯胶粉(150 nm，山东桥隆化工)、水性环氧树脂体系(深圳吉田化工)、融雪剂(临沂全诺化工)。本文级配选取MS-3型中值(表4)，石料采用抗磨耗性能较好的玄武岩(陕西咸阳)。

表1 ESSO90#基质沥青的技术性质

表2 阳离子乳化沥青的技术性质

表3 SBS改性乳化沥青的技术性质

表4 MS-3型微表处矿料级配

1.2 试验方法

首先采用单因素控制变量法进行沥青乳液结合料的配伍性设计，依次确定乳化沥青、水性环氧、超细丁苯胶粉、融雪剂的最佳掺配比例；然后根据《微表处和稀浆封层技术指南》(JTG/T F40-02—2005)中规定的微表处配合比设计方法确定沥青用量为6.2%。

试验中采用加速加载试验作用0次、10 000次、30 000次、50 000次、70 000次后的车辙板作为微表处材料铺设的载体(处治前载体表面喷洒黏层油)，对比多功能沥青路面微表处材料与SBS改性乳化沥青微表处材料对车辙板性能的影响，并记录摆值、构造深度、质量损失、噪音水平、融雪抑冰水平等数据。

肯塔堡飞散试验中，将混合料击实25次，经110 ℃恒温养生24 h后再次击实25次，置于常温养生24 h后，制备得到马歇尔试件，然后将试件置于洛杉矶试验机中，不加钢球，以30 r·min-1的速度旋转300转，记录试验前后试件质量的变化。

噪声测试试验是将汽车轮胎从具有30°坡度的轨道滚下，使其经加速获得30 km·h-1的速度，测量此时轮胎通过试验板表面时产生的噪音。

本文采用粉碎机将冰块粉碎，以模拟冰雪。将试验板放置在托盘上，然后将冰雪铺设在试验板表面，铺设厚度为20 mm； 将覆盖冰雪的车辙板置于环境箱中，通过控制环境箱温度模拟冰雪的冻融，采用20 ℃维持6 h、-5 ℃维持6 h，模拟冬季路面白天与夜晚的气温变化情况，记录托盘上水的质量变化。

2 试验结果分析

2.1 多功能微表处材料的配比设计

2.1.1 水性环氧树脂

采用水性环氧树脂体系(包括水性环氧树脂及其固化剂)掺量(质量比)分别为0%、10%、20%、30%、40%的沥青乳液制备得到马歇尔试件，脱模后放置至室温条件，每种水性环氧掺量下的试件分2组进行试验，一组在室温干燥条件下放置24 h，一组在25 ℃水浴条件下放置24 h，然后进行肯塔堡飞散试验，每组进行3次平行试验，取平均值，试验结果如图1所示。

图1 不同水性环氧树脂体系掺量对混合料肯塔堡飞散损失的影响

从试验结果可以看出，水性环氧树脂的加入可以明显提高混合料的黏聚性。室温条件下，相比不加水性环氧树脂的试件，加入10%水性环氧树脂的干燥试件飞散损失减小了30%左右；在浸水条件下掺加水性环氧树脂的试件飞散损失减小了32%以上，说明水性环氧树脂具有较强的黏结能力。从机理上认为这是缘于水性环氧树脂与其固化剂的共同作用，固化交联后生成三维网状结构，这种网状结构将沥青牢牢锁住，从而使其不易被拉断或置换，而环氧体系与沥青形成的结合料将集料黏结在一起，使其在外力作用下不易飞散。从飞散损失减小效率来看，随着水性环氧体系掺量的增加，飞散损失越小，但贡献率也逐渐减小，说明水性环氧的掺量越大越好，但考虑到经济问题，推荐水性环氧体系掺量以15%～30%为宜。本文选择水性环氧体系掺量为20%的沥青乳液作为后续试验用结合料。

2.1.2 超细丁苯胶粉

将掺量(质量比)分别为0%、3%、6%、9%、12%的超细丁苯胶粉添加到上述乳液结合料中，分别制备1组马歇尔试件及1组微表处试件，马歇尔试件的制备方法如前文所述。微表处试件是将微表处材料铺设在喷洒有黏层油的车辙板(新板)上制成，铺设厚度为8 mm。对2组试件分别进行肯塔堡飞散试验及噪声测试试验，每组进行3次平行试验，取平均值，试验结果如图2所示。

图2 不同胶粉掺量对混合料肯塔堡飞散损失与噪声测试的影响

由图2(a)可以看出，胶粉的加入一定程度上增大了混合料的飞散损失，这可能是由于胶粉以颗粒的形式分散于混合料中，而由于颗粒较细，一些团聚的颗粒破坏了环氧沥青结合料的连续性和黏聚性，从而形成一些薄弱的点，因此对超细胶粉的掺量应该进行合理的控制。由图2(b)则可以看出，随着胶粉掺量的增加，路面表面的噪声水平有所降低，胶粉掺量越大，降噪效果越明显。综合考虑混合料的黏结性能及降噪特性，推荐超细丁苯胶粉掺量以6%～10%为宜,本文选择超细胶粉掺量为8%进行后续试验。

2.1.3 融雪剂

在上述结合料中分别掺加0%、5%、10%、15%、20%的融雪盐，制备1组马歇尔试件及1组微表处试件，制备方法如前文所述，然后分别进行肯塔堡飞散试验及融雪抑冰性能测试。融雪抑冰性能测试采用20 ℃维持6 h、-5 ℃维持6 h来模拟冬季路面白天与夜晚的温度循环情况，记录冰雪损失率，试验结果如图3所示。

图3 不同融雪盐掺量对混合料肯塔堡飞散损失与融雪情况的影响

由图3(a)可知，融雪盐的加入一定程度上影响了混合料的黏结性，这主要是由于沥青结合料为有机材料，而融雪盐为无机材料，二者相容性差，从而导致沥青结合料性能的破坏，因此应控制融雪盐的用量。由图3(b)可以看出，融雪盐的加入有利于融雪抑冰。综合考虑混合料的黏结性及融雪抑冰性能，推荐融雪盐的掺量以10%～15%为宜，本文选择融雪盐掺量为12%进行后续试验。

2.2 多功能微表处材料对路面抗滑性能的影响

2.2.1 表面抗滑性能恢复情况分析

分别将乳化沥青、SBS改性乳化沥青、多功能乳液材料制备得到的微表处材料铺设到经加速加载试验作用70 000次后的车辙板上，铺设厚度为8 mm，其抗滑性能(摆值BPN与构造深度TD)如图4所示。

图4 不同类型结合料对微表处初期抗滑性能的影响

从图4可以看出，微表处材料的铺设可以有效改善路面表面的抗滑性能。乳化沥青、SBS改性乳化沥青、多功能乳液制备得到的微表处材料在最初恢复路面表面抗滑性能方面差异不大，即刚铺设的微表处材料的表面功能与结合料的类型关系不大。

2.2.2 表面抗滑性能耐久性分析

分别将乳化沥青、SBS改性乳化沥青、多功能乳液材料制备得到的微表处材料铺设到经加速加载试验作用50 000次后的试验板上，铺设厚度为8 mm，再进行加速加载试验，其抗滑性能(摆值BPN与构造深度TD)变化如图5所示。

图5 不同类型结合料对微表处长期抗滑性能的影响

从图5可以看出，虽然在微表处材料铺设初始，路面表面功能都能得到较好的恢复，但是随着加载次数的增大，不同微表处材料的抗滑性能、耐久性有很大区别：不掺加任何改性物质的乳化沥青制备的微表处材料，其表面功能迅速下降；而SBS改性沥青与本文制备的多功能乳液制备的微表处材料耐久性较好，在试验初期(10 000次轮胎作用)下降到一定数值后逐渐平缓。在相同级配条件下，本文制备的多功能微表处材料表现出了较好的抗滑性能，在经过70 000次轮胎作用之后，摆值(BPN)仍保持在42以上；未改性乳化沥青的微表处混合料抗滑性能下降幅度最大，经过70 000次轮胎作用之后摆值(BPN)下降至39左右；掺加SBS改性乳化沥青的微表处混合料抗滑性能介于两者之间。与摆值(BPN)测量结果相对应，本文制备的多功能微表处材料构造深度下降量最小，在70 000次轮胎作用后构造深度尚有0.74 mm；而掺加SBS改性乳化沥青的微表处混合料在试验末期的构造深度为0.62 mm，未改性乳化沥青的微表处材料构造深度最小。

2.3 多功能微表处材料对路面噪声的影响

分别将乳化沥青、SBS改性乳化沥青、多功能乳液材料制备得到的微表处材料铺设到经加速加载试验作用70 000次后的车辙板上，铺设厚度为8 mm，对铺设微表处后的试验板进行加速加载试验，并采用室内噪声试验对加铺微表处后的试验板噪声进行测试，结果如图6所示。

图6 不同结合料类型对微表处噪声水平的影响

由图6可以看出，微表处处理过的试验板噪声比较大，而经加速加载后，乳化沥青制备得到的微表处材料噪声下降最为明显。这主要是因为，噪声水平与路面表面构造有关，已有研究表明，随着构造深度的增加噪音值不断增大，而由于乳化沥青制备的微表处材料被较快磨平，因此噪声水平出现较快速的衰减。多功能乳液材料制备得到的微表处材料在铺设初期噪声就比乳化沥青和SBS改性乳化沥青微表处材料小，随着加速加载作用次数的增加，噪声水平也呈现衰减趋势，而由于其表面构造的耐久性较好，衰减幅度不大，但总体噪声水平较乳化沥青和SBS改性乳化沥青微表处材料低，具有较好的降噪效果。

2.4 多功能微表处材料对路面融雪抑冰性能的影响

分别将乳化沥青、SBS改性乳化沥青、多功能乳液材料制备的微表处材料铺设到经加速加载试验作用70 000次后的车辙板上，铺设厚度为8 mm，对其进行融雪抑冰效果评价，试验结果如图7所示。

图7 不同结合料类型对微表处融雪抑冰性能的影响

由图7可以看出：经一次温度循环后，多功能微表处材料试验板上的冰雪基本全部融化，说明材料中的融雪盐发挥了作用；而对于不添加融雪盐的乳化沥青与SBS改性乳化沥青微表处材料，冰雪在前6 h部分融化后，在后6 h降温后基本不再融化。因此，多功能微表处材料具有融雪抑冰的作用。

3 结 语

本文通过试验制备得到一种多功能沥青路面微表处材料，并对其进行了相关性能试验，得出以下结论。

(1)多功能微表处材料作为沥青路面预防性养护材料，其抗滑性能突出，具备一定的降噪性能和融雪抑冰性能，设计施工过程节能、环保，具有良好的服役性能，在路面的全寿命周期内具备良好的经济、环境和社会效益，应用前景广阔。

(2)微表处材料作为一种多相共混体系，其服役性能受原材料种类及用量的影响较大：随着水性环氧树脂掺量的增加，微表处材料的肯塔堡飞散损失减小；随着超细丁苯胶粉掺量的增大，微表处材料的降噪性能得到改善，但同时肯塔堡飞散损失增大；随着融雪盐掺量的增加，微表处材料融雪抑冰性能得到改善，但对混合料黏聚性有负面影响。本文综合考虑经济成本与材料服役性能，推荐水性环氧体系掺量以20%～30%为宜，超细丁苯胶粉掺量以6%～10%为宜，融雪盐的掺量以10%～15%为宜。

(3)多功能微表处材料可有效改善沥青路面表面功能，采用微表处处理后，路面摩擦系数有所提高，构造深度增大，且其抗滑耐久性较好，在经过加速加载试验70 000次轮胎作用后，摆值与构造深度仍能保持在理想数值以上。

(4)超细胶粉的加入使得微表处材料噪声吸收能力提高，从而具有较好的降噪功能，比普通微表处路面降低2～3 dB(A)。

(5)融雪盐的加入使得微表处材料具有较好的融雪抑冰效果，在经过一次温度循环后，基本可以融化冰雪，从而保证车辆的安全通行。