高性能微表处设计探索

2020-11-16

中国公路 2020年20期

（四川高速公路建设开发集团有限公司，四川成都 610041）

高速公路通车运营后，随着时间推移，道路表面在车轮荷载的反复作用下，会出现磨损、细集料散失、粗骨料微观纹理丧失、沥青膜剥落等问题，同时，在温缩和干缩循环作用下，路表还会出现微观的细裂纹、宏观的裂缝。此时的路面若不处治，病害将会向更深层次发展，导致路况急剧衰减、路面结构加速被破坏，大大增加道路维护费用和全寿命周期成本。

稀浆封层是目前最常用的道路表面处治方法，于1920年诞生于德国，1950年美国发明了稀浆封层设备，推动了它在预防性养护工程中的应用。随着材料的改进，1970年德国厂家又将稀浆封层发展成为微表处，广泛应用于高等级公路的路面预防性养护工程中。随着交通量的增长，养护施工的交通管制工作难度的增大，国内外又顺势开发出了能在1h内开放交通的慢裂快凝高性能微表处。

本文根据四川高速公路在高性能微表处预防性养护设计中的探索与改进，总结了技术经验，以期提升其设计指标的合理性与经济性。

一、高性能微表处技术原理

高性能微表处可在气温25℃（或更高），湿度50%（或更小）的状况下，实现30min～1h内开放交通，且具备长期路用性能更高、耐久性更强、使用寿命大于5年的优势。

高性能微表处属于化学破乳现象，破乳后对水的挤压作用非常明显，且高性能微表处的用水量较少，可在短时间内将自由水排除体系之外。因此，所需交通管制时间较短。

为保证良好的电化学稳定性，高性能微表处的乳化沥青平均直径应为3～5um，95%的沥青乳滴直径应小于10um。由于乳化剂中存在亲水基团，若过多地残留在凝固后的体系中，将损害微表处的长期性能，因此必须使用高效率乳化剂。

酸性石料具有强度高、耐磨耗等路用优势，但与沥青的粘附性较差。酸性石料表面一般带负电荷，与带正电荷的阳离子乳化沥青存在强大的电荷吸引力，增强了沥青与酸性石料的粘附性，提升了微表处的长期路用性能。

高性能微表处体系技术原理：乳化剂把沥青分散成带正电荷的稳定乳滴；乳滴接触带负电荷的酸性石料表面后，强大的电荷吸附作用，把集料表面的自由水排除，对集料形成第一层裹覆；电化学平衡被打破后，其他的沥青乳滴发生聚集，比表面积迅速减少，乳化剂亲油基分布的点位也迅速减少，多余的乳化剂溶解在自由水中；水的表面张力小于沥青，被排挤后聚集形成水泡和管道，与多余的乳化剂一起被排除混合料体系之外。少量残留的水分通过光照、风力，以蒸发形式排出。至此，混合料体系变硬、变强，即可准备开放交通。

二、配合比设计

高性能微表处分为Ⅱ型和Ⅲ型, 在此主要以适用于大交通量的Ⅲ型为讨论对象。

（一）改性乳化沥青设计

改性乳化沥青的品质是高性能微表处成功的关键，高效乳化剂是保证改性乳化沥青品质的关键，建议选用国际、国内排行前三的乳化剂品牌。

根据选定的乳化剂品种，选择3～5种基质沥青，开展沥青配伍性试验，优选出与乳化剂相适应的基质沥青，应采用原油稳定的直馏沥青作为基质沥青。

在选择SBR胶乳改性剂时，必须选择阳离子型聚合物胶乳，固体含量应大于60%，胶乳与乳化基质沥青应有良好的相融性，可显著改善沥青高温稳定性；改性剂有效成分占纯沥青的质量百分比不宜小于3.5%。

改性乳化沥青蒸发残留物的温度为5℃，延度应大于80cm，其余指标应参照相关规范。

（二）集料设计

高性能微表处粗细集料必须采用硬质、耐磨耗的优质石料轧制；为了确保集料的洁净度和颗粒形状，应使用15～20mm碎石为原材料，通过具有冲击破的碎石生产线进行轧制。

细集料砂当量必须大于65%，适当控制亚甲蓝指标。砂当量小，石料不洁净，将导致长期路用性能差；亚甲蓝指标过大，细集料活性太强，乳化剂用量将增加，不但提高了成本，混合料中残留的乳化剂也会增多，导致长期路用性能降低。若玄武岩亚甲蓝指标不能满足要求，应加入卵石、石灰岩机制砂降低亚甲蓝值。当加入耐磨性较差的碱性石料机制砂时，其比例不得大于25%。

为降低高性能微表处的行车噪音，可适当减少粗集料中8mm以上颗粒的含量。建议将集料生产线的成品料筛分机顶筛设置为9～10mm，控制4.75mm混合料通过百分率为75～90%，其他的质量要求与普通微表处一致。

（三）混合料设计

高性能微表处具有优异的抗水损害、抗磨耗能力，照搬普通微表处指标不能甄别出所设计的混合料优劣。浸水湿轮磨耗损失试验能较好模拟后期使用环境，建议对磨耗损失提出更严格的要求，如表1所示。

表1.高性能微表处混合料技术指标

建议根据热拌沥青混合料的沥青膜裹覆理论，对高性能微表处的混合料设计成果进行沥青膜适宜厚度检验，沥青膜适宜厚度为8～10um。

三、构造设计

（一）厚度设计

高性能微表处的主要作用是封水、抗滑、耐磨、恢复表面功能，其设计厚度应该以寿命期内的磨耗损失率为主要考虑因素。厚度若过大，将导致造价增加、细料易上浮、产生表面光滑缺陷，因此建议设计厚度为8mm。鉴于路表存在凹凸，摊铺厚度偏差较大，测量困难，应将厚度转换为每平方米混合料的重量进行现场质量控制。

（二）宽度设计

微表处是为了恢复被车辆磨损的路表功能，在车辆轮迹之外的表面（路缘带和硬路肩）磨耗很小，建议设计宽度为：行车道数×3.65m。这样既可以满足车辆行驶需求，又可以减少对车道边缘实线标线的覆盖，降低造价。另外，原路面车道边缘标线有2mm左右的厚度，雨天形成一定的挡水效应，不利于行车安全，而当摊铺宽度为3.65m、摊铺厚度为8mm时，能够消除原标线的挡水效应。