沥青路面微表处研究综述

2020-12-30任瑞波张正男赵品晖薄剑范文淼刘凡恺

石油沥青 2020年5期

任瑞波，张正男，赵品晖，薄剑，范文淼，刘凡恺

（山东建筑大学交通工程学院，济南 250101）

1 概述

随着《交通强国建设纲要》的出台，我国公路行业的发展迎来了前所未有的机遇。同时，由于交通量和交通荷载的持续增加，以及自然因素的综合作用，加大了原有路面的损坏速度和程度，因此国内放缓了公路修建，开始重视公路养护。相关数据统计表明，至2018年12月，国内公路总里程为484.65×104km，居世界第一位，其中，养护里程占比高达98%[1]。众所周知，公路沥青路面在使用初期往往就会出现各种病害[2]，若不及时对其采取有效的措施，对路面早期病害进行处理，路面将会产生更严重的损坏，不仅使公路服务质量变差，而且易引发各种交通事故。为了解决这一问题，建议对路面进行预防性养护。这种养护形式在近几年开始兴起，它与传统意义上的养护不同，其特点为主动养护、提前养护，即当路面刚刚出现小的病害时，就及时对其开展养护工作，解决病害问题，避免因放任病害加重引起更严重的病害。该养护模式的优点在于，既能有效减少养护成本，又能提高公路寿命[3]。

针对沥青路面可使用的预防性养护方案大致有五种，分别为雾封层、薄层罩面、碎石封层、稀浆封层和微表处[4]。其中，微表处应用最为广泛，它的优点在于不仅养护成本低，而且施工周期短，同时治理效果较好，在改善路面抗滑性能、防止路面渗水、改善路面外观和平整度、提高路面承载能力、防止路面老化、延长路面使用寿命等方面具有许多突出的优点，无论是欧美等发达国家，还是在中国，这种养护方式都被普遍使用[5]。

2 微表处的组成及相关技术

微表处的组成和配合比有一定标准，使用的材料也很广泛，主要包括聚合物改性乳化沥青，各类集料以及多种矿料，再辅以水、添加剂等[6]。由于原材料质量对微表处性能的影响很大，因此，了解每个组分的性能和影响其性能的关键因素对确保微表处混合料的质量来说至关重要。

2.1 乳化沥青

普通沥青加热时，会消耗大量化石能源，同时排出大量烟气，严重污染环境。与此相比，乳化沥青材料由于具有施工便捷、节能环保、减轻沥青老化、延长施工季节等突出优势，符合《交通强国建设纲要》提出的绿色发展、节约集约、低碳环保的发展理念，得到了国内外公路行业的广泛认可，因此十分适合公路修建与养护，尤其是在目前的养护技术手段中基于乳化沥青技术的占比最大。

乳化沥青由两个互不相容的相组成，即1 ～50 um 的沥青微滴在乳化剂的作用下分散到水介质中形成[7]。按照乳化剂亲水段的电荷差异，可将其划分成三种，分别为阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青和非离子乳化沥青。到目前为止，阳离子乳化沥青在世界范围内最常见。阳离子乳化剂本身一般呈碱性，需要与酸（一般为HCl）反应，使其溶于水并带正电荷，才能起到乳化作用。通常，制备乳化沥青阳离子水溶液（皂液）的pH 范围在2 ～3 之间[8]。

在工程应用当中，乳化沥青的主要作用是改变沥青的流动状态，使其在常温下即可使用。而在沥青混合料中起胶结料作用的仍然是基质沥青自身，因此基质沥青存在的易老化、粘附性不强、高低温性能差、抗水损害能力差等缺点也会在基质乳化沥青中出现[9,10]。为了解决这一问题，通常在制备乳化沥青时掺入橡胶、树脂等高分子聚合物来改善改性乳化沥青的性能。

2.2 乳化剂

乳化剂作为微表处混合料重要的组成部分之一，其主要作用是减少水与沥青微滴的界面自由能，从而使得二者能够均匀且稳定的形成一种乳状液。在乳化沥青中，乳化剂的掺量往往非常小，但是对乳化沥青的加工、贮存和使用性能等至关重要。在我国，对于微表处中的乳化剂，《微表处和稀浆封层技术指南》做出了详细说明：微表处因其原材料选用和施工条件的限制，必须使用阳离子乳化剂，且用量不得小于沥青用量的3%[11]。我国常用的阳离子乳化剂有季铵盐、胺化木质素、酰胺类和咪唑啉等。实践表明，使用阳离子乳化剂效果更好，可显著提升集料和乳化沥青的粘结能力，其原理是阳离子乳化剂本身带有阳离子的基团，掺入阳离子乳化剂的乳化沥青会使得沥青微滴带正电荷，而集料表面通常带负电荷，当二者在搅拌机的作用下相互混合时，正负电荷就会相互吸引，使沥青微滴与集料更好的粘附在一起[12]。

2.3 改性剂

改性剂在微表处改性乳化沥青混合料中有着重要的地位。改性剂加入的效果具体体现在：增强沥青路面的抗裂能力和高温抗变形能力，改善沥青与集料之间的粘附性，增强改性乳化沥青混合料的保水性和流动性，同时，在经济和环保上有着巨大的优势。

改性剂的种类繁多，其性质各不相同，因此改性剂的选择至关重要。改性剂要对改性乳化沥青起到预期的效果，其本身必须均匀稳定的填充到沥青分子当中。因此，在选择沥青的种类时应从沥青的组分和原始物理性质两个方面来考虑二者对改性剂的兼容性，同时，根据使用条件和使用目的以及使用环境合理地选择改性剂也是保证其效果充分发挥的关键。

例如，在SBR 改性乳化沥青中加入水性环氧树脂，可使体系在常温环境下发生固化反应和交联反应。从而形成三维网络结构，从而大大提高微表处的耐磨性和抗剥落性能。Sun 等人[13]在微表处中加入2%的水性环氧树脂，其耐磨性和水稳定性均有明显提升，与普通微表处对比，在抗滑性与抗剥落方面都具优势。

2.4 集料

集料可由花岗岩、石灰石和玄武岩等粉碎后得到，集料在微表处中占比很高[14]。由于微表处的快速凝固特性，选用集料的性质至关重要。不同集料会产生不同的作用，因此从微表处的性能方面考虑，需要评估集料的几个关键指标，包括采集地的地质情况、石料的形状、结构、完整性和耐磨性。此外，影响微表处混合料性能的要素还有很多，比如集料的级配和含水量的高低。

集料一般选择粗粒式或中粒式，使用粗集料可以在混合料中形成骨架，再通过细集料的填充，就形成一种较为稳定的骨架密实结构。要想获得更好的抗磨耗能力，应选择坚固且耐磨的石料，此外，大粒径块石、卵石等在破碎后也是很好的选择。为了增强沥青与矿料间的粘附性，集料表面必须用清水洗净并烘干。

钢渣是目前广泛用于沥青路面施工的集料。Cui 等人[15]将激光扫描技术与数字分析方法相结合，通过成像分析对玄武岩和钢渣的形貌进行了定量分析，采集并研究了含钢渣微表处试样的形貌特征。结果表明，钢渣代替玄武岩后，微表处混合料具有较强的联锁结构，磨耗损失、横向位移和竖向位移均有所降低，这表明钢渣可以提高微表处抵抗交通荷载的能力。

Peter 等人[16]的研究结果表明：只要给定一种集料，微表处混合料的空隙率就一定，不会因级配而发生较大的变动。集料的形状直接决定混合料的骨架结构，最终影响混合料的空隙率。

2.5 矿物填料

矿物填料可以填补集料之中的空隙，使其有较好的级配；也可以缩短改性乳化沥青混合料的拌和时间、改善改性乳化沥青混合料的成型状况、延长或缩短微表处混合料的破乳速度[17]。微表处中常常掺入的填料为水泥、石灰等。

2.6 水

水以三种方式被引入到微表处混合料中，即集料中存在的水、拌和用水和乳化沥青中的水。水作为微表处混合料各组分间相互作用的溶剂，其质量必须符合相应的要求。水的主要目的是湿润、溶解和粘附其他成分并缓和化学反应，因此，用于微表处的水应与其他组分兼容。此外，水中不能含有太多的杂质，pH 值需要控制在合理范围内，通常为6 ～8.5，这有利于混合料中集料与沥青、矿粉和添加剂之间的相互作用[18]。影响微表处混合料所需水的因素有集料中的水分含量、温度、相对湿度和路面吸水量[19]。

3 微表处混合料性能试验

对于微表处，所制定的每一个配合比都是一个化学体系，它受到乳化沥青和集料类型、集料级配、水和乳化沥青用量以及矿物填料和添加剂种类等多个变量的影响。因此，在工程特定条件下对实验室样品进行现场模拟试验分析成为评价微表处混合料性能的关键，现对常用的几个试验介绍如下。

3.1 拌和试验

拌和试验的主要目的是模拟摊铺的施工现场。通过微表处的成型状态验证乳化沥青与集料的配伍性，进而获取具体准确的拌和时间。拌和时间过长，路面达不到早期强度，则无法开放交通；拌和时间过短，则不能顺利摊铺施工。

微表处的施工效果很容易受到环境的影响。因此，进行混合料设计时，可拌和时间必须要在施工过程中可能出现的最不利的温度下检验。

居浩等人[20]通过一系列性能测试，全面分析微表处混合料性能的影响因素。得到的结论有三点；一是温度，高温环境能够明显减少拌和时间；二是乳化剂，乳化剂占比越高，需要的拌和时间越久；三是水泥，掺入水泥可能延长也可能缩短混合料的拌和时间。

3.2 粘结力试验

粘结力试验主要测试微表处的早期强度，能准确地测得初凝时间，足够的早期强度是保证开放交通时间的前提。粘结力指标需要综合评判，应将测得的粘结力数值与试样破损状态相结合，以确定混合料的初凝时间和开放交通时间。

3.3 湿轮磨耗试验

湿轮磨耗试验模拟了路面在潮湿的情况下，抵抗汽车轮胎磨耗的能力。

1 h 湿轮磨耗试验可以测定微表处功能层的抗磨耗性能以及沥青与集料的裹覆性[21]，而微表处改性乳化沥青混合料的抗水损害性能则由6 d 的磨耗值表示[22]，通过长时间的浸泡过程来考察水对混合料的侵蚀状况。但是，水的破坏不仅体现在对沥青膜的置换中，水分相态的改变也会对混合料造成损伤[23,24]，而浸水6 d 磨耗试验并没有考虑到在季节性冰冻地区水的冻融循环对矿料表面的沥青膜产生的冻胀剥落作用。因此，王兆宇[25]在6 d 浸水湿轮磨耗试验的基础上，拟采用冻融循环湿轮磨耗试验，从而更全面地反映水对微表处混合料的不利影响。