高黏微表处的制备及工程应用

王洪伟 储昭胜 郭 鹏 方四发 任 浩 肖 强 黄绍龙

(1.武汉市市政建设集团 武汉 430023； 2.湖北大学材料科学与工程学院 武汉 430062；3.湖北交投智能检测股份有限公司 武汉 430050)

在环境因素及行车载荷双重作用下，已经建成的路面会不定时出现一些裂缝、松散、车辙、磨光，以及坑槽等病害，极大地降低了路面行驶功能和服务寿命，经济而高效的道路养护变得愈发重要[1]。微表处预防性养护技术属于一种广泛使用的预养护施工技术，不仅可以有效处理路面早中期出现的病害问题，还能延长道路使用年限[2]。它是一种由改性乳化沥青、集料、填料、水，以及外加剂按合理配比拌和并通过专门施工设备摊铺到原路面上，达到迅速开放交通要求的薄层结构[3]。由于层间抗剪切能力不足，微表处路面容易发生推移，随着行车载荷加强产生疲劳开裂，水分下渗便会引起坑槽病害[4]。所以，继续提升改性乳化沥青和微表处混合料的高温稳定性、与集料的黏附性、微表处与旧路面的层间黏结性能仍是目前的重大研究方向。目前，提高路面层间黏结力主要是通过改变沥青胶结料的黏附性能和改善界面黏结剂材料的黏结特性2种方法。

综上原因，本文将以性能优异的高黏乳化沥青作为胶结料制备高黏微表处，并与SBS及SBR 2种微表处进行性能比较。

1 试验设计

1.1 实验原料

1) 乳化沥青。高黏乳化沥青、SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青。3种改性乳化沥青基本性能见表1。

表1 3种改性乳化沥青基本性能测试结果

由表1可见，高黏乳化沥青相比其他2种改性乳化沥青的主要优势在于软化点和黏度，其中软化点高达89.5，60 ℃动力黏度为90.4 kPa·s。

2) 集料(坚硬耐磨的玄武岩，0～3，>3～5，>5～10 mm 3档石料)，矿粉为湖北京山某石材厂提供。

3) 水泥。P·O 42.5，武汉华新水泥厂。

1.2 试验方法

其中微表处配合比设计及相关试验参照《微表处和稀浆封层技术指南》；通过水平抗剪切试验和竖直拉拔试验来检测微表处混合料摊铺完成后与原路面的抗剪强度。参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的热拌沥青混合料劈裂试验方法[5]和JTG E30-2005 《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[6]中水泥胶砂抗折强度的试验方法分析高黏微表处的低温抗裂性能。

2 高黏微表处配合比设计及性能评价

2.1 配合比设计

首先按照MS-3型级配要求确定矿料合成级配，再通过拌和实验确定水和水泥的用量，最后利用不同油石比下的湿轮磨耗值及黏附砂量求最佳油石比，其求解示意见图1。

图1 最佳油石比图解

由图1可见，油石比在6.4%～7.5%之间满足规范要求，最佳油石比为6.7%。按照高黏乳化沥青固含量62%计算，高黏乳化沥青掺量为合成集料的10.8%，从而可确定高黏微表处的配合比。

丁苯橡胶(styrene butadiene rubber，SBR)改性乳化沥青微表处与普通的微表处相比石料与沥青间黏结更加牢固，耐磨耗能力和抵抗水损害的能力更强，但高温性能不佳，其微表处填补车辙能力有限，不适宜高温地区[7]，同时疲劳性能差，使用寿命较短；热塑性丁苯橡胶(styrene butadiene styrene block copolymer，SBS)改性乳化沥青在一定程度上改善了微表处的高温性能，但它与集料的黏附性、与原路面的黏结强度不够。

采用相同矿料合成级配、同样设计方法, 参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》[8]通过拌和试验、湿轮磨耗试验及负荷轮黏砂试验确定SBS微表处及SBR微表处的配合比。3种微表处配合比见表2。

表2 3种微表处配合比

2.2 3种微表处的性能比较

1) 混合料成型强度。黏聚力实验既可以判断混合料破乳时间的长短，又能检测混合料的成型强度，定性分析其与集料的黏附性。不同微表处的黏聚力见表3。

表3 不同微表处黏聚力实验结果

由表3可见，3种类型的微表处，随着时间的延长，黏聚力均提高，在20 min时，高黏微表处早期强度已经达到规范中30 min的要求值(≥1.2 N·m)，30 min黏聚力接近规范中1 h的要求(≥2.0 N·m)，说明高黏微表处破乳后与集料间的黏附性好，成型速度快，混合料强度高，对后期的迅速开放交通起到了决定性作用。SBS微表处成型强度较好，SBR微表处次之。

2) 常规路用性能。 分别测量3种微表处混合料在相同条件下的1 h、6 d湿轮磨耗值和负荷轮黏砂试验(宽度变形率)的结果，分别评价各自抗耐磨、抗水损和抗车辙能力。实验结果见表4，其中高黏微表处与SBR微表处的磨耗情况分别见图2a)和图2b)。

表4 不同微表处常规路用性能实验结果

图2 湿轮磨耗效果

由表4可见，在相同条件下，高黏微表处的磨耗值和轮辙宽度变形率低于其他2组，说明有更好的耐磨性能、抗水损能力和抗变形能力，SBS胶乳微表处性能优于SBR微表处。从图2可以直观发现高黏微表处比SBR微表处更耐磨。

3) 层间抗剪切性能。抗耐磨性能不仅只表现在轮胎与微表处路面的磨耗，当微表处与原路面的抗剪切性能不足，层间黏结力不够，在汽车载荷的作用下，表层抗磨耗性能会大大降低还会继续出现推移、壅包，以及车辙等病害。本文采用直接剪切仪和25 ℃下的拉拔试验综合分析层间抗剪切性能。3种微表处在同一路段小块摊铺成型，待其完全固化后进行测试，结果见表5。

表5 不同微表处的抗剪切和抗裂性能测试结果MPa

由表5可见，高黏乳化沥青由于其超高的动力黏度，其微表处混合料与原路面的黏结性能、抗剪切能力均优于其他2组微表处，这与黏聚力实验结果一致。说明高黏微表处有效改善了目前微表处所存在的层间黏结力不足缺陷。

4) 低温抗裂性能。借鉴热拌混合料成型马歇尔试件，测试-10 ℃下的劈裂强度，借鉴砂浆试验测试-10 ℃下的抗折实验，以评价3种微表处的低温抗裂性能，具体结果见表5。

由表5可见，高黏微表处的劈裂强度和抗折强度明显大于SBR微表处的劈裂强度和抗折强度，也较优于SBS微表处，说明高黏乳化沥青与石料的黏结力更强，微表处混合料的黏聚力更大，低温抗开裂性能更优。SBR作为沥青改性剂时，改性后的沥青拥有较好的低温延展性，因SBS的特殊结构形式，SBS改性沥青具有很好的高温性能，同时也表现出较好的低温性能。高黏沥青改性剂是高掺量SBS且有相容剂和稳定剂的协同作用，其综合性能优异。结合劈裂和抗折试验结果，可以得出高黏微表处的低温抗裂性能较好。

3 工程应用

3.1 工程施工

武汉市江夏区灵山拌和站附近的一路段，因重载行驶、交通量大且有一定坡度，导致下坡路段路面在行车载荷的作用下出现了裂缝、车辙等病害。针对此路段修复，专家组决定采用高黏微表处作为养护材料，2019年9月上旬，在此路段进行2 km试验段试铺。为了加强高黏微表处与原路面的黏结力，增强抗滑移变形的能力，黏层油亦采用高黏乳化沥青，洒布量为0.25 kg/m2，当日天气温度为30 ℃。具体施工步骤见微表处混合料施工指南，当日施工顺利，封闭交通时间短，摊铺速度快，2 h即可开放交通。图3a)和图3b)分别是高黏微表处施工30 min和1 h后情况。

图3 施工效果图

3.2 验收检测

1) 抗滑性能。在微表处铺筑完并开放交通2 d后进行摆值和构造深度测试，测试时路面温度为20 ℃，摆值修正值为0。具体测量结果见表6。

表6 构造深度、摆值和渗水系数测量结果

路面的构造纹路和与原路面的结合强度是影响路面抗滑性能的关键因素。所谓路面构造纹路是由微表处混合料所选用的集料与级配决定，本文选用的集料为棱角分明的坚硬耐磨的玄武岩，并且采用MS-3型级配，保证了路面的构造纹路清晰；由2.2.3可知高黏微表处与原路面有很强的黏结强度，紧密相连，进一步加强了抗滑性能。表6中构造深度和摆值结果均符合验收要求(TD≥0.6 mm；摆值≥45)，具有良好的抗滑性能。

2) 抗渗性能。早期的水损害是公路工程最常见的病害。雨水过后，积水短暂停留微表处表面，若抗渗效果不好，水会渗入与原路面的连接层，在重载交通下，层间黏接力会逐渐降低，进而出现集料的剥落和部分坑槽，所以在工程验收时，路面抗渗性能是重要指标[9-10]。高黏微表处渗水试验结果见表6。

由于微表处级配特点，粉料和细集料含量相比普通热拌混合料要多，铺筑成型后空隙率小，另外由于高黏乳化沥青与集料优异的黏附性，使得微表处混合料密实性好。通过表6渗水试验结果为0.3 mL/min可知，高黏乳化沥青制成的微表处混合料具有优异的防水抗渗性能，几乎不渗水。

3) 降噪性能。近年来，路面噪声越来越受到关注，低音路面更受青睐。故在微表处铺设完5 d后进行行车噪声的测试。行车噪声一般从车外噪声、路侧噪声及车内噪声3个方面进行评价，根据工程实验经验，这3种噪声对应变化趋势一致。本文选用同一辆车测量在原路面和高黏微表处路面上行驶中车内与车外的噪声分贝值，行车速度分别为40，60，80 km/h，并与对侧原路面进行比较，测试结果见表7。

表7 车内外噪声测试结果

随着速度的提高，无论原路面还是高黏微表处试验段路面，不管车内还是车外，噪声逐渐提升。根据以往工程经验可得，普通微表处路面的噪声相比原路面均提高4～5 dB，这是因为在微表处路面的合成级配中，粗细集料不均匀，路面纹路结构深，且没有经过碾压，会增加行车时的噪声值。而高黏乳化沥青的应用，使微表处路面具有一定的弹性，可降低车辆行驶过程中轮胎振动的频率和幅度，有效吸收来自轮胎的冲击力，达到减小噪声的目的。从表7数据可以看出，高黏微表处与原路面的噪声几乎相同，说明高黏微表处具有良好的降噪效果。

综上可得，高黏微表处是一种经济、快捷、有效的路面预防养护技术，其抗滑耐磨，抗水损、抗车辙能力好，可有效降低噪声，环保节能，具有很好的社会效益和经济效益。高黏微表处的实际应用对道路预防性养护工程的推广具有深远意义。

4 结语

以高黏乳化沥青为原料，制备高黏微表处并分析其混合料的各种性能；在试验段摊铺高黏微表处，评价验收，得到以下结论。

1) 高黏微表处的最佳油石比为6.7%，高黏乳化沥青固含量按62%计算，各组分质量比为m(合成集料)∶m(水泥)∶m(水)∶m(高黏乳化沥青)=100∶1.5∶9∶10.8。

2) 高黏微表处施工20 min时，早期强度已经达到规范中30 min的要求值(≥1.2 N·m)，30 min时达到规范中1 h的要求(≥2.0 N·m)，说明高黏微表处破乳后与集料的黏附性好、成型速度快、混合料强度高。

3) 高黏微表处耐磨性能、抗水损性能、抗车辙、抗剪切性能和低温抗裂性能均优于普通SBR微表处，可弥补目前微表处存在的高温性能不佳和黏结力不强等缺陷。

4) 高黏微表处在试验段进行工程试验，发现其具有优良的抗滑性能，几乎不渗水，并且有效降低路面噪声，经济效益和社会效益高，对道路预防性养护工程的推广具有深远意义。