渗透性树脂砂浆在排水沥青路面预防性养护中的应用

2023-03-11张建孔

科学技术创新 2023年4期

张建孔

（中公高科养护科技股份有限公司，北京）

近些年，重载卡车在交通运输结构中占比越来越大，这也就导致大空隙沥青结构需要面对严峻的挑战，容易出现飞散、坑槽等病害，损害路面结构的耐久性[1]。在这样的背景下，沥青路面的预防性养护也就显得尤为重要。

1 级配设计

排水沥青路面预防性养护所用树脂砂浆的主要目的在于保证路面结构能够长期发挥其排书功能，并尽可能降低飞散病害的产生与发展[2]，所以在本文的研究中选定空隙率作为核心评价指标，同时还将肯塔堡飞散作为辅助评价指标。考虑1.18 mm～2.36 mm及2.36 mm～4.75 mm 两种粒径区间内的集料。砂浆的级配水见表1。

表1 混合料级配设计

根据我国现行沥青路面设计、施工规范，级配筛选应当充分考虑空隙率、稳定度两个方面的要求。渗透性树脂砂浆在性能上具有一定的特殊性，稳定度指标的代表性不足，无法作为主要参考依据。已有研究表明[3,4]，沥青路面的目标空隙率大多为20%，考虑到本文所研究砂浆用于路面养护层，故将目标空隙率设置在20%以上，确保原有排水性能不受影响。基于上述级配设计方案制备马歇尔试件，其集料选用北京辉绿岩。采用规范公式计算得出砂浆混合料的设计油石比为6%，以此为基础测试、计算得到空隙率、飞散损失指标值，结果见图1。

图1 三种级配下的空隙率、飞散损失

根据图1 可以发现，级配1 下主要为1.18 mm～2.36 mm 粒径分布的单粒径集料，其空隙率为18.7%；级配3 下主要为2.36 mm～4.75 mm 粒径分布的单粒径集料，其空隙率为30.1%；级配2 下则为1.18 mm～2.36 mm 及2.36 mm～4.75 mm 粒径分布各占一半，其空隙率在级配1、级配3 之间。根据以上研究可以发现，级配1 下的空隙率指标不能满足20%的目标空隙率要求，将对结构排水能力产生不利影响；级配2 下的空隙率指标为23.5%，但由于在拌和后树脂结合料存在粘性差、流动性突出的特点，级配2 较易出现离析的现象，引起搅拌不均匀，进而使得路面空隙率不均匀。

2 高温稳定性

高温稳定指标主要用于表征高温环境下沥青路面的抗车辙性能。作为路面养护层，渗透性树脂砂浆应当较路面在高温稳定上具有更好的表现[5]。遵照我国现行混合料试验方法开展车辙试验，分别将SC、FS 及RM 三类不同渗透性树脂砂浆与PAC-13 排水沥青混合料作比对，按照1 h 为间隔记录结构的动稳定度，测定周期为3 h，以此来模拟车辆行驶所施加的持续荷载。试验结果见图2。

图2 车辙试验结果

根据图2 可知，随着碾压遍数的增多，SC渗透性树脂砂浆的动稳定度较PAC-13 排水沥青混合料更大，FS 渗透性树脂砂浆的动稳定度较PAC-13 排水沥青混合料也有所增长。由此也可认为SC、FS两类渗透性树脂砂浆在高稳定性上均展现出较好的性能，在沥青路面的预防性养护中具有较好的应用效果。

3 低温抗裂性

在通过以上对三种渗透性树脂砂浆高温性能的研究可以初步选择得到SC 及FS 两类渗透性树脂砂浆，将其与PAC-13 排水沥青混合料在低温环境下的抗裂性进行比对。受到低温环境的影响，沥青路面结构的变形性能将会发生一定程度的下降[6]。作为路面养护层，SC、FS 两类渗透性树脂砂浆在低温环境下应当兼具良好的抗裂性能，可以对下层结构形成良好的保护作用[7]。本文采用小梁弯曲试验来分别确定SC、FS 两类渗透性树脂砂浆的低温抗裂性，并将其与PAC-13 排水沥青混合料进行比对。小梁弯曲试验的结果见表2。

表2 小梁弯曲试验结果

根据表2 试验结果可以发现，SC、FS 渗透性树脂砂浆的实测最大弯拉应变显著高于PAC-13 排水沥青混合料，且这两类渗透性树脂砂浆在抗弯拉强度上的表现也更为优异。以上试验结果也表明固化后的渗透性树脂砂浆能够明显缓解低温环境下沥青收缩硬化，产生开裂的问题，具有良好变形性能。通过试验结果可以看出，SC、FS渗透性树脂砂浆的实测值均远高于规范限值，所以此两者具备良好的低温性能。

4 标准马歇尔试验

本研究通过马歇尔试验仪分别对SC、FS 两类渗透性树脂砂浆的稳定度进行检测，并将其与PAC-13 排水沥青混合料的稳定度进行比对，由此即可得出在相似试验设定下三类混合料的破坏荷载水平。在该试验中，SC、FS 渗透性树脂砂浆均采用上文所确定的最优级配设计及最佳油石比，而PAC-13 排水沥青混合料则选用实验室确定的成熟级配。标准马歇尔试验的结果见图3。

图3 稳定度试验结果

根据图3 可知，SC 渗透性树脂砂浆实测稳定度达到了23.7 kN，较PAC-13 排水沥青混合料实测稳定度6.5 kN约为3.65 倍。同时，根据材料的级配设计可知在空隙率指标上，SC渗透性树脂砂浆也远高于PAC-13 排水沥青混合料，这也表明SC 渗透性树脂砂浆的承载能力更强。同样地，FS渗透性树脂砂浆实测稳定度达到了21.5 kN，较PAC-13 排水沥青混合料实测稳定度6.5 kN约为3.3 倍，表明FS渗透性树脂砂浆在承载能力上更为优异。

5 肯塔堡飞散

在级配设计、最佳优油石比确定环节中，运用到塔堡飞散试验进行分析[8]，本研究主要利用肯塔堡飞散试验对渗透性树脂、集料的粘结性做出评价。本文所探究的渗透性树脂砂浆主要用于路面的预防性养护，所以如果其发生严重的飞散，那么不可避免地会对下层结构产生损坏。通过马歇尔试验仪分别对SC、FS 渗透性树脂砂浆的飞散损失进行检测，并将其与PAC-13 排水沥青混合料进行比对分析。上述三种材料的肯塔堡飞散试验结果见图4。

图4 飞散损失测试结果

根据图4 可以发现，FS 渗透性树脂砂浆实测的飞散损失程度最低，这也表明其内部的树脂、集料间粘结效果最好，而相较之下SC渗透性树脂砂浆的飞散损失程度略大，其原因在于FS 渗透性树脂具有更好的韧性，固化后的SC渗透性树脂砂浆硬度更高，受到反复碰撞的影响就会出现集料破碎的现象。PAC-13 排水沥青混合料实测的飞散层程度较大，这表明高粘沥青、集料之间的粘结效果较渗透性树脂、集料之间的粘结效果更差。但上述三类混合料的实测飞散损失均满足我国现行规范低于15%的限值。

6 水稳定性

作为路面结构破坏的主要形式，水损害的发生首先受到水分的持续侵入，使得结合料、集料之间的粘结性不足，同时上部车辆荷载的持续作用也将加快路面集料的松散、掉粒，并引发结构性破坏[9]。本研究综合采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验比对SC、FS 渗透性树脂砂浆的水稳定性，并将其与PAC-13 排水沥青混合料进行比对分析。

6.1 浸水马歇尔试验

在浸水马歇尔试验中，分别对SC、FS 渗透性树脂砂浆做稳定度测试，并将测试结果与PAC-13 排水沥青混合料进行比对，以残留稳定度作为评价指标评定以上三种混合料各自的水稳定性。上述三种材料的浸水马歇尔试验结果见表3。根据表3 数据可以发现，SC渗透性树脂砂浆实测的浸水马歇尔稳定度达到了20.8 kN，为三类混合料中的最高值，较PAC-13 排水沥青混合料实测的浸水马歇尔稳定度5.74 kN约为3.6 倍。FS 渗透性树脂砂浆实测的浸水马歇尔稳定度也处于较高水平，达到了18.6 kN，较PAC-13 排水沥青混合料实测的浸水马歇尔稳定度5.74 kN约为3.2 倍。SC、FS渗透性树脂砂浆相较于PAC-13 排水沥青混合料的实测残留稳定度较小，但均符合我国现行规范不小于85%的限值。所以SC、FS渗透性树脂砂浆都能够基本满足工程实际需求，并说明了水分子在SC、FS 渗透性树脂中所产生的影响比较有限，能够表现出良好抗水损能力。

表3 浸水马歇尔稳定度测试结果

6.2 冻融劈裂试验

浸水马歇尔稳试验针对高温环境下的混合料水稳性给出了综合评价，冻融劈裂试验则以低温环境为研究条件，以水结冰、融化的循环过程来评价材料所具有的水稳性。在本研究中通过冻融劈裂试验来检验路面在极寒地带的水稳定性，分别制备SC、FS渗透性树脂砂浆，测试其劈裂、冻融劈裂强度，并将测试结果与PAC-13 排水沥青混合料进行比对，以劈裂强度比作为评价指标评定以上三种混合料各自的水稳定性。上述三种材料的冻融劈裂试验结果见表4。根据表4 数据可以发现，SC渗透性树脂砂浆实测的劈裂强度达到了2.71 MPa，较PAC-13 排水沥青混合料实测的劈裂强度0.54 kN约为5 倍。FS渗透性树脂砂浆实测的劈裂强度达到了3.5 MPa，较PAC-13排水沥青混合料实测的劈裂强度5.74 kN 约为6.5 倍。SC、FS渗透性树脂砂浆相较于PAC-13 排水沥青混合料的劈裂强度有较大的提升，但后者实测的冻融劈裂残留强度比更高。SC、FS渗透性树脂砂浆都能够基本满足工程实际需求，并说明了SC、FS 渗透性树脂砂浆的温水稳定性均较好。