旧水泥面板薄层罩面凿毛工艺、材料优选研究

柴晓晶

（山西省长子公路管理段，山西长治 046600）

随着高速公路路网的大范围发展，山区和丘陵地区的高速公路也大面积覆盖，高速公路收费站等特殊路段，仍使用水泥混凝土路面[1-2]，但现有部分水泥路面在车辆作用下已产生磨光，使行驶的车辆产生正向和侧向滑移的风险，严重危及到行车安全。目前处置磨光等病害路面的方式有：整块换板，同时处理基层；用5%水泥稳定碎石加铺，再加铺沥青层；小面积用C15 水泥混凝土修补基层；只是表面抗滑不足的情况，加铺微表处或超薄罩面沥青层[3-6]。在水泥面板抗滑不足时，加铺超薄磨耗层是一种性能好、较为经济的预防性养护技术，Novachip 技术是一种应用广泛的薄层加铺技术，具有可以明显改善路面抗滑、提高路面平整度、改善路面噪声、提高路面抵抗渗水性能的特点，广泛应用于旧沥青路面、旧水泥路面的加铺过程中[7]。橡胶沥青用于薄层罩面方面也有出色的表现，可在表面防水和表面构造深度上达到理想的平衡，同时抗滑能力高[8]。谭化等人[9]通过流变学对不同沥青的线黏弹性区段进行了研究，认为PE/SBS/岩沥青复合改性橡胶沥青的高温性能远优于普通沥青和SBS 改性沥青，采用脱硫胶粉改性性能更优于普通胶粉改性。在实际应用中，常用于超薄罩面的材料为SBS 改性沥青，SBS改性沥青既作为黏层油，又作为罩面混合料的拌和沥青，但现实中薄层罩面短期破损还是非常严重。所以本文从抗滑不足的水泥面板表面处理方式、层间黏结材料、加铺层沥青性能及加铺混合料的综合性能方面进行评价，总结归纳出目前较优的水泥混凝土路面薄层罩面的组合。

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1 层间黏结原材料

层间黏结采用Novabond 改性乳化沥青、SBS 改性乳化沥青、普通70 号A 级沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青，沥青性能见表1—表3。

表1 Novabond改性乳化沥青性能

表2 SBS改性乳化沥青性能

表3 3种沥青性能

1.1.2 薄层罩面用胶结料

采用Novabinder 改性沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青、橡胶-SBS 复合改性沥青作对比材料，优选薄层罩面用沥青。SBS 改性沥青中SBS 内掺4.5%；橡胶沥青橡胶粉外掺20%（细度40 目）；橡胶-SBS 复合改性沥青中，橡胶粉掺量为外掺15%（细度40 目），SBS 内掺2%。各沥青的性能见表3—表5。

表4 Novabinder改性沥青性能

表5 橡胶-SBS复合改性沥青性能

1.1.3 集料及矿粉

混合料用集料均为玄武岩集料，矿粉为石灰岩磨细矿粉，集料及矿粉均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规范要求。

1.2 试件制备方式

层间抗剪强度试验采用斜面剪切试验设备，加载设备采用MTS 试验机，加载速度50 mm/min。试件采用车辙板成型的方法，先在旧水泥路面上切割300 mm×300 mm×50 mm 的水泥板，如水泥板底部不平或厚度略微不足，采用C30 普通混凝土补齐到厚50 mm，表面处理后，再在上面涂刷待测试的黏层材料，为使抗剪强度测试时黏层材料两侧均有50 mm 的厚度作为施力点，最后在涂刷黏结材料的表面加铺5 cm AC-13 SBS 改性沥青混合料。对成型后的复合车辙板试件，切割为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件作为抗剪强度试验试件。试验设备及方法见图1。

图1 斜面剪切设备

层间黏结抗拉强度测试时，在水泥面板表面涂刷层间黏结材料，再在上面铺筑20 mm 薄层罩面材料制作试件。随后在制作好的试件表面通过取芯机钻取直径100 mm 沥青圆环，此时，只钻通薄层罩面材料及层间黏结材料，最后在薄层罩面材料表面粘接拉拔仪拉板，用于与拉拔仪的连接，施加拉拔力时，加载速度为1 mm/min。试验设备及方法见图2。

图2 拉拔设备

1.3 试验方案

1.3.1 层间水泥面板处治方法试验

为了模拟水泥路面表面不同污染、光滑情况，先后选择了水泥路面有浮浆污染、表面粗砂纸打磨、人工凿毛、表面抛丸、表面刻槽（精铣刨）的处理工艺，采用抗拔和抗剪强度，研究各种处理工艺对黏结效果的影响。层间黏结沥青选择Novabond 改性乳化沥青，洒布量0.7 L/m2，试验温度20 ℃。抗剪强度试验上层选用AC-13 SBS 改性沥青混合料层，抗拉强度试验上层采用2 cm AC-5 SBS 改性沥青加铺层，下层为不同处理方式处理过的旧水泥混凝土路面板。

1.3.2 层间黏结材料选择试验

分别选择SBS 改性乳化沥青、Novabond 改性乳化沥青、普通70 号A 级沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青作为层间黏结材料，在各自最佳剂量的情况下，测定各自材料的拉拔强度，试验温度为20 ℃。抗剪强度测试时，上层选用AC-13 沥青混合料层，抗拉强度测试时，上层采用2 cm AC-5 SBS 改性沥青加铺层，下层为旧水泥混凝土路面，水泥混凝土表面处理为1.3.1 中选择的最优处治方法。

1.3.3 加铺层沥青性能比较试验

薄层罩面加铺层沥青选择Novabinder 改性沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青、橡胶-SBS 复合改性沥青，本文对加铺沥青的高温性能采用动态剪切试验，评价加铺层沥青的高温性能，优选合适的加铺层用沥青。

1.3.4 加铺层沥青混合料性能比较试验

采用沥青混合料高温、低温、水稳性能评价方法，评价薄层罩面混合料的高温抗车辙、低温抗裂及抗水损坏性能。

2 试验结果及分析

2.1 层间水泥面板处治方式比选

对旧水泥路面有浮浆污染、表面粗砂纸打磨、人工凿毛、表面抛丸、表面刻槽的处理后，涂刷0.7 L/m2黏层油[10]，成型试件后，对试件取芯制作剪切和拉拔试件。拉拔试验、剪切试验结果见图3。

图3 不同旧水泥路面处理方式抗拉及抗剪强度

从图3 可知，随水泥路面表面处置方式的变化，层间抗剪强度与抗拉强度具有相近的变化趋势。在光滑的水泥路面上，又有浮浆存在时，不管是黏结层抗拉还是抗剪，强度均最低；采用表面砂纸打磨后，黏结层抗拉及抗剪强度均有所提高；采用人工凿毛的方式，黏结层抗拉及抗剪强度又有所提高；当到表面抛丸和表面刻槽后，黏结层抗拉、抗剪强度得到大幅度的提升，抛丸的最大抗拉强度略优于表面刻槽，表面刻槽的最大抗剪强度略优于抛丸，加铺层主要抵抗层间抗剪时，优先选用表面刻槽。表面刻槽相当于施工过程中的精铣刨，精铣刨可以在有效控制铣刨深度的情况下，铣掉较厚的水泥浮浆，又不破坏桥面板表面石子的棱角性，刨丸工艺只是能清除掉较薄的水泥浮浆，厚的水泥无法彻底清除。

2.2 层间黏结材料比选

本文对SBS 改性乳化沥青、Novabond 改性乳化沥青、普通70 号A 级沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青在不同刻槽构造深度的情况下，测试各种材料的抗拉强度，试验温度常温，试验结果见图4。

图4 不同构造深度下不同黏层材料的抗拉强度

从图4 可知，旧水泥路面采用不同程度的刻槽处理后，再采用5 种黏层沥青黏结，在高构造深度时，层间抗拉强度排序为，Novabond改性乳化沥青＞橡胶沥青＞SBS 改性沥青＞SBS 改性乳化沥青＞普通70 号A 级沥青，当水泥路面表面构造深度从0.42 mm降低到0.23 mm时，Novabond 改性乳化沥青的抗拉强度从0.95 MPa 均匀降低至0.63 MPa，其他黏层材料对构造深度变化并不十分敏感。所以在高构造深度时，选择Novabond 改性乳化沥青作为黏层为最佳选择，而在实际施工过程中，构造深度处理控制不可能非常准确，此时，选择橡胶沥青为最佳选择，其次为Novabond 改性乳化沥青，再次为SBS 改性沥青。

2.3 加铺层沥青比选

为提升高温时段沥青路面抗车辙性能，避免由于加铺层的抗车辙性能不足而过早出现病害，本文对Novabinder 改性沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青、橡胶-SBS复合改性沥青采用动态剪切流变试验，研究4 种薄层罩面沥青的高温性能。试验结果见图5、图6。

图5 不同沥青车辙因子与温度的关系

图6 不同沥青相位角与温度的关系

从图5、图6 可知，4 种沥青在58～82 ℃动态剪切过程中，表征沥青在高温时段抵抗车辙变形的车辙因子有明显的区分，最优的为橡胶沥青，其次为橡胶-SBS 复合改性沥青，Novabinder 和SBS 改性沥青的抗车辙性能相当，排到最后。当到76 ℃高温时，橡胶沥青与橡胶-SBS 复合改性沥青抗车辙性能相当。从相位角来看，随试验温度的提高，4 种沥青的相位角均有所提升，表明黏性均有所提升，弹性均有所下降，但从总体高温抵抗黏性变形方面排序，橡胶改性沥青＞橡胶-SBS 改性沥青＞Novabinder 改性沥青＞SBS 改性沥青。主要原因为橡胶沥青具有更强的弹性恢复势能，高温线弹性区域弹性储能高，最终表现为高车辙因子，低相位角的性能。同时橡胶粉与SBS 长链产生相互交缠，形成凝胶体，相互交联形成稳定的三维网状结构，其高温抗变形性能表现较为优越。

2.4 加铺层沥青混合料比选

对用作超薄磨耗层的Novabinder改性沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青、橡胶-SBS 复合改性沥青拌和混合料进行路用性能检验，各混合料合成级配见表6。Novabinder改性沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青、橡胶-SBS 复合改性沥青混合料设计油石比分别为4.8%、4.6%、4.5%、4.5%。

表6 4种薄层沥青混合料合成级配 单位：%

4 种混合料的高、低温，水稳定性能见表7、表8。

表7 混合料动稳定度及水稳定性能试验结果

表8 混合料低温性能试验结果

从表7、表8 可知，橡胶粉改性的两种沥青混合料动稳定度均高于Novabinder 改性沥青及SBS 改性沥青拌和的混合料。同时，橡胶改性沥青与橡胶-SBS 改性沥青的动稳定度相当，Novabinder 改性沥青与SBS 改性沥青动稳定度相当。主要原因为添加橡胶粉后，橡胶粉使基质沥青由匀质体变成了沥青与胶粉两项连续共混体，橡胶粉吸收沥青轻质组份后溶胀，在基质沥青中起到增稠、阻尼、限位的作用，使基质沥青的自由流动更加困难，在宏观上表现为掺橡胶沥青的混合料感温性能降低，高温抗车辙性能大幅度提升。此外，从水稳定方面看，掺橡胶的基质沥青稠度明显增加，裹覆集料的沥青膜厚度增大，抗水损坏能力提升效果明显。与此同时，由于橡胶颗粒低温敏感性明显低于普通沥青、SBS 改性沥青，所以，在低温性能方面也表现出橡胶沥青拌和的混合料最大弯拉应变大幅度提高。

3 结论

a）旧水泥路面采用抛丸及精铣刨工艺均可达到很好的凿毛效果，但精铣刨对薄层罩面的层间抗剪强度提升略占优势。

b）旧水泥路面薄层罩面选用层间黏结材料时，铣刨面构造深度在0.42 mm 以上且较为均匀时，Novabond改性乳化沥青作为黏层为最佳选择；旧水泥路面构造深度控制不是非常精确时，橡胶沥青黏结性优且随构造深度降低衰减最小，选择橡胶沥青为最佳选择，其次为Novabond 改性乳化沥青，再次为SBS 改性沥青。

c）基于高温性能旧水泥路面薄层罩面沥青选择排序为：橡胶沥青＞橡胶-SBS 改性沥青＞Novabinder 改性沥青＞SBS 改性沥青。

d）橡胶粉改性的两种沥青混合料动稳定度均高于Novabinder 改性沥青及SBS 改性沥青拌和的混合料。薄层罩面混合料性能排序为：橡胶沥青混合料＞橡胶-SBS 改性沥青混合料＞Novabinder 改性沥青混合料＞SBS改性沥青混合料。