高黏常温精薄罩面技术应用研究

2023-09-28王建洁韩先瑞宋晓磊

交通工程 2023年5期

王建洁,韩先瑞,宋晓磊

(1.天津市交通运输基础设施养护集团有限公司,天津 300201; 2.天津市公路事业发展服务中心,天津 300170)

为了保持路面良好的服务状态,减少路面病害的发生,延缓早期病害的发展,延长路面使用寿命,降低养护成本,根据沥青路面使用性能的变化情况合理的选取养护时机和养护技术实施路面预防性养护,对于公路自身和社会经济的可持续发展都具有重要的意义.随着预防性养护技术在国内的不断推广,快速、低碳、环保、节能、性价比高的预防性养护材料和技术匮乏问题急需解决.如应用较多的微表处技术,缺陷是与原路面粘结效果较差,易脱落,噪音大,表面功能衰减快,使用寿面较短;超薄磨耗层技术虽然能够克服微表处技术的部分缺陷,但是由于其磨耗层采用的是热拌沥青混合料,结构层厚,所以碳排放量大、造价较高,而且需要配置大型热拌沥青混合料拌合设备和同步一体摊铺机方可施工,经济效益和社会效益都不理想[1].针对快速、低碳、环保、经济、耐久、舒适、安全的预防性养护材料和技术发展方向,需要开发一种常温工艺低噪抗滑的罩面技术用于沥青路面的预防性养护.

高黏常温精薄罩面技术是将交联型常温复合改性沥青及热拌薄层级配矿料用稀浆封层车在常温下拌合摊铺到原路面上,通过适当碾压快速成型的预防性养护技术(厚度一般为5～9 mm),是一种融合超薄罩面技术与微表处技术的新型公路预养护技术.该技术摆脱了沥青混合料拌和机、自卸运输车、黏层撒布车、同步摊铺机等复杂的生产拌和摊铺施工机具,节省了施工造价;采用常温就地摊铺压实工艺,快速经济环保;高黏常温精薄罩面采用NTR交联型常温复合改性沥青和NTAC-5骨架空隙矿料级配,通过提高动力黏度和沥青膜厚度改善罩面层的黏结力、强度和高低温性能与柔韧性;克服了常规微表处易脱皮、噪音大、寿命短等缺点,又规避了热拌超薄罩面对于热拌沥青混合料拌合楼及传统摊铺机队的依赖而形成的施工工艺繁杂、施工成本过高等缺点.

1 原材料

1.1 集料

集料采用洁净、表面粗糙,且不含风化颗粒的3～5 mm和0～3 mm玄武岩.集料经过整形机整形,避免针片状颗粒含量偏高影响混合料骨架结构形成.在使用前应保证集料的含水率不大于3%,避免集料水分过高影响混合料的成型.

细集料用量增大能够提高沥青混合料的抗剥落性,但过多的细集料会导致沥青混合料的油膜厚度降低,使得高黏常温精薄罩面混合料的压实性变差.NTAC-5合成矿料级配参考了《公路沥青路面预防养护技术规范》JTG/T 5142-01—2021对于空隙型超薄罩面混合料的矿料级配范围[2],并结合高黏常温精薄罩面混合料技术特点进行矿料级配设计.NTAC-5合成矿料级配及建议级配范围如表1、图1所示.

1.2 沥青

NTR高黏常温精薄罩面改性沥青是通过掺加高黏改性剂、高分子聚合物、石油树脂、表面活性剂、乳化剂、稳定剂等外掺剂,通过胶体研磨剪切加工制成的蒸发残留物含量不小于62%的常温交联型高黏沥青结合料.增加沥青黏度可以减弱水对沥青与集料颗粒之间的浸润剥离作用[3].通过高黏改性剂、高分子聚合物复合改性作用,使得沥青60 ℃动力黏度极大提升.石油树脂能够增强沥青结合料与集料、沥青混合料与原路面的黏结力.加入表面活性剂,在不影响沥青结合料性能的情况下,实现高黏沥青乳化效果稳定.

表2为NTR高黏常温精薄罩面改性沥青与SBS改性沥青和BCR乳化改性沥青的技术要求[4]对比结果.由表2可以看出,NTR高黏常温精薄罩面改性沥青各项性能指标较传统的SBS改性沥青和BCR乳化改性沥青明显提高.软化点达到了90 ℃以上,60 ℃动力黏度达到11万帕秒以上,具有优异的高温稳定性能.另外,高黏度沥青能够提高沥青膜厚度至14 μm以上的同时,沥青结合料有效裹附于集料表面,形成丰富沥青胶结料,提高水稳定性和抗松散性[3、5].5 ℃低温延度达到改性沥青的低温延度指标.薄膜加热模拟的是热拌沥青混合料在加热拌和过程中沥青的短期老化过程,与热拌沥青混合料不同,高黏常温精薄罩面由于采用常温拌和摊铺工艺,其沥青性能相较经过热拌短期老化的热拌沥青混合料相比,摊铺后的沥青低温性能优势显著[6].微表处用改性乳化沥青普遍采用SBR胶乳作为改性剂,但其延度断裂拉力和弹性恢复是不能与NTR改性沥青相比拟的.弹性恢复达到了98%,加之丰富的高黏沥青膜厚度、未经短期老化作用的低温延度,提高了沥青混合料的抗裂性,有效减缓罩面层开裂问题[7].

2 试验方法与混合料性能

2.1 试验方法设计

2.1.1 基于微表处试验方法设计

为模拟现场常温摊铺碾压的施工工艺,评价沥青混合料耐磨耗性能,试验研究按3～5 mm:0～3 mm:NTR=80%:20%:13%配合比比例进行拌和,拌和时间不超过30±2 s.将拌匀的混合料倒入湿轮磨耗试模中并迅速刮平,取走模板.养生环境与预计的施工环境温度相近.待混合料表面完全破乳后且完全成型之前,将试件置于轮碾成型机,轮碾表面应用湿布擦拭湿润,碾压2个往返(4次),碾压过程中应用水雾喷洒轮碾以防止粘轮.再将碾压后的试件放入60±3 ℃的烘箱中烘至恒重,不少于24 h,再至于室内通风良好的环境下静置不少于6 h.之后按T0752后续试验步骤进行湿轮磨耗试验,计算磨耗值[6].

2.1.2 基于超薄罩面试验方法设计

为与热拌沥青混合料超薄罩面比较沥青混合料的性能,将拌和后的高黏常温精薄罩面混合料置于浅盘,放入60℃烘箱烘至完全破乳并恒重.烘干过程中应间隔一段时间翻拌混合料,加快破乳.将混合料加热至试验击实温度175±5 ℃,按T0702马歇尔击实方法双面击实50次.再按T0733进行混合料肯塔堡飞散试验,测定混合料肯塔堡飞散损失.按T0708压实沥青混合料密度试验(体积法)测定混合料的毛体积相对密度,并计算空隙率[8].

2.2 混合料性能

《公路沥青路面预防养护技术规范》JTG/T 5142-01—2021中将微表处级,对A级微表处提出更高的技术要求[2].本研究按照设计的试验方法对高黏常温精薄罩面混合料进行肯塔堡飞散损失和湿轮磨耗试验,与UTO空隙型超薄罩面混合料、A级微表处技术要求进行比对分析,如表3所示.

表3 高黏常温精薄罩面混合料与超薄罩面、微表处沥青混合料技术指标比对

通过与超薄罩面和微表处技术要求比对可以看出,高黏度NTR改性沥青与高沥青膜厚度的NTAC-5混合料,配合可碾压工艺,高黏常温精薄罩面混合料1 h湿轮磨耗值为0 g/m2,说明该混合料抗剥落性能远高于微表处.6 d湿轮磨耗值远小于微表处技术要求,肯塔堡飞散指标满足超薄罩面不大于15%的技术要求,高黏常温精薄罩面混合料表现出良好的抗剥落和抗水损性能.

3 工程应用效果

2022年7月在S245武静线K0043+700～K0043+900实施了高黏常温精薄罩面试验段,铺筑厚度为7 mm.施工方法简单快速,施工工艺为:稀浆封层车就地常温拌和摊铺→破乳→碾压→养生.

底部富余沥青可有效封水和保障层间粘结,原路面不需要进行铣刨拉毛处置.采用稀浆封层车进行混合料摊铺,摊铺前按标定曲线提前调节混合料出料速度,按设计配合比标定沥青用量.混合料摊铺后自然养生1～2 h待完全破乳后、成型前进行静压.先由5 t轻型双钢压路碾压1～2遍,再由8 t轮胎压路机碾压2～3遍,碾压过程应保证洒水装置完全覆盖碾压轮,严禁压路机在作业面急刹或停留.碾压后养生0.5 h待路表水分蒸发即可开放交通.

实施通车3个月后检测了噪音、横向力系数和PCI检测指标评价高黏常温精薄罩面舒适性、安全性和养护效果.

3.1 降噪效果

高黏常温精薄罩面采用开机配沥青混合料,空隙率可达15%～28%,具有良好的降噪效果,如图2所示.实施后能够达到超薄罩面的降噪效果,较原路面噪音降低约3 dB,相比微表处可降低噪音约7 dB,有效提高了行车舒适性,可适用于各等级公路及城市道路的预防性养护施工.

图2 各类型路面行车噪音对比

3.2 抗滑性能

由表4可以看出,实施高黏常温精薄罩面后原路面抗滑水平显著提升,构造深度可达0.9 mm,降低摊铺厚度的同时,解决了细粒式沥青混合料摩擦系数不足的难点问题.实现预防性养护经济性的同时,有效保证了行车安全性.

表4 高黏常温精薄罩面施工前后横向力系数对比

3.3 养护效果

由表5可以看出,实施高黏常温精薄罩面后全部消除路面破损,路段仍处在完好水平,无剥落、破损,能够维持较高的路面技术状况,体现出了良好的养护效果.

表5 高黏常温精薄罩面施工前后PCI对比

4 经济效益

将不同的沥青路面养护技术经济效益进行对比,如表6所示.

表6 不同养护措施等效年度成本EAC

高黏常温精薄罩面采用微表处就地常温拌和摊铺和配合适当碾压的施工工艺,无需沥青混合料拌和设备、同步一体摊铺机,节省了大量设备机具费用,也节省了高黏乳化改性沥青黏层费用.相比薄层和超薄罩面,高黏常温精薄罩面单位成本相比其他罩面类的单位成本明显降低,比微表处单位成本略高,但取得的路用性能效果比微表处更好,更具有降噪和美化路面的功能,使用寿命较微表处要长,等效年度成本EAC最低.