热阻式含砂雾封层的开发与性能研究

郭伟业

(山西路桥集团试验检测中心有限公司 吕梁市 033000)

0 引言

沥青路面因其良好的路用耐久性能被城市道路广泛应用,但同时又受其自身的黏弹特质和黑色属性,在夏季高温天气会快速吸热,使路表温度升高并聚积在表面层。路面结构经受高温荷载综合作用下,易产生车辙、泛油等病害[1-2]。国内外学者对此问题广泛关注并提出众多解决方案[3-5]。梁满杰[6]利用热反射原理开发了降温彩色涂层,可有效降低路面温度;宋宪发等[7]认为相对于密级配沥青路面,大空隙排水路面在城市路表降温方面可起到积极作用;胡力群等[8]开发了基于多孔水泥混凝土的保水降温层路表结构;易军艳等[9]开展了不同热阻路面结构的高温温度场研究,对热阻路面的适用性进行了分析。上述成果为降低夏季路面温度的研究奠定了坚实的基础,但均只针对新建道路,无法为已建道路提供借鉴经验。基于此,文章提出将热阻材料破碎制备含砂雾封层,并基于降温效果和抗滑性能进行优化设计,开展基于热阻式含砂雾封层的研究,以期减弱黑色路面吸热效应,减少路面车辙病害的产生。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

(1)乳化沥青

本研究选择慢裂快凝型阳离子乳化沥青作为制备含砂雾封层的基材,其技术指标见表1。

表1 乳化沥青技术指标

(2)改性剂

由于雾封层在路表使用,直接经受车辆荷载作用和高低温恶劣天气的影响,对粘结性和抗滑性提出较高的要求。水性环氧改性乳化沥青具备强度高、稳定性好及粘结性强等优势,能够满足含砂雾封层的使用要求,故文章采用水性环氧树脂对乳化沥青进行改性后作为胶结料使用。技术指标见表2。

表2 环氧树脂技术指标

(3)热阻颗粒

试验用热阻材料为耐火碎石颗粒和陶粒,技术指标见表3。

表3 热阻颗粒技术指标

1.2 试验方案

研究耐火碎石颗粒和陶粒两种集料在热阻式含砂雾封层中的适用性和阻热性能,研究了集料类型、粒径、级配对含砂雾封层抗滑性的影响,提出含砂雾封层用阻热颗粒建议指标,并与未喷洒雾封胶结料的空白试件进行性能对比。

1.3 试验方法

1.3.1试件制备方法

(1)水性环氧乳化沥青制备。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求,将环氧树脂与固化剂搅拌均匀后加入到乳化沥青中继续搅拌15min。根据粘结性最优原则确定水性环氧树脂与乳化沥青的掺配比例为15:85。

(2)含砂雾封层的制备。将不同参数的阻热材料与水性环氧乳化沥青预拌均匀后摊铺在车辙板上,采用刮刀等辅助工具将砂浆混合料摊铺平整,将试件置于30℃鼓风箱内至表干后备用。其中,水性环氧乳化沥青喷撒量为0.8kg/m2。

1.3.2阻热效果测试

采用碘钨灯作为试验热量传递装置模拟光照条件,在车辙板底部安装温度传感探头测试热量传递效果,试件周围用隔温泡沫包围,记录不同光照时间下车辙板底部温度。

1.3.3抗滑试验

采用加速磨耗试验仪模拟雾封层铺筑路面后车辆碾压效果。仪器包含4只宽45mm聚氨酯轮胎,由电机提供动能带动轮胎在试件上绕轴旋转,转动频率为5000转/h,计算得到线速度为84.78km/h,接近高等级公路的设计速度。试验通过加载圆盘调整底部轮胎荷载,竖向荷载设置为标准荷载0.7MPa。测定磨耗轨迹上的BPN,根据一定磨耗次数下雾封层试件的BPN下降情况,评价各类型雾封层磨耗过程中的的抗滑性能,认为磨耗过程中BPN越大、BPN下降越缓慢,其抗滑性能越好。

2 试验结果

2.1 阻热材料对热阻性能的影响

为研究阻热材料的差异对含砂雾封层阻热性能的影响,选择耐火碎石颗粒和陶粒作为阻热材料,进行阻热效果试验。不同类型路面底部随光照时间温度增长曲线如图1所示。其中粒径取0.6～1.18mm,掺量为0.5kg/m2。

图1 不同路面类型随光照时间温度增长曲线

从图1可知,在光照作用4h后,相对于普通SMA路面,热阻式含砂雾封层试件底部温度降低3℃左右,温度随光照时间曲线斜率也更低,说明热阻式雾封层可有效降低沥青路面温度的聚积速率,而且随着时间的延长,与普通路面的底部温差越来越大,光照12h后,温度差异达5℃左右。从图1中可以看出两种阻热材料之间时温曲线相差不大,由耐火碎石颗粒制备的热阻式含砂雾封层路面底部温度更低,说明耐火碎石颗粒热阻路面比陶粒式热阻路面降温效果更好。

热阻式含砂雾封层可以降低路面温度的阻热原理是改变沥青混合料表面的热物理特性,通过改变沥青路面的表面特性来改变路面对光热的响应,用导热系数小的混合料接受光照,改变了路面结构整体接受的热辐射,减少对热辐射的吸收和对流,从而阻止热量向下传递。延缓路表温度向中面层、下面层传递,同时可使聚集于路表的热量辐射到空气中,起到降低整体沥青路面温度的作用,从而减少路面车辙的产生。

2.2 阻热材料对抗滑性能的影响

由于路面洒布雾封层后减小了路面的构造深度和纹理结构,会导致面层抗滑性能严重降低,通常采用撒布细砂等抗滑颗粒形成抗滑雾封层,可有效提高路面抗滑性能。文章采用的阻热颗粒可起到抗滑颗粒的作用,但应对抗滑颗粒的规格及参数等进行系统研究,确定其适用性,明确雾封层材料与抗滑颗粒粘结效果,防止阻热颗粒在短期通车后被完全磨光的问题发生。

基于加速磨耗试验,在雾封胶结料中分别掺加耐火碎石颗粒和陶粒,成型热阻雾封层试件,研究阻热颗粒类型对雾封层抗滑性能的影响,阻热颗粒粒径均取0.6～1.18mm,掺量为0.5kg/m2。不同路面类型随磨耗次数BPN变化曲线如图2所示。

图2 不同路面类型随磨耗次数BPN变化曲线

如图2所示,不同热阻式雾封层BPN的磨耗规律大体一致,均先迅速下降,之后随磨耗次数增加而上下波动,最终呈平缓下降趋势。两种抗滑颗粒中,耐火碎石颗粒为沥青路面提供的初始BPN最高,且该类型热阻式雾封层试件在磨耗过程中BPN曲线位于陶粒热阻雾封层曲线上方,表明在磨耗过程中BPN更大,磨耗10万次后,2种试件BPN分别降低了32.5%、32.8%,耐火碎石颗粒试件降低比例较小,具有更优的抗滑性能。这是由于抗滑颗粒的棱角不一致,耐火碎石颗粒形状多为立方体,棱角分明,表面粗糙且粒径分布均匀,而陶粒多为球状或椭球状,表面较光滑,所提供的摩擦力有限。

2.3 颗粒级配对雾封层抗滑性能的影响

研究表明,由不同粒径组成的混合级配能提供更大的摩阻力和嵌挤力,可以提供更优的抗滑耐磨效果。由上文可知采用单粒径耐火碎石颗粒成型的热阻式雾封层试件抗滑性能较好。因此,为提高耐火碎石颗粒作为阻热颗粒时雾封层的抗滑耐久性能,拟采用0.3～0.6mm及0.6～1.18mm两档粒径组合形成级配,研究热阻式雾封层的抗滑耐久性能。本节基于加速磨耗试验,通过改变不同粒径耐火碎石颗粒所占配比,研究耐火碎石颗粒级配对雾封层试件性能的影响,拟采用的3种级配见表4。

表4 耐火碎石颗粒级配

成型试件时,先洒布雾封胶结料,并先后洒布粗、细粒径的耐火碎石颗粒,总掺量为0.5kg/m2。不同级配下耐火碎石颗粒热阻式雾封层随磨耗次数BPN变化曲线如图3所示。

图3 耐火碎石颗粒热阻式雾封层随磨耗次数BPN变化曲线

由图3可知,掺加级配2的耐火碎石颗粒所成型的阻热雾封层试件,磨耗BPN曲线位于上方,相对于单一粒径和其他两种混合级配具有更优的抗滑性能。究其原因在于0.6～1.18mm粒径的耐火碎石颗粒组成良好的骨架结构,少量的0.3～0.6mm粒径的材料填充在骨架的空隙之中,提供了更大的内摩阻力。

3 结论

(1)研究了热阻式含砂雾封层的阻热原理和阻热特性,耐火碎石颗粒和陶粒作为原材料的含砂雾封层可以有效降低沥青路面温度,最高可达4℃左右,从而能有效减少路面车辙现象,其中耐火碎石颗粒热阻雾封层比陶粒式热阻雾封层降温效果更好。

(2)研究了热阻式雾封层材料对抗滑性能的影响,结果表明,不同热阻式雾封层BPN的磨耗规律大体一致,随磨耗次数迅速下降后趋于稳定,耐火碎石颗粒热阻雾封层比陶粒式热阻雾封层抗滑性能略好。

(3)研究了颗粒级配对雾封层抗滑性能的影响,混合粒径比单一粒径雾封层抗滑性能更好。