(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)廣東有限公司，廣東佛山 528200)

環(huán)氧乳化瀝青封層養(yǎng)護(hù)材料及其工程應(yīng)用的研究

易紅晟

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)廣東有限公司，廣東佛山 528200)

為有效解決瀝青路面早期病害，及時(shí)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)，研發(fā)了一種新型封層材料，即環(huán)氧乳化瀝青封層，提出水性環(huán)氧和乳化瀝青的最佳配比和用量，以及石料用量。通過(guò)一系列路用性能驗(yàn)證試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究，已有數(shù)據(jù)顯示：和現(xiàn)有的普通乳化瀝青封層相比，環(huán)氧乳化瀝青封層抗剝落性能及抗滑性能大幅度提高，具有優(yōu)良的淺表固化效果，可以作為新一代瀝青路面養(yǎng)護(hù)的封層材料。

瀝青路面，封層，抗剝落性能，抗滑性能

近年來(lái)，我國(guó)高速公路越來(lái)越注重預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，并開(kāi)始嘗試以表面處置為主要措施，對(duì)建成通車(chē)的高速路面進(jìn)行路面薄層養(yǎng)護(hù)實(shí)踐，收到了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。常見(jiàn)的表面處置措施包括霧封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)、微表處養(yǎng)護(hù)技術(shù)、超薄磨耗層技術(shù)以及加鋪層等。養(yǎng)護(hù)決策過(guò)程可以針對(duì)不同的路面性能問(wèn)題，采取相適應(yīng)的處置方式；然而不同的表面處置措施也存在不同的局限性，例如在我國(guó)運(yùn)用較為廣泛的微表處養(yǎng)護(hù)技術(shù)，可以有效地保護(hù)原有瀝青路面，可以預(yù)防及處治瀝青路面早期病害，如：微小裂縫及微小坑槽，微表處可以防止路面滲水及填補(bǔ)裂縫及坑槽，但其抗剝落能力不足，即耐久性問(wèn)題得不到解決[1-6]。國(guó)內(nèi)用的比較多的霧封層是一種造價(jià)較低的養(yǎng)護(hù)材料，對(duì)裂縫防治有一定效果，但其超薄表面覆蓋抗水損害能力不足，并且容易磨耗剝落，強(qiáng)度不夠，即其耐久性問(wèn)題也無(wú)法保證[7-11]。通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及后期跟蹤發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的封層養(yǎng)護(hù)材料在一定程度上降低了瀝青路面的擺值和構(gòu)造深度，即降低了瀝青路面的抗滑性能，并且在瀝青路面的淺表固化效果不佳，抗剝落性能不足，對(duì)于改善路面構(gòu)宏觀效果往往都是有限的，以上缺點(diǎn)及不足影響了常見(jiàn)封層的使用。本文基于水性環(huán)氧樹(shù)脂及乳化瀝青母體材料，研發(fā)一種新型的瀝青路面封層。

1 材料試驗(yàn)及設(shè)計(jì)

1.1 乳化瀝青及水溶性環(huán)氧樹(shù)脂的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)

試驗(yàn)研究所用乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，滿(mǎn)足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTG E20-2011》的技術(shù)要求，所用水溶性環(huán)氧樹(shù)脂的技術(shù)指標(biāo)如表2所示，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

在已有水性環(huán)氧樹(shù)脂路面抗滑封層研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮，選擇表3乳化瀝青和環(huán)氧樹(shù)脂的配合比(質(zhì)量百分比)，考慮經(jīng)濟(jì)、適用、耐久等要點(diǎn)，封層采用用量為：1.0kg/m2水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青混合物+2.0kg/m23mm～5mm石屑。

表1 乳化瀝青檢測(cè)結(jié)果Table 1 Emulsified asphalt technical specifications and test results

表2 水溶性環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)Table 2 Water-soluble epoxy resin technical indicators

表3 混合液配合比Table 3 Mixture mixing ratio

1.2 新封層材料防水性能檢測(cè)

本次混合液固化后滲水性能的比較旨在選擇固化后不滲水的封層材料，確保瀝青路面免于來(lái)至面層滲水導(dǎo)致的水損。具體試驗(yàn)是將拌合均勻的混合液均勻撒布在透水性路面(OGFC，設(shè)計(jì)空隙率為22%)表面，并均勻撒布石屑，按1.0kg/m2水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青混合物+2.0kg/m23mm～5mm石屑。封層固化后在其表面進(jìn)行滲水試驗(yàn)[7]，統(tǒng)計(jì)3min水壓下的滲水量作為分析對(duì)象，進(jìn)行三次平行試驗(yàn)，取三次滲水量的平均值作為最終滲水量，試驗(yàn)結(jié)果顯示新封層固化后不透水，即水性環(huán)氧乳化瀝青封層有很好的防水優(yōu)勢(shì)。

2 加速加載試驗(yàn)對(duì)封層材料的淺表固化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)

本研究通過(guò)前期一系列配比試驗(yàn)，擬選定配比：乳化瀝青∶環(huán)氧A∶環(huán)氧B=6∶1∶3作為封層材料的最優(yōu)配比。僅靠上述試驗(yàn)及分析還不足以說(shuō)明本次研發(fā)的材料能否具有優(yōu)良的路用性能。因此本節(jié)擬開(kāi)展新封層材料的路用性能試驗(yàn)并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終成為其推廣應(yīng)用的根據(jù)。

為真實(shí)地模擬行車(chē)荷載對(duì)施工后的新封層表面的磨耗作用效果，采用自主研發(fā)的瀝青路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備對(duì)固化后的水性環(huán)氧乳化瀝青封層及普通封層進(jìn)行相同程度的加速加載磨耗試驗(yàn)，設(shè)備如圖1所示。在該系統(tǒng)中，加載輪通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)試件輪轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)輪胎與瀝青路面間相互接觸磨耗作用的真實(shí)模擬。試件輪可以同時(shí)加載8個(gè)試件(平面尺寸為30cm×30cm)。該系統(tǒng)是一個(gè)全天候的瀝青路面表面功能加速加載模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[9]。

圖1 瀝青路面加速加載試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Road surface features acceleratedloading test system

2.1 試驗(yàn)方案

加速加載試驗(yàn)一次性可以放置8塊弧形板，因此，為了與現(xiàn)有普通封層(乳化瀝青碎石)路用性能進(jìn)行比較，特成型八塊弧形車(chē)轍板，其中4塊表面均勻涂抹新封層材料(1.0kg/m2水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青混合物+2.0kg/m2的3mm～5mm碎石)，另外四塊弧形板表面均勻涂抹1.0kg/m2乳化瀝青+2.0kg/m2的3mm～5mm碎石)，待八塊板表面封層固化后進(jìn)行加速加載試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件設(shè)置為：輪胎壓力0.7MPa、輪胎荷載2.28kN、運(yùn)行速度0.67r/s、溫度設(shè)置為25℃。試驗(yàn)中按預(yù)定計(jì)劃，分別在車(chē)輪作用次數(shù)達(dá)到0、5000、10000、20000、40000、70000、110000次時(shí)測(cè)量各試件的質(zhì)量，取每組四塊稱(chēng)量的均值作為數(shù)據(jù)分析對(duì)象。

2.2 淺表固化性能評(píng)價(jià)方法及結(jié)果

試件在試驗(yàn)過(guò)程中受輪胎壓力、摩擦力以及離心力的多重作用，這種加速加載模擬試驗(yàn)比實(shí)際封層面受力狀況更為苛刻，研究不同加速加載階段封層材料試件的抗剝落性可以反映其淺表固化性能及耐久性能。本研究通過(guò)測(cè)量材料在不同加速加載作用次數(shù)后試件的質(zhì)量損失率來(lái)表征試件的淺表固化及耐久性能。試件的質(zhì)量損失由式(1)來(lái)計(jì)算。

(1)

式中：Mloss為封層材料的質(zhì)量損失率；mi為車(chē)輪荷載作用i次數(shù)后封層材料加弧形板的重量；m1為封層材料加弧形板的初始重量，m0為未涂抹封層材料的弧形板重量。兩組試件在不同荷載作用次數(shù)后，質(zhì)量損失的變化如圖2所示。

圖2 不同封層質(zhì)量損失率隨荷載作用次數(shù)的變化Fig.2 Different seal coat mass loss rate withthe changes of loading times

由圖2可以看出：(1)隨著加速加載作用次數(shù)的增加，兩種封層材料的質(zhì)量損失率都呈增加趨勢(shì)；(2)作用5000次，普通封層材料重量損失率比較大，超過(guò)45%，隨作用次數(shù)的不斷增加損失率基本無(wú)變化，原因是普通封層材料經(jīng)過(guò)5000次加速加載作用后輪跡帶處的材料已經(jīng)基本損失完全，因此后期封層材料損失率保持不變；(3)對(duì)于新封層，前期加速加載作用5000次時(shí)損失率達(dá)14.2%，作用20000次后這種損失率遞增趨勢(shì)趨于平緩，增加緩慢，作用110000次時(shí)，新封層材料損失率接近20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通封層48%的損失率。(4)綜合比較兩種封層材料，無(wú)論是前期質(zhì)量損失還是后期最終損失率，新封層均損失最少，損失較慢。可以預(yù)測(cè)在基層上攤鋪面層時(shí)，施工作業(yè)車(chē)輛對(duì)新封層的磨耗作用很小，因此新封層表現(xiàn)出優(yōu)良的淺表固化性能。

3 封層抗滑性能分析

本研究所提出的新封層材料由于其較好的淺表固化性和粘結(jié)性，能夠很好地將細(xì)集料(石屑等材料)粘結(jié)在原有路表面，且不易脫落，因此在改善路表面微觀構(gòu)造有很好的效果，也能在一定程度上改善路表面的宏觀構(gòu)造，并且由于較好的粘結(jié)性能夠較好地保持石屑不脫落，保證抗滑性能衰減幅度較為緩慢。

本研究通過(guò)室內(nèi)加速加載試驗(yàn)與試驗(yàn)段研究，對(duì)加鋪新封層的瀝青混凝土路面抗滑性能進(jìn)行了全過(guò)程的模擬方程。構(gòu)造深度(TD)、擺值(BPN)隨加速加載作用次數(shù)的變化曲線，如圖3～圖4所示。

圖3 加速加載試驗(yàn)?zāi)M原路面加鋪新封層全過(guò)程TD變化曲線Fig.3 Accelerated loading test to simulatethe original pavement overlay on the newsealing layer TD change curve

圖4 加速加載試驗(yàn)?zāi)M原路面加鋪新封層全過(guò)程BPN變化曲線Fig.4 Accelerated loading test to simulatethe original pavement overlay on the newsealing layer BPN change curve

由圖3～圖4可知，新封層能夠快速恢復(fù)原有瀝青路面的抗滑性能，并延緩路面的抗滑性能衰減，可作為矯正高速公路瀝青路面抗滑性能的優(yōu)化措施予以應(yīng)用于實(shí)際工程。

4 新封層工程應(yīng)用

本研究在廣東韶贛高速公路選取YK37+500～YK38+000段的超車(chē)道鋪設(shè)500m新封層試驗(yàn)段。新封層試驗(yàn)段施工情況與實(shí)際效果圖見(jiàn)圖5～圖6。

圖5 新封層試驗(yàn)段鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 New seal test section laid

圖6 新封層鋪設(shè)實(shí)際效果Fig.6 New seal laid the actual effect

鋪筑前后對(duì)YK37+800截面與YK37+900截面抗滑指標(biāo)(BPN和TD)進(jìn)行測(cè)定，鋪筑新封層先后的抗滑指標(biāo)對(duì)比如表4所示。

表4 新封層試驗(yàn)段抗滑性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 The anti-sliding performance of the testing section for the new seal test results

由圖7～圖8可見(jiàn)，鋪筑新封層后路面的摩擦系數(shù)BPN和構(gòu)造深度TD得到了較大的提升。其中摩擦系數(shù)BPN值的提升幅度為30%～40%，構(gòu)造深度TD值的提升幅度為36%～45%，說(shuō)明新封層具有優(yōu)良的抗滑性能，可以顯著提高原瀝青路面抗滑性能。

圖7 擺值提升圖Fig.7 BPN promotion figure

圖8 構(gòu)造深度提升圖Fig.8 TD promotion figure

5 結(jié)論

(1)從經(jīng)濟(jì)和適用性考慮，新封層材料的配比為：乳化瀝青∶環(huán)氧樹(shù)脂A∶環(huán)氧樹(shù)脂B=6∶1∶3。新封層材料施工應(yīng)用為：1.0kg/m2水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青混合物+2.0kg/m2的3mm～5mm碎石，不透水。

(2)新封層材料具有良好的淺表固化性能及抗剝落性能，并且能夠快速恢復(fù)原有瀝青混路面的抗滑性能，并延緩路面的抗滑性能衰減，可作為矯正高速公路瀝青路面抗滑性能的優(yōu)化措施予以應(yīng)用于實(shí)際工程。

[1] MUHAMMAD B，MUHAMMAD I，SAMUEL L. Comparison of methods for evaluating pavement interventions[J]. Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2009，2108(03)：25-36.

[2] 區(qū)仕權(quán).高性能瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施評(píng)價(jià)與優(yōu)化研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011：7-72.

[3] 張銘銘，張潔，郝培文，等.霧封層瀝青材料和添加劑的分析與評(píng)價(jià)[J].中外公路，2010，30(1)：247-250.

[4] 蔡旭，王端宜，張吉慶，等.微表處混合料室內(nèi)加速加載試驗(yàn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012，46(5)：792-797.

[5] 陳小庭，區(qū)仕權(quán)，王端宜，等.霧封層對(duì)路面抗滑性能影響的室內(nèi)加速加載試驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].公路，2011(5)：206-208.

[6] JTG/T F40-02-2005 微表處和稀漿封層技術(shù)指南[S].

[7] JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8] 雷超旭.路面表面功能加速加載系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010：21-113.

[9] 王端宜，雷超旭.一種主驅(qū)動(dòng)輪式路面材料加速加載測(cè)試方法及裝置：中國(guó)，200910038827.0.[P]. 2009-09-16.

[10] Wong W G，Haifeng Han，Guiping He. Rutting response of hot-mix asphalt to generalized dynamic shear moduli of asphalt binder[J]. Construction and Building Materials，2004，18(6)：399-408.

[11] Sokolov K，Gubler R，Parti M N. Extended numerical modeling and application of the coaxial shear test for asphalt pavements[J]. Materials and Structures，2005，38(279)：512-522.

WaterborneEpoxyEmulsionAsphaltSealCoatMaterialsandItsEngineeringApplicationResearch

YI Hong-sheng

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Co.，Ltd，Guangdong Co.，Ltd，F(xiàn)oshan 528200，Guangdong，China)

To solve effectively the early diseases of asphalt pavement，pavement maintenance in time，we developed a new seal material，namely epoxy emulsion asphalt layer，and put forward the optimal formula of waterborne epoxy and emulsified asphalt and dosage. Through a series of experiment research and engineering application，existing data show：compared with the existing common emulsified asphalt sealing layer，epoxy emulsion asphalt layer’s peeling resistance and skid resistance performance are greatly improved，has good effect of superficial curing，can be used as a new generation of seal coat material for asphalt pavement maintenance.

asphalt pavement，seal coat，peeling resistance，anti-sliding performance

U 416.2