田 甜， 蔣 應(yīng) 軍*， 張 文 輝， 張 毅， 陳 浙 江

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.陜西省交通工程咨詢有限公司，陜西 西安 710003；3.金華市交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 金華 321015 )

0 引 言

霧封層作為一種路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段，是采用專用設(shè)備將霧封層材料以霧狀灑布到路面上形成一層薄薄的封層，填封微小裂縫和表面空隙，還原和保護(hù)被氧化的路面，起到防水和抑制松散的作用，同時(shí)改善和提升路面形象[1]．近年來，國內(nèi)外研究人員對(duì)此開展了大量研究．文獻(xiàn)[2-6]提出霧封層能夠改善路面防水、防滲性能，但一定程度上會(huì)降低路面的抗滑性能．Prapaitrakul等[7]、蔣志軍[8]從流體角度分析霧封層技術(shù)在路面封閉微裂縫、防止?jié)B水等方面的機(jī)理，提出霧封材料自身的滲透性會(huì)直接影響路面抗滑性能．劉先淼等[9]提出霧封層質(zhì)量控制技術(shù)，分析了霧封層密水性和抗滑性的實(shí)際效果．韓瑞民等[10]提出霧封層研究重點(diǎn)應(yīng)從耐磨性、抗滑性和固結(jié)性著手．王朝輝等[11]結(jié)合SPSS探索性分析結(jié)果，建議路面使用霧封層技術(shù)后，路面的擺式摩擦系數(shù)(BPN)應(yīng)不小于50．

因此，研究人員開始在霧封材料中摻加抗滑顆粒形成含砂霧封層(或稱抗滑霧封層)以改善霧封層的抗滑性能．文獻(xiàn)[12-14]認(rèn)為環(huán)氧乳化瀝青作為霧封膠結(jié)料的含砂霧封層耐磨耗性及抗滑性均優(yōu)于傳統(tǒng)的霧封膠結(jié)料，年壽命周期成本低于其他養(yǎng)護(hù)方式．Estakhri等[15]、Prapaitrakul等[16]研究表明，在霧封層撒布細(xì)砂可防止路面短期內(nèi)抗滑性能迅速下降．文獻(xiàn)[17-20]認(rèn)為含砂霧封層技術(shù)可以有效提高路面抗滑性能．王雕鵬[21]、路俊杰[22]認(rèn)為軟質(zhì)顆粒提供的摩擦力較小，抗滑性能較差，而硬質(zhì)顆粒耐磨耗性能較好，適宜作為路面封層的抗滑顆粒．王利利等[23]發(fā)現(xiàn)以石英砂細(xì)集料為抗滑顆粒的霧封層抗滑性有明顯提高．陳小庭等[24]開發(fā)了輪胎驅(qū)動(dòng)式路面功能加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)，認(rèn)為霧封層抗滑所用細(xì)集料的撒布量及粒徑需要進(jìn)行嚴(yán)格控制．Oduroh等[25]提出通過嚴(yán)格控制施工流程和規(guī)范撒布量，可避免霧封層施工后短時(shí)間內(nèi)路面再次產(chǎn)生病害．陳俊宇[26]研究了水性環(huán)氧樹脂摻量、砂的粒徑與撒布量對(duì)含砂霧封層的耐磨耗性能與抗滑性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧樹脂摻量主要影響霧封層的耐磨耗性能，撒布砂的粒徑主要影響抗滑性能．同時(shí)，現(xiàn)有霧封層材料耐久性差，在早期就會(huì)出現(xiàn)磨損現(xiàn)象．鄭敏楠[27]針對(duì)此現(xiàn)象，研發(fā)了一種耐久型水性環(huán)氧樹脂霧封層材料，并優(yōu)化了配比．高志明等[28]、李凱[29]提出耐久型含砂霧封層的配比設(shè)計(jì)結(jié)果為用砂量20%左右、母液固含量50%～60%．李煒光等[30]、戴征等[31]通過加重磨耗試驗(yàn)測試瀝青失重、車轍深度、磨損指數(shù)等指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)霧封層的耐久性．

上述研究表明在霧封膠結(jié)料中摻加細(xì)砂等抗滑顆粒可改善路面抗滑性能，但由于抗滑顆粒與霧封膠結(jié)料的黏結(jié)性不足、抗滑顆粒規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)缺失，含砂霧封層質(zhì)量參差不齊，耐久性差，通車后會(huì)出現(xiàn)抗滑顆粒迅速磨掉、路面泛油、BPN低于安全行車要求等問題．鑒于此，本文采用課題組自主研制的環(huán)氧乳化瀝青霧封膠結(jié)料，通過室內(nèi)加速磨耗試驗(yàn)，提出含砂霧封層抗滑性及耐久性的試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析抗滑顆粒類型、粒徑、級(jí)配及摻量對(duì)含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，給出含砂霧封層用抗滑顆粒建議參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證．

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

(1)環(huán)氧乳化瀝青

采用課題組研發(fā)的環(huán)氧乳化瀝青，主要成分為BE-4型乳化瀝青、E-44型水性環(huán)氧樹脂及水性固化劑，各部分的技術(shù)性質(zhì)見表1～3．其中，BE-4型乳化瀝青占比80%，水性環(huán)氧樹脂與水性固化劑的比例為2∶1．

表1 BE-4型乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Technical properties of BE-4 emulsified asphalt

(2)抗滑顆粒

試驗(yàn)用抗滑顆粒為玄武砂、天然河砂及金剛砂，技術(shù)性質(zhì)見表4．

表4 抗滑顆粒技術(shù)性質(zhì)Tab.4 Technical properties of anti-slip particles

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用單一變量控制法，研究抗滑顆粒的類型、粒徑、級(jí)配及摻量對(duì)含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，提出含砂霧封層用抗滑顆粒建議指標(biāo)，并與未噴灑霧封膠結(jié)料的空白試件及只噴灑

表2 E-44型水性環(huán)氧樹脂技術(shù)性質(zhì)Tab.2 Technical properties of E-44 waterborne epoxy resin

表3 水性固化劑技術(shù)性質(zhì)Tab.3 Technical properties of waterborne curing agent

霧封膠結(jié)料的試件進(jìn)行性能對(duì)比．其中，霧封膠結(jié)料選用環(huán)氧乳化瀝青，用量為0.6 kg/m2．

1.3 試驗(yàn)方法

(1)試件成型方法

按照試驗(yàn)規(guī)程成型300 mm×300 mm×50 mm 的車轍板，室溫冷卻至少12 h后脫模；清理車轍板試件表面，測試其質(zhì)量與BPN，變異系數(shù)不應(yīng)大于5%；采用預(yù)拌工藝成型試件，分別量取各粒徑的抗滑顆粒，將不同粒徑顆?；旌蠑嚢杈鶆蚝蠹尤胍欢ū壤沫h(huán)氧乳化瀝青，充分?jǐn)嚢韬笮纬缮皾{混合料；將一定質(zhì)量的砂漿混合料均勻攤鋪在合格的車轍板上，采用刮刀等輔助工具將砂漿混合料攤鋪平整(圖1)；將試件置于30 ℃鼓風(fēng)箱內(nèi)至表干后備用．

圖1 含砂霧封層試件成型Fig.1 Sand fog seal specimen molding

(2)性能評(píng)價(jià)方法

采用長安大學(xué)研發(fā)的加速磨耗試驗(yàn)儀(圖2)，模擬含砂霧封層使用過程中受到的車輛磨耗作用．儀器的4只直徑45 mm的聚氨酯輪胎在電機(jī)作用下繞軸心高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為5 000 r/h，線速度為84.78 km/h．試驗(yàn)通過加載圓盤調(diào)整底部輪胎荷載，豎向荷載設(shè)為0.7 MPa．設(shè)備試件安裝槽尺寸為605 mm×605 mm，采用4組車轍板試件．

圖2 加速磨耗試驗(yàn)儀Fig.2 Accelerated wear tester

試驗(yàn)步驟主要包括：①測量表干后含砂霧封層試件的質(zhì)量及BPN；②將4塊試件依次置于試件安裝槽，用螺栓固定；③設(shè)定儀器轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，前期為1×104次，逐漸遞增至1×105次，開始加速磨耗試驗(yàn)，待儀器停止轉(zhuǎn)動(dòng)后取出試件，測定試件質(zhì)量及磨耗軌跡處的BPN；④重復(fù)前述步驟，放置試件時(shí)應(yīng)按初始順序保證試件磨耗軌跡與實(shí)際磨耗吻合．

一塊車轍板可切割為4個(gè)平行試件，擺式儀測試過程及磨耗軌跡簡化模型分別見圖3、4．測定磨耗軌跡中間段處BPN，根據(jù)不同磨耗次數(shù)下含砂霧封層試件的BPN變化情況評(píng)價(jià)不同含砂霧封層試件的抗滑性[32]．隨磨耗次數(shù)增加，BPN越大且減小越慢者，其抗滑性越好．

圖3 擺式儀測試過程Fig.3 Test process of pendulum apparatus

圖4 加速磨耗過程中試件磨耗軌跡Fig.4 The wear trajectory of specimens in accelerated wear process

用經(jīng)過1×105次磨耗后試件的質(zhì)量損失率評(píng)價(jià)不同含砂霧封層試件的耐久性．質(zhì)量損失率計(jì)算見式(1)，質(zhì)量損失率越小，其耐久性越好．

(1)

式中：M為試件質(zhì)量損失率；m0、m1分別為磨耗前后的試件質(zhì)量；ma為成型含砂霧封層前的試件質(zhì)量；mb為含砂霧封層固化后的試件質(zhì)量；A為試件面積，即900 cm2；A1為試件的磨耗面積，即204.88 cm2．

2 抗滑顆粒對(duì)含砂霧封層性能影響

2.1 顆粒類型對(duì)含砂霧封層性能的影響

為研究抗滑顆粒的類型對(duì)含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，在霧封層試件表面分別撒布玄武砂、天然河砂及金剛砂，進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)．

(1)抗滑性

成型后的3種含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN(b0)變化規(guī)律見圖5．其中抗滑顆粒粒徑取0.6～1.18 mm，摻量為0.6 kg/m2．

圖5 不同類型抗滑顆粒成型試件BPN磨耗規(guī)律Fig.5 BPN wear law of different types of anti-slip particles forming specimens

由圖5可知，磨耗次數(shù)為0～1×104，隨磨耗次數(shù)N的增加，試件BPN呈線性下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殪F封層存在部分包裹在瀝青材料的細(xì)砂及未在表面黏結(jié)牢固的浮砂，不能發(fā)揮其抗滑功效；磨耗次數(shù)超過1×104，試件表面浮砂及多余的霧封膠結(jié)料被磨耗殆盡，集料逐漸裸露出來，抗滑性能增加，表現(xiàn)出試件的質(zhì)量與BPN均隨磨耗次數(shù)變化而趨于平緩，甚至出現(xiàn)小幅上升的情況．

3種抗滑顆粒中，金剛砂為瀝青路面提供的初始BPN最高，且磨耗過程中BPN曲線始終位于其他兩種曲線上方；磨耗1×105次后，摻玄武砂、天然河砂及金剛砂的3種試件BPN分別降低了32.8%、32.4%及29.1%，金剛砂試件降低比例最?。@是由于金剛砂多為立方體，棱角分明，表面粗糙且粒徑分布均勻，而玄武砂與天然河砂多為球狀或橢球狀，表面較光滑，所提供摩擦力有限．同時(shí)，抗滑顆粒為金剛砂時(shí)，試件BPN在磨耗至3×104次左右趨于穩(wěn)定，BPN極小值為52；玄武砂與天然河砂試件BPN均在磨耗到1×104次左右達(dá)到穩(wěn)定，BPN極小值均為48，表明金剛砂作為抗滑顆粒能保證較好的抗滑性．

(2)耐久性

成型后的3種含砂霧封層試件磨耗前后質(zhì)量m0與m1、成型前質(zhì)量ma、固化后質(zhì)量mb及1×105次磨耗作用后的質(zhì)量損失率結(jié)果見表5．

由表5可知，經(jīng)過1×105次磨耗作用后，3種抗滑顆粒成型的含砂霧封層試件質(zhì)量損失率由小到大順序?yàn)樾渖?、金剛砂、天然河砂，金剛砂試件質(zhì)量損失率為62.46%，較玄武砂霧封層僅高0.68%．

表5 不同類型抗滑顆粒成型試件的質(zhì)量損失率Tab.5 Mass loss rate of different types of anti-slip particles forming specimens

綜上，建議選擇金剛砂作為抗滑顆粒．

2.2 顆粒粒徑對(duì)含砂霧封層性能的影響

為研究抗滑顆粒粒徑對(duì)含砂霧封層抗滑性及耐久性的影響，在霧封層試件表面分別摻加粒徑為0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm的金剛砂，進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)．

(1)抗滑性

成型后3種含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN變化規(guī)律見圖6．其中，金剛砂摻量暫定為0.6 kg/m2．

圖6 不同粒徑金剛砂成型試件的BPN磨耗規(guī)律Fig.6 BPN wear law of emery molding specimens with different particle sizes

由圖6可知，金剛砂粒徑為1.18～2.36 mm時(shí)，試件初始BPN最高，但磨耗次數(shù)超過1×104后，其BPN曲線基本位于其他兩種曲線下方；粒徑為0.3～0.6 mm時(shí)，試件初始BPN最低，且磨耗過程中BPN較粒徑為0.6～1.18 mm的低．同時(shí)，粒徑為0.6～1.18 mm時(shí)，試件的BPN約在磨耗3×104次時(shí)下降至極小值52；粒徑為0.3～0.6 mm及1.18～2.36 mm時(shí)，BPN在磨耗1.5×104次左右下降至極小值52及50．

(2)耐久性

摻加不同粒徑金剛砂成型的霧封層試件經(jīng)1×105次磨耗，質(zhì)量損失率結(jié)果見表6．

表6 不同粒徑金剛砂成型試件的質(zhì)量損失率Tab.6 Mass loss rate of emery molding specimens with different particle sizes

由表6可知，0.6～1.18 mm粒徑金剛砂成型試件經(jīng)1×105次磨耗后質(zhì)量損失率最低，與0.3～0.6 mm及1.18～2.36 mm粒徑成型試件相比，質(zhì)量損失率分別降低了3.68%、8.15%．這是由于粒徑過大時(shí)，金剛砂與霧封膠結(jié)料間的有效黏結(jié)面積較小，黏結(jié)力較小導(dǎo)致抗滑顆粒易被磨掉；而粒徑過小會(huì)使路表的霧封膠結(jié)料直接與輪胎作用，加速了霧封層材料的脫落，導(dǎo)致質(zhì)量損失率較大．

綜上，建議選擇0.6～1.18 mm粒徑金剛砂作為抗滑顆粒．

2.3 顆粒級(jí)配對(duì)含砂霧封層性能的影響

為研究金剛砂級(jí)配對(duì)含砂霧封層試件抗滑性及耐久性的影響，改變不同粒徑金剛砂配比進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)，3種金剛砂級(jí)配見表7．

表7 金剛砂的級(jí)配Tab.7 Gradation of emery

(1)抗滑性

分別摻加3種級(jí)配的金剛砂成型的含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN變化規(guī)律見圖7．其中，金剛砂摻量暫定為0.6 kg/m2．

由圖7可知，摻加級(jí)配2金剛砂成型的霧封層試件，BPN磨耗曲線位于最上方，抗滑性最好；磨耗1×105次后，用級(jí)配1與級(jí)配3成型的含砂霧封層試件，抗滑性相比0.6～1.18 mm單粒徑提高不大．這是因?yàn)榧?jí)配1中細(xì)砂含量較多，導(dǎo)致初始BPN較小，而級(jí)配3中90%為0.6～1.18 mm 金剛砂，相比單粒徑金剛砂差別較小，BPN磨耗曲線相近．

圖7 不同級(jí)配金剛砂成型試件的BPN磨耗規(guī)律Fig.7 BPN wear law of emery molding specimens with different gradation

(2)耐久性

在霧封層試件表面分別摻加3種級(jí)配的金剛砂，成型的含砂霧封層試件與0.6～1.18 mm單粒徑含砂霧封層試件經(jīng)1×105次磨耗后質(zhì)量損失率見表8．

表8 不同級(jí)配金剛砂成型試件的質(zhì)量損失率Tab.8 Mass loss rate of emery molding specimens with different gradation

由表8可知，采用不同級(jí)配金剛砂成型的含砂霧封層試件均能不同程度減小磨耗后的質(zhì)量損失率．與0.6～1.18 mm單粒徑金剛砂試件相比，級(jí)配1、級(jí)配2及級(jí)配3金剛砂霧封層的質(zhì)量損失率分別減小了4.83%、3.54%及0.39%，其中級(jí)配1質(zhì)量損失率最小，表明該級(jí)配金剛砂與霧封膠結(jié)料的黏結(jié)面積較大，黏結(jié)力較強(qiáng)，不易被磨掉．

綜合抗滑性與耐久性，建議選擇級(jí)配2作為金剛砂所用級(jí)配．

2.4 顆粒摻量對(duì)含砂霧封層性能的影響

為研究金剛砂摻量對(duì)含砂霧封層試件抗滑性及耐久性的影響，選用金剛砂摻量0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 kg/m2分別成型含砂霧封層試件進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)．級(jí)配2金剛砂用量見表9．

表9 級(jí)配2金剛砂用量Tab.9 Gradation 2 emery quantity

(1)抗滑性

不同摻量金剛砂成型的含砂霧封層試件在磨耗過程中BPN變化規(guī)律見圖8．

圖8 不同摻量金剛砂成型試件的BPN磨耗規(guī)律Fig.8 BPN wear law of emery molding specimens with different dosage

由圖8可知，摻量小于0.6 kg/m2時(shí)，顆粒相互嵌擠作用較小，磨耗過程中易被磨掉，試件BPN迅速減??；隨摻量逐漸增大，試件表面構(gòu)造逐漸被填充，試件不同磨耗次數(shù)下的BPN逐漸增大，抗滑性逐漸增強(qiáng)，金剛砂摻量為0.6 kg/m2時(shí)，試件的BPN磨耗曲線位于最上方，抗滑性最好；摻量大于0.6 kg/m2時(shí)，試件表面出現(xiàn)浮砂，黏結(jié)力降低，試件BPN減?。?/p>

(2)耐久性

不同摻量金剛砂成型的含砂霧封層試件經(jīng)1×105次磨耗后質(zhì)量損失率見圖9．

由圖9可知，隨金剛砂摻量的增加，含砂霧封層試件的質(zhì)量損失率先減小后迅速增大，在摻量為0.6 kg/m2附近質(zhì)量損失率最小．這是因?yàn)榻饎偵皳搅枯^小時(shí)，顆粒間難以形成骨架，嵌擠作用較小，且較少的金剛砂與霧封膠結(jié)料間的接觸面積有限，黏結(jié)力較小，試件表面抗滑顆粒易在短期內(nèi)被磨掉．金剛砂摻量大于0.6 kg/m2時(shí)，試件表面開始出現(xiàn)浮砂，抗滑顆粒與霧封膠結(jié)料的黏結(jié)作用較小，易被磨掉，質(zhì)量損失率開始增大，對(duì)耐久性產(chǎn)生不利影響．

圖9 不同摻量金剛砂成型試件的質(zhì)量損失率Fig.9 Mass loss rate of emery molding specimens with different dosage

綜上，建議金剛砂摻量取0.6 kg/m2，此時(shí)含砂霧封層的抗滑性及耐久性均較優(yōu)．

2.5 抗滑顆粒優(yōu)選及驗(yàn)證

綜上所述，建議選取金剛砂作為含砂霧封層的抗滑顆粒，當(dāng)環(huán)氧乳化瀝青用量為0.6 kg/m2時(shí)，各粒徑金剛砂建議摻量為0.3～0.6 mm粒徑摻量0.18 kg/m2，0.6～1.18 mm粒徑摻量0.42 kg/m2．

按照金剛砂建議摻量成型含砂霧封層試件，并與不摻加抗滑顆粒的霧封膠結(jié)料試件及未進(jìn)行霧封的空白試件進(jìn)行加速磨耗試驗(yàn)對(duì)比，磨耗過程中3種試件的BPN磨耗曲線見圖10，磨耗1×105次后的質(zhì)量損失率見表10．

表10 不同試件的耐久性試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Durability test results of different specimens

圖10 不同試件BPN磨耗規(guī)律Fig.10 BPN wear law of different specimens

由圖10可知，不摻加抗滑顆粒的霧封膠結(jié)料試件的BPN磨耗曲線呈二次拋物線，初始BPN較低，這是由于霧封膠結(jié)料填補(bǔ)了路表的空隙形

成一層油膜，抗滑性能降低，隨著磨耗次數(shù)增大，油膜逐漸被磨耗，露出表面粗糙的集料，試件BPN開始增大，在磨耗約6.5×104次時(shí)BPN達(dá)到峰值，此時(shí)路表霧封膠結(jié)料形成的油膜被完全磨去，抗滑性能恢復(fù)至原路面水平，試件BPN開始隨磨耗作用下降．含砂霧封層能有效提高路面的抗滑性能，相比不摻加抗滑顆粒的霧封膠結(jié)料試件及未進(jìn)行霧封的空白試件，含砂霧封層試件初始BPN分別提高了69.8%和35.2%，抗滑性能有明顯改善，且BPN磨耗曲線始終位于最上方，表明含砂霧封層在車輛磨耗過程中BPN始終大于原路面，抗滑性較好，有效延長了路面使用壽命．

由表10可知，經(jīng)1×105次磨耗，含砂霧封層試件的質(zhì)量損失率比霧封膠結(jié)料試件小9.67%，具有更好的耐久性．

綜上，含砂霧封層技術(shù)能有效提升路面的抗滑性及耐久性，延長路面使用壽命．

3 結(jié) 論

(1)提出了含砂霧封層抗滑性及耐久性的評(píng)價(jià)方法：通過四輪加速磨耗試驗(yàn)，根據(jù)磨耗過程中BPN變化規(guī)律評(píng)價(jià)抗滑性；采用磨耗1×105次后的質(zhì)量損失率評(píng)價(jià)耐久性．

(2)研究了環(huán)氧乳化瀝青作為霧封膠結(jié)料時(shí)，抗滑顆粒的類型、粒徑、級(jí)配及摻量對(duì)霧封層抗滑性及耐久性的影響．結(jié)果表明：抗滑顆粒選用0.3～0.6 mm與0.6～1.18 mm兩種粒徑金剛砂，摻量分別為0.18、0.42 kg/m2時(shí)，磨耗1×105次后抗滑霧封層試件的BPN下降了27.4%，具有較優(yōu)的抗滑性，質(zhì)量損失率為58.92%，耐久性較優(yōu)．

(3)經(jīng)驗(yàn)證，相比霧封膠結(jié)料試件及空白試件，含砂霧封層試件初始BPN分別提高了69.8%和35.2%，而質(zhì)量損失率比霧封膠結(jié)料試件小9.67%，抗滑性及耐久性良好．