沥青路面抗凝冰损伤功能性修复材料试验研究

陈瑶，单丽岩，谭忆秋，陈志国

（1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2.黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150080；3.吉林省交通科学研究所，吉林长春 130012）

在冬季，云、贵高原地区易形成灾害性凝冻天气［1］，凝聚在路面的“冻雨”将造成路面凝冰.反复的冻融循环作用会使表层沥青与集料的黏结力下降，从而引发表面层细集料剥落、麻面等病害［2］.目前，国内外对凝冰后路面的处治技术研究多集中于凝冰清除［3－6］、应急性修复［7－8］等方面.在中国，当道路结构物产生严重病害而影响其使用性能时，往往采取再生［9－10］、加铺或结构性修复的手段维护［11－13］，且在修复时很少考虑材料对抗冻融及耐化学腐蚀性能的要求.路面凝冰损坏与结构性破坏不同，根据凝冰损伤基理研究路表材料功能性补强技术，加强表面微损伤细集料的界面黏结能力是沥青路面抗凝冰损伤的关键.鉴于此，研究高黏结力、高渗透性的沥青路面抗凝冰损伤功能性修复材料（以下简称修复材料），对促进中国路面养护新技术的发展将具有重要意义.

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

基质沥青：90＃道路石油沥青；阳离子乳化剂：慢裂型INDULIN AA－57阳离子乳化剂，无需调节pH 值；改性剂：阳离子SBR 胶乳（SBR），INDULIN 1468改性剂；渗透剂：G 助剂.

按预定工艺制备不同掺量改性剂及渗透剂修复材料，依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的试验方法制取其蒸发残留物试样.

1.2 试验方案

依据JTG E20—2011研究改性剂及渗透剂掺量变化对修复材料蒸发残留物常规物理性能的影响，包括弹性恢复、5℃延度等.

选取粒径为0.3～0.6mm 的标准砂制备马歇尔试件（见表1），采用标准砂渗透法评价修复材料的物理渗透性能［14］.于试件表面均匀喷洒16.2g修复材料，静置12h后测定乳液的渗透深度，比较渗透剂掺量变化对渗透效果的影响.

表1 马歇尔试件的配合比Table 1 Mix proportion of Marshall sample g

将湿轮磨耗试件浸水1h后于－20℃下冰冻6h，再于20℃下融化6h作为1次冻融循环，研究不同冻融循环次数对修复材料黏附性能的影响.

分别考察室温下不同浸水时间对修复材料抗水黏附性能的影响.

2 试验结果与分析

2.1 SBR 改性剂对修复材料蒸发残留物性能的影响

图1为SBR 掺量对修复材料蒸发残留物5℃延度的影响.由图1可见，随着SBR 掺量的增加，修复材料的低温延性近似呈线性增长，当SBR 掺量为7.0%（质量分数）时，其5℃延度＞120cm，低温抗塑性变形能力显著提升.

图1 SBR 掺量对蒸发残留物5℃延度的影响Fig.1 5℃ductility with different SBR contents

图2为SBR 掺量对修复材料蒸发残留物弹性恢复性能的影响.由图2可见，随SBR 掺量的增加，修复材料蒸发残留物弹性恢复性能逐步提升，当SBR 掺量为1.0%时，其弹性恢复能力为26.7%，当SBR 掺量为3.0%，5.0%和7.0%时，其弹性恢复能力分别为51.3%，82.7%和85.7%，而且当SBR 掺量为5.0%时，其弹性恢复能力的增长幅度最大.

图2 SBR 掺量对蒸发残留物弹性恢复性能的影响Fig.2 Elastic recovery with different SBR contents

2.2 G 助剂对修复材料储存稳定性能及渗透性能的影响

G 助剂掺量对修复材料储存稳定性能的影响如表2所示.

表2 G助剂掺量对修复材料储存稳定性能的影响Table 2 Storage stability with different G contents

由表2可见，当G 助剂掺量（质量分数）为2.0%，3.0%时，修复材料的储存稳定性能均满足规范要求，但当G 助剂掺量为4%时，随储存时间的延长，试管底部有皂液析出，故G 助剂掺量应具上限要求.

表3为G 助剂掺量对修复材料渗透性能的影响.由表3可见，G 助剂有助于提高修复材料的渗透性能，G 助剂掺量为3.0%，固含量为62.2%（质量分数）的修复材料，其渗透深度为8.5mm，渗透效果较好.

表3 G助剂掺量对修复材料渗透性能的影响Table 3 Permeability with different G contents

2.3 高渗透性、高黏性修复材料复配改性试验研究

鉴于G 助剂与SBR 对修复材料的改性作用不同，在上述试验的基础上对该材料进行了复配改性研究.

2.3.1 复配改性对修复材料蒸发残留物弹性恢复性能的影响

图3为复配改性对修复材料蒸发残留物弹性恢复性能的影响.由图3（a）可见，与未掺加G 助剂的SBR 改性修复材料相比，G 助剂的掺加可提升修复材料蒸发残留物的弹性恢复能力，经过5.0%SBR＋3.0%G，7.0%SBR＋3.0%G 复配改性后，其蒸发残留物的弹性恢复能力分别提高了3.6%，5.7%.

图3 复配改性对修复材料蒸发残留物弹性恢复性能的影响Fig.3 Elastic recovery with different SBR and G contents

由图3（b）可见，修复材料蒸发残留物的弹性恢复能力随G助剂掺量的增加而有不同程度的提升，与未掺加G助剂的SBR 改性修复材料相比，其提高幅度为5.72%～10.39%，弹性恢复水平均超过90%.

2.3.2 复配改性对修复材料蒸发残留物5℃延度的影响

图4为复配改性对修复材料蒸发残留物5℃延度的影响.由图4（a）可见，与未掺加G 助剂的SBR改性修复材料相比，G 助剂对其蒸发残留物5℃延度影响较大.5.0%SBR＋3.0%G 的5℃延度下降了39.8%；7.0%SBR＋3.0%G 的5℃延度下降了38.2%.这说明G 助剂对修复材料的低温抗塑性变形能力有不利影响.

由图4（b）可见，修复材料蒸发残留物5℃延度随G 助剂掺量的增加而有不同程度的降低，下降幅度为38.2%～59.1%，其中掺3.0% G 助剂修复材料蒸发残留物5℃延度（76.4cm）的下降幅度最小，低温抗塑性变形能力较好.

图4 复配改性对修复材料蒸发残留物5℃延度的影响Fig.4 5℃ductility with different SBR and G contents

2.3.3 复配改性对修复材料渗透性能的影响

表4为复配改性原液的渗透性能.由表4可见，掺2.5%G 助剂试件的渗透深度仅为2.0～2.5mm，掺2.8%G 助剂试件的渗透效果有所提升，平均渗透深度为11.0～13.0mm，而掺3.0%G 助剂试件的平均渗透深度为13.0～14.0mm，渗透效果显著.

表4 复配改性原液的渗透性能Table 4 Permeability with different SBR and G contents

表5为路表构造深度试验数据.由表5可见，修复材料对路表构造深度的影响较小.当初始路表构造深度较大时，涂刷修复材料后，路表构造深度下降6.5%，涂刷普通乳化沥青时，路表构造深度下降22.8%；当初始路表构造深度较小时，涂刷修复材料，路表构造深度下降15.4%，涂刷普通乳化沥青时，路表构造深度下降42.0%.

表5 路表构造深度试验数据Table 5 Test data of texture depth

2.4 修复材料关键性能评价

2.4.1 抗水性能

图5为修复材料的抗水性能.由图5可见，喷洒修复材料的湿轮磨耗试件浸水1h，1，6d的磨耗值分别为541.2，402.9，288.2g／m2，其修复初期的抗水性能逐渐提升，随养护时间的延长，修复材料对表面细集料的黏附作用不断增强；而无修复试件和喷洒普通乳化沥青试件的抗水性能则随浸水时间的延长而下降，当浸水6d时，修复后试件与二者相比，其抗磨耗性能分别提升了76.2%，44.6%，抗水黏附效果优异.

2.4.2 抗冻融磨耗性能

图5 修复材料的抗水性能Fig.5 Water resistance of the material

图6为修复材料的抗冻融磨耗性能.由图6可见，随着冻融循环次数的增加，修复材料的抗磨耗性能逐渐提升，具有较好的抗冻融效果；无修复试件的抗磨耗性能则逐渐下降，冻融循环20次时，喷洒修复材料的试件与对比试件相比，其细集料抗磨耗性能提升了87.2%，抗冻融黏附效果优异.

图6 修复材料的抗冻融磨耗性能Fig.6 Freeze－thaw resistance of the material

3 结论

（1）SBR 有助于修复材料蒸发残留物的低温延性及弹性恢复能力，对提高其抗冻融黏附具有显著效果.

（2）G 助剂对提高修复材料渗透性能具有显著作用，但需控制其掺量，掺量较小时，渗透效果不佳，而掺量较大时，则对其储存稳定性能造成不利影响.

（3）G 助剂与SBR 复配改性时，G 助剂的掺加有助于修复材料蒸发残留物的弹性恢复性能和渗透性能，但对其5℃延性有不利影响，3.0%G＋7.0%SBR 复配改性后，修复材料的整体性能较好.

（4）修复材料的高渗透性使其对路表构造深度影响小，抗水及抗冻融黏附性能优异.

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