排水沥青路面表面强化技术对比

赵丽华， 白子玉,2， 许 斌， 刘少华

(1.大连交通大学土木工程学院， 大连 116000； 2.中路高科(北京)公路技术有限公司， 北京 100088； 3.大连理工大学交通运输学院， 大连 116000)

排水沥青路面是世界公认的高安全性功能路面，具有抗滑性能高、抑制雨天行车水雾、提高行车安全性以及舒适性、降低噪声等技术特点[1-3]。目前，排水沥青路面在中国已得到广泛推广。排水沥青混合料是一种粗集料相互嵌挤形成的骨架型结构，由于其大孔隙、开级配的特性，飞散掉粒及其引发的坑槽是最主要的结构病害，且一旦飞散发生将会呈现“多米诺效应”，即飞散面积和程度会加速破坏[4-6]。排水沥青路面预防性养护技术是目前针对其飞散病害最有效的手段。荷兰研发了预防性养护专用材料及其洒布车，并测试、评估了预防性养护的应用效果[7]。Zhang 等[8]研究发现飞散病害对排水沥青路面的使用寿命影响较大，并通过再生剂提高了路面的自愈能力，延长了路面的使用寿命。美国主要采用雾状封层及还原剂对OGFC(open graded friction course)路面进行养护[9]。Boyer[10]研究发现，降低路面顶部沥青黏度并做好路面封层可有效延长路面的使用寿命。Prapaitrakul等[11]研究发现雾状封层通过减少水和空气对排水沥青路面面层的渗透来预防路面老化并减少飞散与开裂。Brownridge[12]对比了再生剂与普通沥青乳液的使用效果，发现再生剂可以较低的成本有效延长路面寿命。卢传忠等[13]通过沿海高速公路(盐通段)预防性养护工程发现，其对排水沥青路面功能性能的恢复以及其使用寿命的延长有极其重要的作用。Xu 等[14-15]研发了三种不同类型的预防性养护材料，并依托沈海高速公路在南通到盐城段实施了预防性养护试验段，取得了良好的应用效果。尘福涛等[16]评估了渗透性树脂材料对排水沥青路面的表面强化效果，发现这种材料能有效抑制路面早期飞散病害的发生。殷俊等[17]将小粒径排水型抗滑超薄磨耗层作为路面的表面强化措施，并通过摊铺试验段，证明其具有良好的结构稳定性和排水抗滑效果。

根据中外排水沥青路面应用以及研究，飞散掉粒是排水沥青路面主要的结构病害，中外针对飞散掉料主要采用喷洒还原剂进行预防性养护，这种方式主要适用于飞散出现前，其原理主要是改善老化沥青的性质或者在排水沥青路面覆盖一层未老化的沥青膜。以往的研究中多采用撒布渗透性树脂或铺设路面超薄磨耗层等措施，本文研究采用水性环氧乳化沥青以及环氧树脂砂浆两种手段对排水沥青路面进行表面强化，提高其抵抗飞散病害的能力。

1 试验材料

1.1 水性环氧乳化沥青和环氧树脂砂浆原材料

(1)水性环氧树脂和环氧树脂。环氧树脂是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物，含有两个或两个以上环氧基团的一类热固性材料，通过环氧基的开环可与多种含有活泼氢的化合物固化交联生成网状结构，具有良好的黏结强度。采用水性环氧树脂和双组分常温固化型环氧树脂，其技术指标如表1所示。

表1 环氧树脂技术指标

(2)机制砂。机制砂采用0～3 mm单粒径机制砂，技术指标如表2所示，规格要求如表3所示。

表2 机制砂技术指标

表3 机制砂规格要求

(3)色粉。环氧树脂砂浆凝固后略显黄色，为了使环氧砂浆凝固后和路面颜色趋于一致，在环氧砂浆内加入黑色色粉，其技术指标如表4所示。

表4 色粉技术指标

1.2 排水沥青混合料级配

排水沥青混合料(PAC)采用高黏度改性沥青，玄武岩粗集料，石灰岩机制砂以及石灰岩矿粉，油石比为4.8%，外掺0.1%的聚酯纤维(质量比)，采用PAC-13级配，级配如表5所示。

表5 PAC-13级配

2 试验方案与结果

2.1 试验试件准备

水性环氧乳化沥青主要成分为沥青、阳离子乳化剂、水、水性环氧树脂；环氧树脂砂浆主要成分为环氧树脂、黑色色粉、单粒径机制砂。混合料试件制备步骤如下。

(1)按照配方分别制备好水性环氧乳化沥青和环氧树脂砂浆。

(2)将表面强化材料按照设计用量均匀涂抹到排水沥青混合料试件表面，其中水性环氧乳化沥青材料用量为0.02 g/cm2，环氧树脂砂浆材料用量为0.2 g/cm2。

(3)将涂抹好表面强化材料的排水沥青混合料试件在常温下养生24 h，留待进行下一步试验。效果如图1所示。

图1 表面强化效果

2.2 渗水性能

渗水性能的强弱决定了排水沥青路面排水功能的强弱，其通过渗水系数来表征。为了研究不同表面强化材料对排水沥青路面渗水性能的影响，采用全自动渗水系数测试仪对车辙板试件(300 mm×300 mm×50 mm)进行涂抹表面强化材料前后渗水试验，测定排水沥青混合料渗水系数，测定结果如表6所示。

表6 渗水系数试验结果

按照式(1)计算得到环氧砂浆对渗水系数的影响。

(1)

式(1)中：PDR为渗水系数降低率，%；C为表面强化后混合料的渗水系数，mL/min；C0为原沥青混合料的渗水系数，mL/min。

由结果可以看出，采用表面强化材料对排水沥青混合料试件表面强化后，渗水系数均有所下降，涂抹环氧树脂砂浆试件渗水系数下降14.6%，涂抹水性环氧乳化沥青试件渗水系数下降6.6%，涂抹环氧树脂砂浆试件渗水系数下降幅度大于涂抹水性环氧乳化沥青试件。这是因为水性环氧乳化沥青材料中的环氧树脂和沥青覆盖在混合料表面，同时有部分水性环氧树脂和乳化沥青深入到了混合料内部空隙，影响了混合料的空隙率；环氧树脂砂浆除了部分环氧树脂渗入了混合料内部空隙之外，同时细小的机制砂填充了排水沥青路面表面的空隙，这样就在混合料表面形成了一层较为致密的砂浆层阻止了水分快速进入混合料内部空隙并排出混合料内部。

2.3 抗飞散性能

2.3.1 肯塔堡飞散试验

对试验进行相应改进，只对排水沥青混合料试件强化面的飞散损失进行分析。

参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0733—2011中沥青混合料肯塔堡飞散试验方法，拟采用如下试验步骤进行研究。

(1)准备好排水沥青混合料马歇尔试件。

(2)对排水沥青混合料马歇尔试件采用表面强化材料进行涂抹，常温下养护24 h。

(3)将养护好的试件在规定温度下进行恒温20 h，称取试件质量m0。

(4)取出排水沥青马歇尔试件并迅速(1 min内)采用聚合物高强度胶带将混合料试件未强化的面进行包裹，包裹尺寸应满足胶带距离试件表面不超过2 cm，保证包裹面的混合料在试验结束后不会碎渣漏出，称取包裹试件质量m1。

(5)将包裹好试件置入洛杉矶磨耗仪中，开动仪器，按30～33 r/min的转速旋转300转。仪器停止后，取出剩余最大试件部分，称其质量m2。

(6)按照式(2)计算试件单面肯塔堡飞散损失率RR。

(2)

式(2)中：m0为排水沥青马歇尔试件的质量，g；m1为包裹后排水沥青马歇尔试件的质量，g；m2为包裹后排水沥青马歇尔试件飞散试验剩余的质量，g。

排水沥青混合料试件单面肯塔堡试验变化示意图如图2所示。

图2 排水沥青混合料试件单面肯塔堡试验变化示意图

不同表面强化材料对排水沥青混合料强化后的单面肯塔堡飞散试验结果如表7所示。

表7 混合料飞散损失试验结果

按照式(3)计算得到环氧砂浆对抗飞散性的影响。

(3)

式(3)中：RDR为飞散损失降低率，%；RR为表面强化后沥青混合料的飞散损失，%；RR0为原沥青混合料的飞散损失，%。

由结果可以看出，采用表面强化材料对排水沥青混合料试件表面强化后，飞散损失均呈现一定程度的降低，涂抹水性环氧乳化沥青后，飞散损失下降了13.4%，涂抹环氧树脂砂浆后，飞散损失下降了28.4%。涂抹水性环氧乳化沥青后，环氧树脂和沥青覆盖在混合料表面，在混合料表面形成一层保护膜，同时有部分水性环氧树脂和乳化沥青深入到了混合料内部空隙，环氧树脂和沥青具有较好的黏结性，增强了沥青混合料的整体性从而提高了混合料的抗飞散性；涂抹环氧砂浆后，细小的机制砂填充了排水沥青路面表面的空隙且有部分环氧树脂渗入了混合料内部空隙，机制砂较好地黏结在混合料表面，同时环氧树脂具有较强的黏结力，增加了沥青混合料的整体性从而提高了混合料的抗飞散性。

2.3.2 湿轮磨耗试验

(1)称取车辙板试件质量m，并计算车辙板试件湿轮磨耗质量m0。

(2)将试件装入湿轮磨耗设备的试模中，启动循环水浴，保持所需的试验温度60 ℃恒温水浴养生1.5～2 h。

(3)开启设备，在一定转速进行湿轮磨耗试验，每完成1 000次称取车辙试件损失质量mn，统计记录，根据实际情况所需次数完成试验。

(4)按照式(4)计算试件飞散损失率。

(4)

式(4)中：m0为车辙板试件湿轮磨耗质量，g；mn为第n个1 000 次湿轮磨耗后车辙板试件损失质量，g。

采用湿轮磨耗仪测试其抗飞散能力，结果如表8及图3所示。

从表8及图3可以看出，三种试件的磨耗损失的规律总体相近，可分为三个阶段：第一阶段试件飞散损失相对较平稳，此时被湿轮磨去的主要是车辙板表面的沥青油膜；第二阶段试件飞散损失快速增加，此时车辙板表面的沥青油膜已所剩无几，裸漏出来的集料被磨去或磨断；第三阶段试件飞散损失再次趋于平稳，此时集料表面较为光滑。水性环氧乳化沥青和环氧砂浆在试件表面形成保护层，故二者试件飞散较小，且涂抹环氧砂浆的试件进入第二阶段较晚。综合来看，二者均能有效增强排水沥青混合料的抗飞散性能，且环氧砂浆的效果优于水性环氧乳化沥青。

表8 湿轮磨耗试验结果

图3 湿轮磨耗飞散对比

2.4 抗滑性能

路面的抗滑性能是指路面提供防止车辆轮胎滑动和减小制动距离的能力，是行车安全的关键指标。摩擦系数是表征路面抗滑性能的指标。采用摆式摩擦系数仪测定排水沥青混合料车辙板试件涂抹表面强化材料前后的摩擦系数。结果如表9所示。

从表9可以看出，采用表面强化对排水沥青混合料试件表面强化后，摩擦系数较原试件均呈现一定程度的降低，但下降幅度较小，这是因为乳化沥青及环氧树脂固化后在混合料表面形成一层薄膜，在初期一定程度上降低了路面的抗滑功能。

表9 混合料摩擦系数试验结果

3 工程应用及效果评价

3.1 试验段实施

为了评价表面强化材料用于排水沥青路面表面强化的应用效果，依托西阜高速公路(西柏坡到阜平方向)排水沥青路面进行表面强化试验段实施，并对表面强化效果进行跟踪观测，进一步评价排水沥青路面表面强化技术的长期应用性能。试验段表面强化材料用量为水性环氧乳化沥青材料0.2 kg/m2(0.02 g/cm2)，环氧树脂砂浆材料2 kg/m2(0.2 g/cm2)。应用对比效果如图4所示。

图4 表面强化施工效果图

3.2 路用效果及性能评价

为了评价环氧砂浆对排水沥青路面表面强化的应用效果，采用了现场检测以及钻取芯样室内试验分析两种方法对该路面进行性能检测。

3.2.1 渗水性能

参照试验规程JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》中T 0971—2008试验方法，采用全自动渗水系数测试仪进行排水沥青路面表面强化前后不同时期的渗水系数测定。测试结果如表10所示。

结合表10，按照式(1)计算排水沥青路面渗水系数的降低率，结果如表11所示。

表10 渗水系数试验结果

表11 渗水系数降低率

根据表10、表11计算渗水系数降低率，结果如图5所示。

由表10、表11及图5可以看出，三种路面的渗水性能均随着时间推移而衰减，且表面强化后的排水沥青路面渗水系数有一定程度的损失，但在路面投入运营以后，3个月以及6个月的渗水系数衰减速率均小于普通排水沥青路面，这说明排水沥青路面表面强化后，具有一定的防堵塞功能。

图5 渗水系数降低率

3.2.2 抗滑性能

参照试验规程JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》中的试验方法，采用摆式摩擦系数仪检测排水沥青路面表面强化前后不同时期的摩擦系数。测定结果如表12所示。

表12 摩擦系数试验结果

由试验结果可以看出，表面强化后的排水沥青路面摩擦系数有所下降，主要是水性环氧乳化沥青或者环氧树脂凝固后在排水沥青路面表面形成一层薄膜造成摩擦系数在初期有所降低，随着路用时间增长，路面轮胎之间的磨耗减弱了薄膜的影响，摩擦系数有一个微小的回升，这说明表面强化材料对排水沥青路面的抗滑性影响不大。

3.2.3 抗飞散性能

为了评价排水沥青路面表面强化前后不同时期抗飞散能力的改善效果，在排水沥青路面钻取芯样之后，采用前面提出单面肯塔堡飞散试验方法测试抗飞散能力。试验结果如表13所示。

表13 飞散试验结果

从试验结果可以看出，表面强化后的排石沥青路面芯样单面肯塔堡飞散损失在不同时期均小于未做表面强化的普通排水沥青路面芯样，这是因为水性环氧乳化沥青或者环氧树脂砂浆覆盖在排水沥青路面表面增强了排水沥青路面的整体性，同时水性环氧乳化沥青或者环氧树脂渗入排水沥青路面内部空隙，其具有良好的黏结力，增强了石料与石料之间的黏结强度。结果表明表面强化材料可以增强排水沥青路面抵抗飞散病害的能力。

4 结论

对水性环氧乳化沥青和环氧树脂砂浆用于排水沥青路面表面强化技术进行了研究，通过室内试验研究排水沥青混合料表面强化材料，并将研究结果应用于实际工程，主要结论如下。

(1)表面强化技术可用于新建排水沥青路面，也可用于排水沥青路面的预防性养护以及飞散病害刚开始发生时的修补，可以延缓飞散病害以及空隙堵塞，延长排水沥青路面的使用寿命。

(2)通过室内渗水试验、单面肯塔堡飞散试验、湿轮磨耗试验以及摆式摩擦系数试验研究了表面强化材料的室内性能，水性环氧乳化沥青和环氧树脂砂浆对排水沥青路面的渗水性能和抗滑性能影响不大，同时可以有效提高排水沥青混合料抗飞散的能力，且环氧砂浆的效果优于水性环氧乳化沥青。

(3)采用水性环氧乳化沥青和环氧树脂砂浆进行排水沥青路面表面强化试验段应用，结果表明，表面强化在完成时对路面渗水性能造成了一定的影响，但其渗水功能衰减速率明显缓于普通排水沥青路面，说明表面强化具有一定的防止排水沥青路面空隙堵塞的功能；表面强化对排水沥青路面抗滑性能影响较小，且能较大提高其抵抗飞散病害的能力。