基于环氧复合沥青极薄磨耗封层的室内性能分析

■江 建

（福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

现阶段福建常用的路面表面处治措施包括雾封层技术、微表处技术、超薄磨耗层技术、碎石封层技术、纤维封层技术及开普封层技术等。 不同的表面处治措施也有不同的局限性，例如，微表处技术在我国运用较为广泛，其可以有效地保护原沥青路面并预防及处治沥青路面早期病害，防止路面渗水及修补裂缝、车辙及坑槽，但其抗剥落能力不足，耐久性问题得不到解决。 近年来，一种新型雾封层技术——含砂雾封层作为养护材料得到了广泛应用，该材料防治裂缝的能力相较原有材料有较大提升，但其缺点也比较明显，表现在超薄表面抗水损害能力较差，且易因强度不足，磨耗损失较大导致其耐久性无法保证。 工程现场检测及后期跟踪发现，传统的封层养护技术和材料在一定程度上实现了预防路面早期病害的目的，但大多预防性养护技术对提高路面抗滑性能效果有限，即便有所提高，在后期使用阶段其抗滑性能也衰减很快。 针对以上难题，本文研究出一种适合福建省地域条件的耐久抗滑极薄磨耗封层技术——嵌固抗滑极薄磨耗封层来解决路面预防性养护传统技术在路面使用过程中抗滑性、耐久性不足等问题。

1 研究综述

美国在1999 年开展的一次针对路面养护的调查显示，87.8%的州运输管理机构编制了道路的预防性养护计划并开始在路面上实施预防性养护技术，4.9%的州运输管理机构开展制定PPM 计划。20世纪90 年代末期，FHA（美国联邦公路管理局）编制了一份介绍预防性养护的报告，该报告详实的阐述了包含碎石封层、稀浆封层、超薄磨耗层等在内的11 种常见预防性养护措施。 同时期，美国密歇根州交通运输部提出的预防性养护计划里面包括了20 种预防性养护措施；21 世纪初，夏威夷交通运输部发布了基于前文提及的预防性养护技术重新修订的《路面预防性养护指南》，总结出了10 种切实可行的沥青路面预防性养护方法。 南非、加拿大、日本、澳大利亚等国家也在20 世纪90 年代纷纷提出自己的预防性养护系统， 发展自己的罩面技术，随着技术发展并不断升级养护措施和方法。 总之，国外发达国家的预防性养护技术已较为成熟，预防性养护观念深厚。 国内学者也对道路的预防性养护技术进行了相关研究。 张俊等[1]通过自行设计的以改进的剪切仪为基础的试验方法对稀浆封层路面层间粘结性能进行了实验和评价，发现随着温度的升高，稀浆封层与沥青碎石下面层之间黏结强度在减小；不同的路面层间处理措施对黏结强度均有明显的影响；采用较大公称粒径的沥青混合料，或者对路面做凿毛处理均可有效提高层间黏结强度。 王朝辉等[2]认为养护适宜性是预防性养护的关键核心，并提出了预防性养护时段的概念及该时段的相应对策，有效改善了养护最佳时机和对策确定相对独立等问题。

预防性养护技术因其适用条件不同，故其种类繁多。 其中封层技术是一种目前在国内应用广泛，颇具代表性的高效低耗预防性养护措施。 就微表处、纤维封层等薄层养护技术来讲，从表处的耐久性、抗滑性、行车舒适性等方面来看，并不能很好地满足公路技术发展。 因此，需要更加耐久、更加抗滑，行车更加舒适的薄层养护技术。 基于此，本文主要通过室内试验的方法研究嵌固抗滑极薄磨耗封层的持久抗滑性能、 层间粘结性能和抗剪性能、渗透加固性能、抗渗性能、耐久性能共5 项指标来综合评价嵌固抗滑极薄磨耗封层的适用性。

2 室内机理分析及性能评价

2.1 持久抗滑性能

2.1.1 持久抗滑机理分析

嵌固抗滑极薄磨耗封层要实现的最大功能就是持久抗滑。 现有的封层、表处、罩面等预防性养护技术大多可以实现原有路面抗滑性能的明显提升，但是抗滑性能的持久性通常难以得到保证。 封层技术中，抗滑性能的持久性主要取决于2 个方面的因素：骨料自身的耐磨性能和胶结料对骨料的牢固粘结能力。 （1）骨料自身耐磨性能对封层抗滑性能的影响分析。 骨料本身的耐磨性通常以磨光值、磨耗值和压碎值来特征。 磨光值是评估路面微观结构水平的指标，是反映抵抗轮胎磨光作用能力的指标。磨光值越高，越能维持粗骨料表面微观结构的完整性。 磨耗值是表征骨料耐磨性的另一种性能指标，用于评估骨料对摩擦，冲击和剪切的综合作用的抵抗力。 较高的磨耗值表明骨料具有良好的抗冲击性，使路表的集料可以长时间保持良好的棱角性，从而让路面宏观结构具有一定程度的耐久性，提供良好的雨天抗滑性能。 骨料的压碎值是指骨料抵抗压碎能力的指标。 路表长期受到轮胎摩擦，冲击和碾压的共同作用，会使整体的抗滑性能下降，为了能保持高水平的抗滑能力，要求骨料在轮胎的作用下没有产生较大的磨耗和压碎损失。 （2）胶结料对骨料的牢固粘结能力对封层抗滑性能的影响分析。封层能够提高路面抗滑性能的前提是骨料的牢固镶嵌，而传统封层技术的主要病害就是通车一段时间后骨料发生脱落、松散，导致原路面裸露，抗滑性能再次下降。 因此，在封层技术的研究中，通常采用脱石率来表征骨料与胶结料的粘结能力。 脱石率的指标通常与骨料级配、胶结料的用量和胶结料的粘结性能有关。 基于环氧复合沥青的嵌固抗滑极薄磨耗封层技术采用的是单一粒径细集料作为骨料，其内摩擦角必然较小；同时作为路面封层，为防止泛油现象，胶结料用量也具有一定上限。 因此，为有效减少脱石率，需重点提高胶结料的粘结能力。

2.1.2 持久抗滑性能评价

本研究通过在室内成型的沥青混凝土试块上，采用不同种类和不同性能指标的骨料实施嵌固抗滑极薄磨耗封层，通过车辙试验仪的碾压模拟通车荷载历史，然后检测通车前后的摆式摩擦系数变化值， 来表征嵌固抗滑极薄磨耗封层的持久抗滑性能。 按上述试验方法对玄武岩、花岗岩和石灰岩3种石料进行了对比测试，得到的测试结果如图1 所示。同时对这3 种石料的压碎值、洛杉矶磨耗值和磨光值进行了对比测试，得到的测试结果如表1 所示。

图1 不同骨料对抗滑性能衰减过程的影响

表1 不同骨料的耐磨性能对比

从表1 中的测试结果可以得知，在3 种石料的对比中，玄武岩的压碎值、洛杉矶磨耗值和磨光值测试结果均为最佳，表明其具有优异的坚固性和耐磨性；同样，从图1 中可以得知，采用玄武岩作为骨料的嵌固抗滑极薄磨耗封层在模拟通车前后的摆式摩擦系数衰减速度也最慢，该结果表明了骨料自身的坚固性和耐磨性对封层持久抗滑能力的显著影响。 在采用花岗岩作为骨料的嵌固抗滑极薄磨耗封层中，也体现出了较好的抵抗抗滑系数衰减的能力，也印证了骨料坚固性和耐磨性对持久抗滑能力的重要性。 但其测试结果略差于玄武岩的测试结果，可能是由于花岗岩是酸性石料，与沥青胶结料的黏附性相对较差导致的。

2.2 层间粘结性能

2.2.1 机理分析

以SBS 改性乳化沥青为基体是本研究技术的核心， 关键在于通过引入高性能的水性环氧树脂，开发了一种具有优异粘结性能的复合型胶结料。 环氧树脂包含高活性环氧基、 羟基等各种能够与沥青、碎石等材料中的活性基团（尤其是某些表面活性高的基团）互相作用的极性基团，通过这些复杂的互相作用使胶结料和集料间产生很强的粘附性。另外， 环氧树脂本身的固化作用就具有较大的刚度，可以进一步提高粘合强度。

2.2.2 性能评价

采用拉拔强度试验和脱石率试验2 种方法来评价嵌固抗滑极薄磨耗封层的层间粘结性能，由于试验方法的特点，拉拔强度试验是用来表征封层所用的胶结料与原路面材料层间粘结的强度，也是针对胶结料自身粘结能力的评价；而脱石率则是针对胶结料与骨料之间的粘结性能的重要表征手段。

（1）拉拔强度性能评价。 通过测试胶结料的拉拔强度来表征嵌固抗滑极薄磨耗封层的层间粘结性能。 选用不同环氧树脂掺量的胶结料进行拉拔强度对比：①由RHJ3 制得的SBS 改性乳化沥青（标为SBS 改性乳化沥青RHJ3）； ②由水性环氧树脂HY1 和固化剂GH2（标为水性环氧树脂HY1/GH2）组成的环氧树脂体系； ③使用SBS 改性乳化沥青RHJ3， 水性环氧树脂HY1 和水性环氧固化剂GH2复配形成复合型胶结料（标记为环氧/沥青复合胶结料），通过控制水性环氧树脂体系掺量分别是10%、25%和40%时来测定不同掺量胶结料的拉拔强度，结果如图2 所示。 从图2 可以看出：①只要少量添加环氧树脂， 就可以很大程度地提高粘结效果，这说明了环氧树脂可以显著地提高胶结料的粘结强度。 这是因为环氧树脂具有超强的粘结能力；②10%掺量时， 胶结料的粘结强度只有有限的提升，环氧树脂掺量太少是造成这种情况产生的可能原因，掺量过少不能在胶结料中产生有效、均匀的网络联结；同时可以看出，随着掺量达到25%，胶结料的拉拔力出现大幅提高，这是因为SBS 改性沥青与足量的环氧树脂互联互插形成网络连续相，此时可能存在一个掺量的阈值，因为图中的结果显示继续提高掺量，粘结强度的提高速率在放缓。 通常情况下， 普通乳化沥青和稀释沥青、SBR 改性乳化沥青和热喷SBS 改性沥青都可以运用在路面封层技术中，其中后者较为少见，因为后者产生的黏结力小，容易造成早期病害如松散、骨料脱落等。 不同掺量环氧树脂的拉拔试验结果显示（图2），胶结料粘结力的提升是因为掺加了环氧树脂，那么可以将环氧树脂应用到抗滑磨耗封层技术中，以期使层间粘结强度得到提高。考虑到25%掺量可能是一个粘结强度继续提高的阈值，故此，将25%掺量作为后续试验研究的基准。

图2 不同掺量胶结料的拉拔强度对比

（2）脱石率评价。 脱石率的测试方法结合了以下2 种试验方法：①Vialit 试验（该试验在国外是经典的表征脱石率的方法）；②对JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0660——沥青与集料的低温黏结性试验规范中阐述的测试方法进行改进，将制作试件过程改造成模拟嵌固抗滑磨耗封层成型的方法，并将原来采用100 颗碎石进行试验改成在试件上撒布一定的骨料。 在材料方面，同样选用做拉拔试验时的不同环氧树脂掺量的胶结料进行脱石率对比，控制水性环氧树脂体系的掺量与前文一致， 用骨料粒径均为1～3 mm 的玄武岩碎石进行试验。 测试温度首先选择－18℃进行测试，这是参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0660-2000 的要求，可是测试期间出现了：①由于过低的测试温度使改性沥青的黏结强度降低，沥青碎石与钢板大面积脱离、散落，且测试数据失真严重， 不能体现实际的黏结情况。（2）嵌固抗滑极薄磨耗封层现实的使用环境与该测试环境不同。 故本试验选择了较高的5℃、15℃、25℃和35℃等温度进行试验，以符合福建省当地的路面温度变化范围， 脱石率的测试结果图3 所示。通过图3 可以看出：①虽然胶结料的环氧树脂掺量不同，但是脱石率试验结果伴随测试温度的变化规律都是相同的：温度升高，脱失率下降。 这表明在高温条件下，胶结料和骨料的粘结更牢靠。 ②脱石率随着水性环氧树脂比例的增加呈现显著下降的趋势，这表明胶结料与骨料之间的粘结力随着水性环氧树脂的掺量的提高呈现大幅增长的规律，也说明相较于沥青， 水性环氧树脂的粘合性能明显更强。随着掺量的增加，复合型胶结料的整体粘结能力也在逐渐增强。 但是，根据前文的研究，这种增强也不是一致持续的，故将水性环氧树脂的最终掺量定为25%。 ③随着水性环氧树脂掺量的增加，脱石率随测试温度的升高而降低的幅度减弱，这表明胶结料的温度敏感性随着水性环氧树脂的掺入显著降低。

图3 不同掺量胶结料的脱石率对比

2.3 抗剪性能评价

2.3.1 试验方法

在这项研究中，通过将不同掺量胶结料涂覆在沥青混凝土试块上，测试其抗剪强度。 剪切角度取α=40°，如图4 所示。 粘结层的层间剪切应力τ=sin40°·F/S，F 为载荷，S 为横截面积。选用不同环氧树脂掺量的胶结料进行剪切试验：①利用RHJ3 制备SBS 改性乳化沥青（标记为SBS 改性乳化沥青RHJ3）；②水性环氧树脂HY1 和固化剂GH2 组成的环氧树脂体系（标记为水性环氧树脂HY1/GH2）； ③结合SBS 改性乳化沥青RHJ3、水性环氧树脂HY1、水性环氧固化剂GH2 共3 种成分配制成环氧/沥青复合型胶结料，将水性环氧树脂体系的掺量分别控制在10%，25%和40%。

图4 剪切试验示意图

2.3.2 性能评价

不同掺量的胶结料的剪切强度、剪切模量和剪切功测试结果如图5～7 所示。①层间结合料在剪切载荷下的强度极限称为剪切强度。 从图5 可以看出，随着水性环氧树脂掺入比例的增加，胶结料的剪切强度有着显著提高。 当掺量为10%时，与SBS改性的乳化沥青相比，胶结材料的剪切强度增加了11%。 随着水性环氧树脂掺量提高到25%时，强度增加到43%。 当继续提高掺量时发现，层间剪切强度的增长变慢。 ②嵌固抗滑极薄磨耗封层的抵抗剪切变形的能力可以用剪切模量来评估。 从图6 可以看出，胶结材料的剪切模量随着水性环氧树脂掺量的增加而增大，当掺量小于40%时，剪切模量几乎呈现线性增长的趋势。 该现象说明，沥青基体可以与掺加到其内的环氧树脂很好地相容； 不仅如此，掺加的环氧树脂还能在沥青基体内均匀、连续地散布从而产生改性增强的作用。 ③在剪切试验时，峰值荷载情况下荷载和位移围成的面积即是剪切功，剪切功可以用来表征一种材料自身抵抗开裂以及吸收应力的能力。 从图7 可以看出，加入水性环氧树脂后，剪切试验测试时，剪切功先增大，当水性环氧树脂的掺加量提高到25%时，剪切功增加到最大值，而后剪切功开始减小。 同SBS 改性乳化沥青胶结料相比，剪切功提高了接近3 倍；而同纯水性环氧树脂胶结料相比，剪切功也提高了约2 倍。 同时，试验结果也显示，水性环氧树脂的掺量并不是越高效果就越好，原因是尽管固化的环氧树脂具有更高的强度，可是相较于沥青类的材料，环氧树脂的低应力环境中抵抗变形的能力较弱。 因此，将这2 种材料进行掺合，生成互相穿插、相互交融的连续网络相时，就能够产生出最大值的剪切功。 此外，试验结果还能够说明，添加具有适当含量的水性环氧树脂的沥青材料在一定程度上能有效抵抗剪切变形。

图5 不同掺量胶结料的剪切强度对比

图6 不同掺量胶结料的剪切模量对比

图7 不同掺量胶结料的剪切功对比

2.4 渗透加固性能评价

2.4.1 试验方法

本文通过考察胶结料对具有不同构造深度的被粘物的粘结强度来考察和评价胶结料的渗透加固效果。 一方面，不同环氧树脂掺量胶结料的渗透性能和固化能力不同，使其与被粘物之间产生不同的粘结强度；另一方面，被粘物自身的构造深度也会影响胶结料的渗透效果，进而影响胶结料的粘结强度。

与拉拔强度测试类似，选用不同环氧树脂掺量的胶结料进行拉拔强度对比： ①利用RHJ3 制备的SBS 改性乳化沥青 （标记为SBS 改性乳化沥青RHJ3）； ②水性环氧树脂HY1 和固化剂GH2 组成的环氧树脂体系（标记为水性环氧树脂HY1/GH2）；③结合SBS 改性乳化沥青RHJ3、 水性环氧树脂HY1、 水性环氧固化剂GH2 共3 种成分配制成环氧/沥青复合型胶结料，将水性环氧树脂的掺量分别控制在10%，25%和40%。 另外，本文选用3 种具有不同构造深度的被粘界面进行测试：①新成型的混凝土试块表面——代表具有相对较高构造深度的被粘物；②经过车轮碾压后混凝土试块表面——代表具有相对较低构造深度的被粘物；③利用切割锯切开的混凝土试块切割面——代表构造深度极低的被粘物。

2.4.2 渗透加固作用对拉拔强度的影响分析

不同环氧树脂掺量的胶结料与不同被粘物的拉拔强度测试结果如图8 所示，从图中可以看出：在3 种不同构造深度的试块的对比中， 试块表面的构造深度越大，拉拔强度则越大。这表明被粘物的构造深度对拉拔强度有明显影响，当被粘物构造深度大时，胶结料能够较好地渗入到空隙中，可以增大其与被粘物之间的粘结面积，形成更大的粘结强度。

图8 不同掺量胶结料与不同被粘物之间的拉拔强度

3 结论

（1）影响封层技术持久抗滑性能的主要因素包括骨料自身的耐磨性能和胶结料对骨料的牢固粘结能力；通过测试发现，采用具有较高压碎值、洛杉矶磨耗值和磨光值的玄武岩当骨料的情况下，嵌固抗滑极薄磨耗封层的抗滑性能衰减速度较慢，体现出良好的持久抗滑能力，40 h 模拟通车碾压后，摆式摩擦系数由76 BPN 衰减至66 BPN。 （2）经水性环氧树脂改性的胶结料，可以使嵌固抗滑极薄磨耗封层的层间粘结性能和抗剪性能大幅度提升，通过拉拔强度、脱石率、剪切强度的测试很好地反映了嵌固抗滑极薄磨耗封层胶结料与原路面之间的粘结性能、与骨料之间的粘结性能、自身的抗剪性能都明显优于传统的封层胶结料。 其中，拉拔强度可提升3.15 倍，25℃脱石率可下降2.3%，剪切强度提高1.4 倍，剪切模量提高1.25 倍，剪切功提高2.9倍。（3）经水性环氧树脂改性的胶结料，可以实现对原路面的良好渗透和原位固化，产生“锚固”效果而起到加固的作用，通过在具有不同构造深度的试件表面涂覆胶结料进行拉拔试验，可以直观地反映出嵌固抗滑极薄磨耗封层胶结料具有优异的渗透加固性能。