高耐久超薄磨耗层的开发与路用性能研究

王洪伟，金帆，蔡祥，卢吉，郭鹏，黄绍龙

(1. 武汉市市政建设集团，湖北 武汉 430023；2.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062；3.武汉工科首诚工程咨询有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

超薄磨耗层作为一种新兴的道路预防性养护措施，具有抗滑、降噪、恢复路面功能等一系列优点[1-3]，但其厚度较薄，在工程应用中还存在一些问题，如沥青胶结料性能较差、级配设计不合理、压实度不足等，导致超薄磨耗层的抗滑性、耐久性迅速衰减[4].使用高粘改性沥青可以有效提高超薄磨耗层沥青混合料路用性能，但同时也增加了混合料的拌和与碾压难度.通过添加反应性的树脂混合料外加剂，可使混合料获得良好的施工性能的同时，后期具有较好的路用性能.

聚异戊二烯基共聚物(PMM)是一种反应性树脂材料，可与高价(二价及以上)碱性金属阳离子交联形成离子键，从而使得自身的粘度逐渐增加并硬化，有效增加沥青胶结料的粘度及对集料的粘结能力，从而提高沥青混合料的性能.将PMM引入超薄磨耗层沥青混合料后，同时采用水泥替换矿粉，混合料摊铺后洒水、自然降雨等方式，即可产生反应所需的碱性水化环境.

1 原材料

1.1 沥青与矿料沥青：针对超薄磨耗层厚度较薄的特点，需要选用综合性能更好的沥青胶结料，因此采用江阴泰富沥青有限公司生产的SBS改性沥青，性能如表1所示；集料：采用湖北省京山县生产的质量合格的玄武岩和玄武岩石屑，技术标准如表2、表3所示；填料：选用华新硅酸盐水泥，性能如表4所示.

表1 SBS改性沥青技术指标

表2 粗集料性能指标

表3 细集料性能指标

表4 水泥的性能指标

1.2 反应性树脂材料反应性树脂材料采用进口的聚异戊二烯共聚物，当反应性树脂材料处于碱性氛围时，其官能团末端的—OH将发生去质子化，即脱去H+，此时剩余的—O-将与高价(二价及以上)金属阳离子反应，桥接分子链，形成离子聚合物，从而使混合物的粘度和强度逐渐增加.因此，本文中采用水泥作为沥青混合料的填料，遇水时，水泥和水反应形成碱性环境，此时聚异戊二烯基共聚物与水泥中的Ca2+交联，生成离聚物，固化反应过程如图1所示.

图1 聚异戊二烯基共聚物固化反应过程

2 沥青混合料配合比设计

2.1 矿料级配组成选择3种常用的沥青混合料级配组成，即密级配的SMA-10、开级配的OGFC-10和半开级配的NovaChip®Type-B，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的要求，依据集料筛分结果进行配合比设计，设计出的矿料级配如表5所示，然后运用马歇尔试验确定沥青混合料的最佳油石比.

表5 沥青混合料级配组成

2.2 马歇尔试验与油石比依照规范，在确定上述3种级配目标空隙率的基础上，运用沥青混合料马歇尔设计法确定其最佳油石比，经过马歇尔试验检测，3种级配类型在最佳油石比下的各项马歇尔指标如表6所示.

表6 不同级配沥青混合料马歇尔试验结果

3 最佳掺量的确定

分别选用质量为沥青混合料0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的PMM，加入上文确定的OGFC-10、SMA-10、NovaChip®Type-B级配的混合料中进行拌合，然后制作标准马歇尔试件，洒水降温后静止冷却至室温，然后测试其马歇尔稳定度，测试结果如图2所示.

图2 不同掺量PPM马歇尔稳定度测试结果

由图2可以看到，混合料马歇尔稳定度随PPM掺量的增加而提高.在OGFC级配混合料中，PPM掺量与混合料质量百分比大于0.3%时达到拐点，马歇尔稳定度提升比例146.6%，PPM与沥青胶结料质量比值为8.1%；在NovaChip级配混合料中，PPM掺量与混合料质量百分比大于0.4%时达到拐点，马歇尔稳定度提升比例132.5%，PPM与沥青胶结料质量比值为8.1%；在SMA级配混合料中，PPM掺量与混合料质量百分比大于0.5%时达到拐点，马歇尔稳定度提升比例102.2%，PPM与沥青胶结料质量比值为7.8%.当PPM与沥青胶结料质量比值大于8%时，继续增加PPM掺量对马歇尔稳定度提升幅较小，因此取PPM与沥青胶结料质量比值8%作为PMM最佳掺量.

4 路用性能测试

采用对比试验的方法，A组采用SBS改性沥青分别制备OGFC-10、SMA-10、NovaChip®Type-B级配的混合料；B组分别采用混合料质量0.3%、0.5%、0.4%掺量的PPM，分别加入到3种级配的沥青混合料中.分别成型马歇尔试件、车辙试件、小梁试件，成型后采用洒水降温并冷却至室温，然后进行肯塔堡分散、车辙试验、-10 ℃弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验.

4.1 力学强度图3、图4分别为A、B两组混合料马歇尔稳定度与肯塔堡飞散实验结果.PPM的加入增加沥青的粘度，马歇尔试件抗压能力提高；同时随着沥青胶结料粘度的提高，集料表面沥青膜的粘结力和抗剥落能力也随之提高.加入PPM后OGFC-10、SMA-10、NovaChip®Type-B 3种级配的混合料肯塔堡飞散损失分别下降73.1%、70.7%、65.7%.这说明PPM的加入可减少沥青路面在反复的交通荷载作用下集料脱落、掉粒、飞散.

图3 马歇尔稳定度试验结果

图4 肯塔堡飞散试验结果

4.2 高温低温性能图5、图6分别为A、B两组混合料车辙试验和低温弯曲试验的结果.加入最佳掺量的PMM后，3组沥青混合料的高温、低温性能均有所提升.其中OGFC-10、SMA-10、NovaChip®Type-B 3种级配的混合料的动稳定度分别提高45.9%、54.7%、48.6%.加入PPM后，3种级配的沥青混合料-10 ℃弯曲最大破坏应变也有所提高，其中SMA-10提高幅度最大，提升比例为17.1%.

图5 车辙试验结果

图6 低温弯曲试验结果

4.3 抗水损害性能图7、图8分别为A、B两组混合料残留稳定度试验和冻融劈裂试验的结果.OGFC-10不加入PMM时马歇尔稳定度较低，残留马歇尔稳定度不具有较好的代表性，加入PMM后残留马歇尔稳定度无明显提升，其冻融劈裂残留强度比提高4.4%；不加入PMM的SMA-10残留稳定度与冻融劈裂残留强度值均高于98%，因此在加入PMM后无明显提高.加入PMM后，NovaChip®Type-B的残留稳定度与冻融劈裂残留强度分别提高4.7%、3.7%.

图7 残留稳定度试验结果

图8 冻融劈裂试验结果

5 实验结果讨论与分析

当PPM加入到混合料之后，在高温下与熔融态的改性沥青融合.随着PPM掺量的提高，SBS改性沥青的粘度随之提高，从而提高混合料的马歇尔稳定度；当PPM与沥青质量比约为8%时达到最大值，此掺量为PPM的最佳掺量.反应性树脂材料对于OGFC-10沥青混合料的性能提升最为明显，这是因为其空隙率较大，透水性好，水和水泥反应所提供的Ca2+和碱性环境加速了反应性树脂材料的固化，从而使沥青混合料的物理力学性能得到增强.对于最佳PPM掺量的不同级配沥青混合料，马歇尔稳定度提升幅度开级配 > 半开级配 > 密集配.

掺加了PMM后的沥青混合料路用性能随之提升，3种级配的超薄磨耗层沥青混合料的力学强度和集料抗剥落能力、高温抗车辙能力均大幅提高；低温性能也有所提升，掺入PMM的SMA-10的低温抗裂能力可满足冬寒冷区公路路面使用要求；掺入PMM的OGFC-10、NovaChip®Type-B也可以满足冬寒区公路路面使用要求.加入PMM对于3种混合料的残留稳定度(比值)与冻融残留强度比的提升并不大，但是对混合料马歇尔稳定度、劈裂强度的绝对值提高较大，因而对混合料的抗水损害能力有提升效果.

6 结论

1)PMM的最佳掺量为沥青胶结料质量的8%，继续增加PMM掺量对沥青混合料力学性能增加幅度较小.

2)最佳掺量下PMM对沥青混合料力学性能的提升幅度开级配 > 半开级配 > 密集配，最佳掺量下开级配OGFC-10沥青混合料马歇尔稳定度提升146.6%、肯塔堡飞散值减少73.1%.

3)沥青胶结料含量较多的SMA-10级配沥青混合料低温变形能力提高幅度最大，提升比例17.1%，可满足冬寒冷区公路路面使用要求.

4)PMM加入到不同级配超薄磨耗层中后，有效提升混合料的高温抗车辙能力、低温变形能力、抗水损害性能，可以改善沥青混合料的路用性能及耐久性.