李秀君,高世柱,董力銘,王寧寧,徐德志

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093;2.上海勘察設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200093)

1 引 言

公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是為防止路面發(fā)生病害或防止病害進(jìn)一步加劇而采取的一種不改變路面結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)措施[1-2]。目前國內(nèi)外采用較多的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)有微表處、稀漿封層、超薄罩面等?，F(xiàn)行的養(yǎng)護(hù)技術(shù)主要采用瀝青、乳化瀝青等熱塑性材料,短期效果較好,但因熱塑性材料對外界溫度變化較為敏感,在水、溫度、荷載的綜合作用下,難以長期有效地保持路面抗滑和防水性能[3-7]。為彌補(bǔ)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的不足,已有學(xué)者[8-9]提出以熱固性水性環(huán)氧樹脂(water-borne epoxy resin,WER)、金剛砂和乳化瀝青為核心材料的嵌固抗滑表處技術(shù) (thermosetting inserting technology,TIT),但目前國內(nèi)外學(xué)者對其研究仍處于初始階段,對TIT 混合料耐久性的系統(tǒng)研究也尚未開展。由于TIT 混合料的特殊性,原規(guī)范中用來評價瀝青混合料的耐久性如水穩(wěn)定性、抗磨耗性、低溫穩(wěn)定性的試驗?zāi)芊裰苯犹子蒙形吹玫窖芯?但工程中又急需一套針對TIT 混合料耐久性的有效評價方法來優(yōu)化混合料設(shè)計和指導(dǎo)工程施工。

本研究根據(jù)TIT 技術(shù)的特點(diǎn)和工程中顯現(xiàn)的問題,針對瀝青混合料水穩(wěn)定性、抗磨耗性和低溫穩(wěn)定性,在現(xiàn)有相關(guān)性能評價試驗研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合TIT混合料的材料特點(diǎn),提出新的耐久性評價方法,并以此來研究水性環(huán)氧樹脂摻量對TIT 混合料耐久性的影響。

2 原材料性能及試驗方案設(shè)計

2.1 原材料

(1)乳化瀝青 乳化瀝青是TIT 混合料的主要粘結(jié)材料,本文選取的乳化瀝青性能如表1所示。

表1 乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of emulsified asphalt

(2)水性環(huán)氧樹脂體系(WER) WER 由A、B兩組分組成,其中A 組分為含有增韌劑、促進(jìn)劑等成分的水性環(huán)氧樹脂乳液,B組分為水性固化劑,兩組分技術(shù)指標(biāo)見表2。通過兩組分最佳配比試驗確定組分A、B的適配比例為3∶2,摻配后WER 固化物性能參數(shù)見表3。

表2 水性環(huán)氧樹脂各組分技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of each component of waterborne epoxy resin

表3 水性環(huán)氧樹脂固化物性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of waterborne epoxy resin curing

(3)抗滑集料 TIT 抗滑性能主要由細(xì)砂提供,本文選取表面尖銳、質(zhì)地堅硬、性能穩(wěn)定的金剛砂為集料,集料性能參數(shù)如表4所示。

表4 金剛砂性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of diamond

2.2 嵌固抗滑表處混合料配合比設(shè)計

(1)WER 摻量:本研究在國內(nèi)學(xué)者[10-12]研究WER 對乳化瀝青粘結(jié)性能影響的基礎(chǔ)上,確定WER摻量分別為0%、20%、30%、40%、50%。

(2)乳液用量確定:在確定乳液用量時,需從兩方面考慮,一方面需要提供良好的層間粘結(jié)效果,此部分由直剪試驗確定;另一方面需要與抗滑細(xì)砂形成良好的粘結(jié),此部分可先由浸潤試驗初步確定乳液用量,再通過輪碾試驗進(jìn)行調(diào)整。綜合兩方面的研究結(jié)果,統(tǒng)一確定乳液用量為27%。

(3)級配確定:嵌固抗滑表處厚度僅1～2 mm,級配的最大粒徑受限,本研究選取0.15～0.3、0.3～0.6和0.6～1.18 mm 三種單粒徑金剛砂進(jìn)行混合料級配設(shè)計,如圖1所示。其中C級配和D 級配為純金剛砂集料,E級配中加入一定量的礦粉作為對比試驗。因高抗滑性能是嵌固抗滑表處技術(shù)的特點(diǎn),故對不同級配混合料碾壓成型后的試件進(jìn)行擺式摩擦儀試驗,以擺值作為評價指標(biāo);試驗結(jié)果如表5所示,最終選定級配D 為最優(yōu)級配,以供下文研究。

表5 不同碾壓次數(shù)下各級配混合料試件的干擺值Table 5 Dry pendulum values of mixture specimensat different levels under different rolling times

圖1 級配曲線Fig.1 Gradation curves

2.3 試驗方案設(shè)計

本試驗對裹覆瀝青膜的載體顆粒進(jìn)行水煮預(yù)處理,用以模擬舊瀝青路面的表面形態(tài),使膠結(jié)料與載體顆粒的粘附界面更符合實際狀態(tài),操作與水煮法類似,易于操作。

2.3.1 水穩(wěn)定性試驗方案設(shè)計

(1)傳統(tǒng)水穩(wěn)定性評價試驗方案 本研究以規(guī)范JTGE 20-2011中評價冷拌材料水穩(wěn)定性試驗的三種試驗(瀝青與粗集料黏附性試驗(T0616),濕輪磨耗試驗(T0725)和配伍性等級試驗(T0758))為例,探究這三種試驗?zāi)芊裰苯佑糜谠u價TIT 混合料的水穩(wěn)定性。其中,濕輪磨耗試驗是以磨耗試件為載體,在其表面撒鋪嵌固抗滑表處層,測定磨耗損失值作為評價指標(biāo);配伍性等級試驗則將完全破乳后的混合料在60℃下壓制成試件,以試件經(jīng)水中旋轉(zhuǎn)磨耗和水煮后的質(zhì)量損失量作為指標(biāo)來評價混合料的水穩(wěn)定性能。

(2)新型水穩(wěn)定性評價試驗方案 根據(jù)WER的材料特性,結(jié)合黏附性及配伍性試驗,設(shè)計針對TIT 水穩(wěn)定性的評價試驗。以瀝青裹覆處理后的粗顆粒為載體,將TIT 混合料黏附其表面,并通過水煮試驗進(jìn)行水穩(wěn)定性分析。具體試驗步驟為:取粒徑為19～26.5 mm 且表面平整的粗顆粒,洗凈烘干后冷卻至室溫;將其置于135℃瀝青中,并放入135℃烘箱內(nèi)至瀝青不再滴落,然后取出冷卻至室溫;按規(guī)范(JTG E20-2011)中的水煮法對載體顆粒進(jìn)行預(yù)處理,使其較好地模擬舊瀝青路面。稱取質(zhì)量M1(g)的已處理載體顆粒置于膠結(jié)料(不同WER 含量的乳化瀝青)中1 min后取出,埋入細(xì)砂中得到裹砂顆粒,室溫下靜置24 h;將這些裹砂顆粒自由落體3次,去除表面浮砂后再稱取這些裹砂顆粒的質(zhì)量(M2(g));然后將這些裹砂顆粒水煮3 min,取出冷卻干燥后稱取其質(zhì)量為M3(g);最后計算混合料的損失率W(%),見式(1):

2.3.2 抗磨耗性能評價試驗方案設(shè)計 TIT 應(yīng)具有高抗滑性,因此本研究在負(fù)荷輪磨耗試驗的基礎(chǔ)上,分別以試件的質(zhì)量損失和抗滑損失來評價其抗磨耗性能。為避免載體的變形對試件平整度和外觀的影響,本文采用裹覆瀝青后的硬質(zhì)鋼板為載體成型試件。具體步驟為:將裹覆瀝青后的鋼板側(cè)立于135℃烘箱中,加熱使表面自由瀝青完全滴落,得到裹覆薄層瀝青的載體板;待載體板冷卻至室溫后在其表面涂刷一層膠結(jié)料乳液,然后在表面撒鋪適量細(xì)砂以完全覆蓋乳液,且使表面細(xì)砂不再被膠結(jié)料乳液浸潤為止;在60℃通風(fēng)烘箱中靜置養(yǎng)護(hù)6 h后置于室溫下冷卻,掃除表面浮沙;成型后的試件如圖2所示。在磨耗試驗中,由于嵌固抗滑表處試件撒鋪成型后初始密度較低,且前100 次碾壓后的細(xì)砂損失包括未被清除的浮砂和粘結(jié)不牢的細(xì)砂,因此本研究以碾壓100次后的試件質(zhì)量為基準(zhǔn)測定后續(xù)質(zhì)量損失?？够瑩p失由擺值試驗測定,根據(jù)規(guī)范(JTG 3450-2019)要求,擺值測定需對路面進(jìn)行濕潤處理,但在持續(xù)碾壓下,為防止測定過程中水分的影響,各階段均測定試件的干擺值作為評價指標(biāo),用以分析表面構(gòu)造的變化趨勢。

圖2 新型磨耗試件Fig.2 Picture of new wear specimen

2.3.3 低溫穩(wěn)定性能評價試驗方案設(shè)計由于TIT 所用膠結(jié)料中WER 摻量較高,而WER 的低溫脆性會降低瀝青延展性,因此對混合料低溫性能有一定影響[13]。本研究選擇新型磨耗試件,通過凍融試驗(T0729)來評價TIT 混合料的低溫穩(wěn)定性,但因潮濕情況對試件質(zhì)量損失測定結(jié)果影響較大,結(jié)合其對抗滑性能的高要求,本研究以凍融后試件表面性狀及凍融后試件經(jīng)1000 次輪碾后的濕擺值作為評價指標(biāo),用以標(biāo)評價TIT 混合料的低溫穩(wěn)定性。

3 結(jié)果及分析

3.1 水穩(wěn)定性評價試驗結(jié)果及分析

3.1.1 傳統(tǒng)水穩(wěn)定性評價試驗結(jié)果分析 因TIT混合料所用細(xì)砂粒徑較小,在裹覆膠結(jié)料時操作困難且試驗結(jié)果差異性大,故直接用瀝青與粗集料黏附性試驗(T 0616)難以對嵌固抗滑表處混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行合理評價。

(1)濕輪磨耗試驗。從磨耗試驗后的試件(圖3)可見,磨耗區(qū)域內(nèi)抗滑細(xì)砂幾乎被磨光,甚至載體試樣表面也磨損嚴(yán)重。主要原因是在磨耗試驗過程中,表面脫落的細(xì)砂不能及時排出磨耗區(qū),在橡膠磨耗頭的作用下試件表面加速磨光,造成磨耗值偏大,不能真實反映嵌固抗滑表處混合料的水穩(wěn)定性。

圖3 濕輪磨耗試件Fig.3 Picture of wear specimen of wet wheel

(2)配伍性等級試驗。不同WER 摻量下混合料試件的配伍性等級試驗結(jié)果如表6 所示,隨著WER摻量增加,混合料抗水損性能逐漸降低。其原因是由于混合料試件成型采用先破乳后壓制的方法,WER具有熱固性,導(dǎo)致膠結(jié)料隨WER 摻量的增加,熱固性越加明顯,完全破乳的膠結(jié)料已經(jīng)完成了固化,試件成型時會破壞熱固材料已經(jīng)形成的連接形式,導(dǎo)致膠結(jié)料之間不能形成有效粘結(jié),使得抗水損能力減低。因而此方法也不適用于TIT 混合料水穩(wěn)定性評價。

表6 嵌固抗滑表處混合料配伍性試驗檢測抗水損性能Table 5 Compatibility test of embedded anti-sliding surface mixture to test water loss performance

根據(jù)上述試驗結(jié)果,規(guī)范中的水煮法試驗(T0616)、濕輪磨耗試驗(T0752)和配伍性等級試驗(T0758)均不能直接用于嵌固抗滑表處混合料的水穩(wěn)定性評價,需結(jié)合TIT混合料的材料特性進(jìn)行試驗設(shè)計。

3.1.2 新型水穩(wěn)定性評價試驗結(jié)果分析水煮后裹砂試件形態(tài)如圖4所示,不同WER 摻量下載體顆粒表面金剛砂的黏附情況與水煮試驗后的剝落情況如圖5所示,其中黏附率為黏附的TIT 混合料的質(zhì)量占載體顆?？傎|(zhì)量的百分率;剝落率為剝落金剛砂占初始裹覆金剛砂的質(zhì)量百分率。

圖4 水煮后的裹砂試件樣貌Fig.4 Morphology of sand-coated specimens after boiling

圖5 不同WER 摻量下試件細(xì)砂黏附率和剝落率Fig.5 Adhesion rate and peeling rate of fine sand with different WER

由試驗結(jié)果可知,以TIT 混合料的質(zhì)量損失率(剝落率)為評價指標(biāo)可對其抗水損性能進(jìn)行定量評價。由圖5 可知,隨WER 摻量提高,黏附率不斷提高,剝落率逐漸降低,表明膠結(jié)料與集料具有更強(qiáng)的粘附作用,其原因之一是WER 固化與乳化瀝青破乳同時進(jìn)行,固化產(chǎn)物與瀝青相互纏繞交叉,使得膠結(jié)料體系中含有活性較大的羥基、環(huán)氧基等極性基團(tuán),易與金剛砂表面的硅羥鍵發(fā)生鍵合作用;同時,WER 中的極性基團(tuán)使瀝青表面的酸性力和集料表面的堿性力增強(qiáng),從而增加膠結(jié)料與金剛砂的黏附性[14-16]。其二,在WER 的作用下,隨WER 固化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸成型,膠結(jié)料薄膜的致密性增加,粘聚力顯著提高,對棱角剝落處的薄膜有加強(qiáng)作用,有效防止水分的侵蝕[10]。綜合WER 摻量對黏附率與剝落率的影響,就水穩(wěn)定性而言,建議WER 摻量不小于30%。

3.2 抗磨耗性評價試驗結(jié)果及分析

經(jīng)負(fù)荷輪碾磨后,不同WER 摻量下試件的質(zhì)量損失情況如圖6所示。

圖6 不同WER 摻量下試件的質(zhì)量損失情況Fig.6 Mass loss of specimens with different WER contents

經(jīng)過100次初始碾壓后,隨著碾壓次數(shù)增加,橡膠輪對細(xì)砂的黏附作用(見圖7)造成了試件細(xì)砂主要質(zhì)量損失。由表6可知,未摻入WER 時,隨輪碾次數(shù)的增加抗滑細(xì)砂損失較大,當(dāng)樹脂摻量增加到30%時,損失量趨于穩(wěn)定,表明在一定范圍內(nèi),增加WER 摻量會顯著改善膠結(jié)料對細(xì)砂的黏固作用。這是由于WER 一方面可以增加膠結(jié)料與金剛砂的黏附性,提供較強(qiáng)的裹覆效果,另一方面WER 可顯著增加膠結(jié)料的內(nèi)聚力,對金剛砂形成較好的黏固作用。

圖7 橡膠輪對細(xì)砂的黏附導(dǎo)致細(xì)砂主要的質(zhì)量損失Fig.7 Adhesion of rubber wheel to fine sand

不同WER 摻量下試件的干擺值與碾壓次數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同WER 摻量試件的擺值與碾壓次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between the pendulum value and the rolling times

由圖8可知,不同WER 摻量下試件擺值的差異主要體現(xiàn)在碾壓初期,當(dāng)碾壓次數(shù)小于100 時,隨著WER 摻量的增加,擺值的下降幅度逐漸減小,當(dāng)WER 摻量增加至40%以上,擺值甚至出現(xiàn)增長的情況。這是因為當(dāng)WER 摻量較低時,WER 體系在膠結(jié)料中呈分散相,各環(huán)氧團(tuán)聚物間距較大,不能相互鏈接形成理想的交聯(lián)結(jié)構(gòu)[17];因此,膠結(jié)料粘聚力和抵抗變形能力較差,在碾壓作用下金剛砂易被壓密重排(見圖9),且在擺式儀擺塊的摩擦沖擊下,表面脫落的金剛砂提供的滾動摩擦使擺值讀數(shù)降低;隨著WER 摻量增加,膠結(jié)料膠結(jié)力提高,金剛砂剝落減少,且凸出顆粒更趨穩(wěn)固,擺值反而出現(xiàn)一定程度的提高。

圖9 碾壓前后表面細(xì)砂排布狀態(tài)(10倍放大) (a)碾壓初期; (b)經(jīng)100次碾壓后Fig.9 Arrangement of fine sand on the surface before and after rolling(10 times enlarged) (a)initial state; (b)rolling 100 times

綜合質(zhì)量損失和擺值變化研究結(jié)果,就抗磨耗性而言,建議WER 摻量為30%～40%。

3.3 抗低溫性能評價試驗結(jié)果及分析

不同WER 摻量下凍融試件表面狀態(tài)如表7 所示。凍融前后各個經(jīng)1000次輪碾后試件的濕擺值如圖10所示。由凍融后試樣的表面形態(tài)可知,當(dāng)WER摻量較低時,試件表面容易起泡,在輪碾作用下易剝落,較高的WER 摻量下能夠避免試樣表面起泡,這是因為WER 的固化產(chǎn)物貫穿于乳化瀝青中,隨WER摻量提高,交聯(lián)網(wǎng)密度增大,固化產(chǎn)物對膠結(jié)料性能的影響就越明顯。因為WER 固化產(chǎn)物具有很好的溫度穩(wěn)定性,因此隨WER 摻量提高,膠結(jié)料的溫度敏感性降低,即在遭遇高低溫急劇變化時,具有良好的溫度穩(wěn)定性;當(dāng)WER 摻量較低時,膠結(jié)料溫度敏感性較高,將冷凍后的試件浸入熱水后表面薄層產(chǎn)生膨脹,從而降低表面的耐久性[17]。在1000次碾壓過程中,擺值大小受試件突起部分破壞和內(nèi)部膠結(jié)料性能的雙重影響而產(chǎn)生變化,隨著WER 摻量提高,膠結(jié)料內(nèi)部的內(nèi)聚力和剛性都增大,抵抗細(xì)砂脫落和抵抗變形能力增強(qiáng),使得試件經(jīng)凍融后仍具有較好的抗滑性能。綜合試驗結(jié)果,就抗低溫性能而言,建議WER 摻量不低于30%。

表7 凍融試件表面狀態(tài)Table 7 Surface state of freeze-thaw specimens

圖10 凍融試驗前后試件的擺值隨試件內(nèi)WER 摻量的變化Fig.10 Pendulum value of specimen before and after freeze-thaw test

4 結(jié) 論

在傳統(tǒng)混合料耐久性評價方法研究的基礎(chǔ)上,本研究提出一套針對TIT 混合料的新型評價試驗,并對不同WER 摻量下混合料的耐久性進(jìn)行研究,得到結(jié)論如下:

1.傳統(tǒng)的耐久性評價方法不能對嵌固抗滑表處混合料進(jìn)行有效評價。基于嵌固抗滑表處混合料的材料特性和性能要求,本研究設(shè)計的新型水穩(wěn)定性、抗磨耗性和低溫穩(wěn)定性評價試驗方法,均能對各性能進(jìn)行定性與定量評價,且試驗條件與實際契合度高、易于操作,可為TIT混合料耐久性評價體系的建立提供參考和借鑒。

2.WER 摻量對TIT 混合料水穩(wěn)定性、抗磨耗性和低溫性能均有較大影響,它主要通過影響膠結(jié)料黏附性、內(nèi)聚力和溫度敏感性使混合料的耐久性得到改善,且各性能均隨WER 摻量提高呈先快后緩的改善規(guī)律。根據(jù)混合料耐久性研究結(jié)果,建議WER 摻量不低于30%。