巖瀝青改性微表處路用性能評價

■黃 亮

（福建南平路橋養護工程有限公司，南平 353000）

目前，我國高速公路發展已經由大規模新建進入修建和養護并重的階段，有相當一部分瀝青路面結構雖然整體強度完好，但出現了多種表面功能性病害。對于這部分路面結構的養護維修，從減少對路面標高的影響與節約資源的角度出發，僅需對其表面功能進行恢復，而采用微表處養護技術是較為理想的方案。微表處作為道路養護技術的一種，通過采用專用機械設備將聚合物改性乳化瀝青、粗細集料、填料、水和添加劑等按照設計配比拌和成稀漿混合料攤鋪到原路面上，具有開放交通快、高抗滑、耐久性能等特點，目前已為一種重要的養護材料[1]。然而由于微表處在使用過程中出現了使用壽命較短、耐久性差等問題，從而限制了微表處的推廣應用。

隨著道路工程科學領域對微表處研究的逐漸深入，發現通過合理添加外摻劑（如玻璃纖維、鋼渣、環氧樹脂和天然瀝青等）[2]可以提升微表處的路用性能，使其更好地滿足大交通量和重載交通。因此，本文嘗試通過向微表處中添加巖瀝青以制備改性微表處混合料試件，進一步采用室內試驗評價比較不同改性微表處的路用性能，從而為福建地區微表處罩面材料中的合理應用提供技術參考。

1 原材料

1.1 集料及填料

試驗采用粒徑5～10mm粗集料、0～5mm細集料均為石灰巖，按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）測試集料的各項性能，均滿足《微表處和稀漿封層技術指南》的技術要求。填料采用礦粉和水泥，其中礦粉為磨細的石灰巖粉，水泥采用普通硅酸鹽P042.5水泥。根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）和《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2005）測試填料的技術性能，測試結果均滿足規范使用要求。

1.2 改性乳化瀝青

本研究所用SBR改性乳化瀝青，其技術性能見表1。

表1 SBR改性乳化瀝青技術指標

1.3 巖瀝青添加劑

巖瀝青中瀝青質含量高達40%，具有很強的浸潤性和對自由氧化基的高抵抗性，所以通過添加巖瀝青以期改善瀝青粘結料的粘結性能，增強微表處混合料的粘聚力。本研究所用巖瀝青技術指標如表2所示，巖瀝青的摻量范圍設置為0.5%、1%、1.5%和2%（占瀝青混合料的質量比例），按干法加入集料中進行拌和。

表2 巖瀝青性能試驗結果

2 微表處混合料組成設計

2.1 級配設計

我國規范中推薦微表處級配類型包括MS-2型和MS-3型。前者公稱最大粒徑為4.75mm，適用于中等交通量的高速公路，一、二級公路的罩面；后者公稱最大粒徑為9.5mm，適用于高速公路、一級公路的罩面和車轍填充。實體工程已經鋪筑的微表處多采用MS-3型級配，少數采用MS-2型級配，所以，結合實際工程本文依托于MS-3型級配進行研究，可使研究結果更有借鑒意義，根據規范要求[3]，設計的MS-3型級配曲線如圖 1所示，其中水泥摻量為2%。

圖1 微表處瀝青混合料MS-3型級配設計曲線

2.2 最佳瀝青用量確定

本研究設計了常規微表處以及巖瀝青摻量分別為0.5%、1%、1.5%和2%的巖瀝青改性微表處共5種瀝青混合料，瀝青的最佳用量是通過1h濕輪磨耗試驗及負荷輪黏附砂試驗共同確定，其中1h濕輪磨耗試驗的磨耗值用于確定微表處瀝青混合料的最小瀝青用量，負荷輪黏附砂試驗的黏附砂量用于控制微表處的最大瀝青用量[4]。確定各類微表處最佳瀝青用量的選擇范圍為5.5%～7.5%，不同瀝青用量下微表處瀝青混合料磨耗值和粘附量結果見表3、表 4以及圖2～圖6。

從圖2～圖6中可以看出，普通微表處的瀝青用量范圍在6.4%～7.4%，而摻加有巖瀝青后，微表處瀝青用量分別為 6.25%～7.1%（巖瀝青摻量 0.5%）、6.1%～6.9%（巖瀝青摻量1%）、6.0%～6.8%（巖瀝青摻量 1.5%）和 5.8%～6.6%（巖瀝青摻量2%）。可見巖瀝青加入后起到有一定的瀝青的作用，降低了瀝青用量。為便于比較，不同摻量的巖瀝青微表處最佳瀝青用量統一為6.5%。

表3 不同摻量巖瀝青改性微表處濕輪磨耗值（g/m2）

表 4 不同摻量巖瀝青改性微表處粘附砂量（g/m2）

圖2 普通微表處瀝青用量確定

圖3 巖瀝青摻量為0.5%的微表處瀝青用量確定

圖4 巖瀝青摻量為1.0%的微表處瀝青用量確定

圖5 巖瀝青摻量為1.5%的微表處瀝青用量確定

圖6 巖瀝青摻量為2.0%的微表處瀝青用量確定

4 路用性能測試

4.1 施工性能

微表處混合料施工性能包括施工可操作性及成型速度兩個方面，通常采用拌合試驗、粘聚力試驗來評價。微表處混合料是冷拌冷鋪的混合料，施工過程中呈稀漿狀態，攤鋪后稀漿混合料迅速固化成型以滿足開放交通的需要，這就要求微表處混合料必須有合理的可拌和時間，拌和試驗具體操作方法參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T0757-2011。微表處混合料的粘聚力是一項十分重要的指標，它反映了混合料的成型速度和開放交通時間，微表處混合料要求初凝時間30min粘聚力大于1.2Nm；固化開放交通時間60min粘聚力值大于2Nm，具體操作室內測試方法參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T0754-2011。

各混合料拌和試驗進行三次平行試驗，得到的平均拌和時間如圖7所示。從圖7中可以看出，當巖瀝青摻量不超過1.5%時，隨著巖瀝青摻量增加，微表處混合料的可拌合時間增加，但是達到2%之后微表處混合料的可拌合時間劇烈下降，甚至無法滿足規范要求的120s規定。分析其原因可能是因為巖瀝青表面的瀝青成分粒徑很小比表面積大，遇水之后會形成“油包水”狀態，但是當摻量是超過2%之后，過量的巖瀝青由于比表面積大，反而加速了改性乳化瀝青的破乳時間。從拌和試驗結果可以看出，使用巖瀝青作為微表處添加劑不要超過1.5%為宜。

圖7 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的拌和時間

從圖8中可以看出，巖瀝青摻量對30min黏聚力值和60min黏聚力值兩指標的影響趨勢是一致的，隨著巖瀝青摻量的增加，微表處混合料黏聚力值都表現出先增大后減小的趨勢，在1.5%摻量下粘聚力值最大。

圖8 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的粘聚力

4.2 抗車轍性能

微表處罩面車轍試驗所用試件為4cmAC-13+1cm微表處的結構，以模擬鋪設微表處后路面上層材料抵抗車轍的能力。成型試件過程中先在標準車轍試模中放置1cm厚的模板，然后裝填AC-13瀝青混合料，并壓實長、寬、高分別為30cm、30cm和4cm的試件。然后待AC-13瀝青混合料強度形成后，將AC-13瀝青混合料試件放置在標準車轍試模中，并在AC-13瀝青混合料表面鋪設1cm厚的微表處。最終將試件在烘箱中按60℃養生24h，取出放至室溫進行車轍試驗，每種混合料做3組平行試驗，結果見圖 9。

由圖 9可知：常規微表處中加入巖瀝青后，試件的動穩定度比傳統的微表處的動穩定度有所提高，尤其是摻量在0.5%以上時，對混合料抗車轍能力的提升十分明顯，動穩定度至增加了40%左右，說明利用巖瀝青微表處罩面后能顯著提高路面的高溫抗變形能力。同時，巖瀝青摻量在1%～2%間變化時，動穩定度值雖然表現出持續上升的趨勢，但增長幅度其實是相對緩慢的，所以從經濟性角度出發，也并非是摻量越大越好。

圖9 不同摻量巖瀝青微表處瀝青混合料的動穩定度

4.3 低溫抗裂性能

微表處作為路表面的薄層結構，其裂縫病害普遍存在，且通常是由降溫及溫度循環反復作用產生的溫縮裂縫。雖然微表處溫縮裂縫得到越來越多的關注，但目前還沒有形成標準的試驗方法對其低溫抗裂性能進行評價。

本研究通過SCB試驗評價巖瀝青摻量對微表處瀝青混合料低溫抗裂性能的作用，其試驗圖示見圖 10。支座間距離s=8cm，試驗在-10℃下進行，采用位移加載模式，速率為1mm/min。所用試件由標準馬歇爾試件切割而成的半圓試件，直徑D為10cm，厚度d為3cm。根據試驗過程測試得到的峰值荷載和相關幾何尺寸，按照公式（1）可計算試件的低溫破壞強度用于評價微表處混合料的低溫抗裂性能。

式（1）中，σ 為試件的破壞強度，MPa；P 為破壞時刻荷載，N；s為支座間距離，mm；d為試件厚度，mm。

瀝青混合料低溫彎曲試驗中每組進行三次平行試驗，試驗結果如表5所示。從表5中可以看出微表處中添加巖瀝青后對低溫抗裂性能會產生不利影響，添加量為0.5%時這種副作用尚不明顯，但當添加量大于1%時破壞強度已經損失了10%，且隨著摻量增加，低溫抗裂性能衰減幅度越大。

圖10 SCB試驗示意圖

表5 不同巖瀝青摻量SCB試驗結果比較

5 結論

本文基于濕輪磨耗試驗、負荷輪黏附砂試驗、拌合試驗、粘聚力試驗、罩面車轍試驗和半圓彎拉試驗對巖瀝青摻量在0%～2%范圍的巖瀝青改性微表處進行了室內測試與評價，得到以下結論：

（1）巖瀝青加入微表處可起到替代瀝青的作用，進而降低微表處混合料最佳瀝青用量，但是這種替代作用是有限的，并非等值替換。

（2）巖瀝青加入對微表處工作性能和抗車轍性能均能起到積極作用，但對微表處低溫抗裂性能會帶來不利影響，尤其是當摻量大于1%時低溫抗裂性能有明顯下降。

（3）結合福建地區道路服役低溫環境并不苛刻的情況和巖瀝青微表處自身性能特點，建議巖瀝青改性微表處在使用時摻量在1.5%以內。

[1]肖晶晶.微表處改性乳化瀝青及混合料性能研究[D].西安：長安大學，2007.

[2]高仲，劉曉琴.巖瀝青微表處應用技術研究[J].中外公路，2014，34（1）：294-297.

[3]JTGF40－2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[4]交通部公路科學研究院.微表處和稀漿封層技術指南[S].北京：人民交通出版社，2006.