有機硅對瀝青路面滲水與抗滑性能影響研究

宋純雪，崔培德，龐 凌，謝 君，張登峰

1.中交一航局第二工程有限公司，青島 266000;2.武漢理工大學，武漢 430070)

截止到2019年底，全國公路總里程501.25萬公里，比上年增加16.60萬公里。瀝青混凝土具有良好的高低溫性能和行車舒適性，是我國公路主要的路面形式[1-3]。然而，瀝青路面在服役的過程中受環境因素的綜合作用，會產生一系列的病害。其中，道路在行車荷載和水分侵蝕共同作用時會出現嚴重的水損害，造成剝落、掉粒和坑洞等病害，嚴重影響行車安全性[4-6]。其主要原因是降水滲透到路面內部，使瀝青與集料剝離。因此控制路面的滲透性能是預防水損害關鍵步驟[7-9]。

預防性養護封層材料具有一些普遍問題，如降低路面的耐久性、滲透性能不理想、抗水損害性能不佳和組成差異大等問題。有機硅材料以硅氧共價鍵為基本結構。由于此共價鍵鍵能很高，使其具有獨特的結構，同時具備優異的防水抗油性能。由于防水性能和耐久性是路面的重要指標，所以有機硅材料具有應用于提高路面抗滲性能和抗水損害性能的潛力。該研究基于國內外在封層材料方面的研究成果以及有機硅的防水性能，探究有機硅材料的制備方法，并采用有機硅材料對瀝青混合料面層進行處理，探究有機硅材料對路面滲透性能、水損害性能、構造深度和抗滑性能的影響規律，推動有機硅材料在道路工程中的應用。

1 原材料與試驗方法

研究所采用的有機硅材料來自湖北環宇化工有限公司，其以硅氧共價鍵為主鏈，側鏈含有甲基等非極性基團。由于水分子有較強的極性，因此有機硅材料的憎水性強。未使用時為液體，主要為低聚物。噴灑到路面上后，羥基脫水使其連接形成網絡結構。

有機硅材料是高度交聯的化合物。以硅氧鍵為主體，結構穩定，安全無毒。由于側鏈基團的特殊結構使其同時具有耐高溫的特性。有機硅材料的基本性能如表1所示。

為了驗證有機硅材料對瀝青路面滲水和抗滑性能的影響，研究選擇玉林至湛江高速公路K32+397-K32+400段進行滲透性能、構造深度和抗滑性能試驗。試驗段上面層采用AC-13C礦料配合比，瀝青采用SBS改性瀝青。

表1 有機硅材料的基本性能

研究采用場發射掃描電鏡測試了有機硅材料固化后的微觀形貌特征，此外根據規范評估了有機硅材料的細度、黏度和抗滲壓力等基本性能。路面滲水性能是評價瀝青路面水穩定性的重要指標，研究按照JTG E20-2011中的T0730-2011對有機硅處理前后的路面進行滲水系數試驗。

瀝青路面要具有足夠的構造深度，這對于行車安全性意義重大。研究按照JTG E20-2011中的T0731-2000對有機硅處理前后的路面進行構造深度試驗。研究根據規范ASTM E303對路面的抗滑性能進行測試。測試前需要標定滑動長度，精確到(126±0.5)mm。測試時，首先將待測區域清理干凈，洗去泥漿后灑水。按下釋放開關，使擺錘在待測區域上滑過，指針即可指出擺值BPN結果。當擺錘回擺時用手接住，使滑塊升高，讓擺向右運動，使定位卡環進入釋放開關，重復操作五次，取五次的平均值作為擺值結果。

2 有機硅材料路面處理效果研究

2.1 滲水系數

有機硅材料的用量設置為150 g/m2、200 g/m2、250 g/m2、300 g/m2。四種有機硅材料用量下的滲水系數試驗結果如圖1所示。從圖中可以看出，盡管部分區域在使用有機硅材料前滲水系數大于100 mL/min，但在四種有機硅材料用量下，路面的滲水系數試驗結果均滿足規范中不大于100 mL/min的要求，分別為67 mL/min、87 mL/min、52 mL/min和50 mL/min。說明使用有機硅材料后，路面的滲水系數都明顯減小，路面的抗滲透性能增強，從而提升了路面的抗水損害性能。此外，從圖1中還可以看出，有機硅用量為250 g/m2和300 g/m2時，路面滲水系數的下降幅度比150 g/m2和200 g/m2時的下降幅度更加明顯。這表明有機硅材料用量為250 g/m2時已經較為完全地封閉了路面結構中的聯通孔，使得水分很難進入路面結構內部。當考慮路面的抗水損害性能和抗滲透性能時，此時的有機硅材料用量是較為理想的用量。

2.2 構造深度

四種有機硅用量的構造深度試驗結果如圖2所示。從構造深度的結果可以看出，使用有機硅材料前后，構造深度都滿足規范中不小于0.55 mm的要求。但路面的構造深度結果整體呈現下降的趨勢。噴灑有機硅前，路面的構造深度分別為0.75 mm、0.71 mm、0.81 mm和0.76 mm，而噴灑有機硅后路面的構造深度下降為0.69 mm、0.65 mm、0.59 mm和0.57 mm。這說明有機硅的使用對路面的紋理結構有一定的負面影響。當噴灑的有機硅在自然環境的作用下固化后，固體的有機硅材料填充在集料顆粒構成的表面波谷中，一定程度上填平了紋理中凹陷的部分，從而減小了表面的構造深度。且有機硅用量越多，構造深度的降低幅度就越明顯。因此在使用有機硅材料提升抗水損害性能的同時，要兼顧瀝青路面的構造深度，不能一味增加有機硅用量，使得構造深度不能滿足規范要求。

2.3 抗滑性能

四種有機硅用量前后瀝青路面的抗滑性能試驗結果如圖3所示。由圖可知，四種有機硅用量前后瀝青路面的抗滑性能BPN均滿足規范中不小于45的要求，但使用有機硅材料后，抗滑性能呈現下降的趨勢，有機硅材料對路面的抗滑性能有不利的影響。噴灑有機硅前，四種用量下的路面的BPN分別為72、72、75和83，而噴灑有機硅后路面的抗滑性能下降為53、52、52和48。當有機硅用量為150 g/m2、200 g/m2和250 g/m2時，BPN的測試結果均高于50。但有機硅材料用量為300 g/m2時，所對應的抗滑性能已經基本不能滿足高速公路對抗滑性能的要求。究其原因，當有機硅用量過大時，固化后的有機硅不但填充在集料之間的空隙中，同時也將表面的集料進行了覆蓋，使得道路表面的微觀紋理和宏觀紋理同時喪失，使得瀝青路面的抗滑性能急劇下降。因此，在使用有機硅材料后，可考慮在路面上撒布一定量的碎石，從而提高道路表面的抗滑性能。同時，綜合上述幾種性能可以分析得到有機硅用量為250 g/m2時，能獲得較為良好的服役性能。

3 結 論

通過對有機硅材料和鋪灑有機硅材料前后瀝青路面的性能研究，可以得到如下結論：

a.有機硅材料是高度交聯的化合物。以硅氧鍵為主體，結構穩定，安全無毒。由于側鏈基團的特殊結構使其同時具有耐高溫的特性，表面的形貌均一、致密，具有改善瀝青路面滲水性能的潛力。

b.使用有機硅材料后，路面的滲水系數明顯減小，路面的抗滲透性能增強，從而提升了路面的抗水損害性能。有機硅材料用量為250 g/m2時已經較為完全地封閉了路面結構中的聯通孔，使得水分很難進入路面結構內部。

c.使用有機硅材料后，構造深度結果整體呈現下降的趨勢。在使用有機硅材料提升抗水損害性能的同時，要兼顧瀝青路面的構造深度，不能一味增加有機硅用量，使得構造深度不能滿足規范要求。

d.使用有機硅材料后，抗滑性能呈現下降的趨勢，有機硅材料對路面的抗滑性能有不利的影響。當有機硅用量過大時，固化后的有機硅不但填充在集料之間的空隙中，同時也將表面的集料進行了覆蓋，使得道路表面的微觀紋理和宏觀紋理同時喪失。同時，綜合分析得到有機硅用量為250 g/m2時，能獲得較為良好的服役性能。