基于環氧復合瀝青極薄磨耗封層的室內性能分析

■江 建

（福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

現階段福建常用的路面表面處治措施包括霧封層技術、微表處技術、超薄磨耗層技術、碎石封層技術、纖維封層技術及開普封層技術等。 不同的表面處治措施也有不同的局限性，例如，微表處技術在我國運用較為廣泛，其可以有效地保護原瀝青路面并預防及處治瀝青路面早期病害，防止路面滲水及修補裂縫、車轍及坑槽，但其抗剝落能力不足，耐久性問題得不到解決。 近年來，一種新型霧封層技術——含砂霧封層作為養護材料得到了廣泛應用，該材料防治裂縫的能力相較原有材料有較大提升，但其缺點也比較明顯，表現在超薄表面抗水損害能力較差，且易因強度不足，磨耗損失較大導致其耐久性無法保證。 工程現場檢測及后期跟蹤發現，傳統的封層養護技術和材料在一定程度上實現了預防路面早期病害的目的，但大多預防性養護技術對提高路面抗滑性能效果有限，即便有所提高，在后期使用階段其抗滑性能也衰減很快。 針對以上難題，本文研究出一種適合福建省地域條件的耐久抗滑極薄磨耗封層技術——嵌固抗滑極薄磨耗封層來解決路面預防性養護傳統技術在路面使用過程中抗滑性、耐久性不足等問題。

1 研究綜述

美國在1999 年開展的一次針對路面養護的調查顯示，87.8%的州運輸管理機構編制了道路的預防性養護計劃并開始在路面上實施預防性養護技術，4.9%的州運輸管理機構開展制定PPM 計劃。20世紀90 年代末期，FHA（美國聯邦公路管理局）編制了一份介紹預防性養護的報告，該報告詳實的闡述了包含碎石封層、稀漿封層、超薄磨耗層等在內的11 種常見預防性養護措施。 同時期，美國密歇根州交通運輸部提出的預防性養護計劃里面包括了20 種預防性養護措施；21 世紀初，夏威夷交通運輸部發布了基于前文提及的預防性養護技術重新修訂的《路面預防性養護指南》，總結出了10 種切實可行的瀝青路面預防性養護方法。 南非、加拿大、日本、澳大利亞等國家也在20 世紀90 年代紛紛提出自己的預防性養護系統， 發展自己的罩面技術，隨著技術發展并不斷升級養護措施和方法。 總之，國外發達國家的預防性養護技術已較為成熟，預防性養護觀念深厚。 國內學者也對道路的預防性養護技術進行了相關研究。 張俊等[1]通過自行設計的以改進的剪切儀為基礎的試驗方法對稀漿封層路面層間粘結性能進行了實驗和評價，發現隨著溫度的升高，稀漿封層與瀝青碎石下面層之間黏結強度在減小；不同的路面層間處理措施對黏結強度均有明顯的影響；采用較大公稱粒徑的瀝青混合料，或者對路面做鑿毛處理均可有效提高層間黏結強度。 王朝輝等[2]認為養護適宜性是預防性養護的關鍵核心，并提出了預防性養護時段的概念及該時段的相應對策，有效改善了養護最佳時機和對策確定相對獨立等問題。

預防性養護技術因其適用條件不同，故其種類繁多。 其中封層技術是一種目前在國內應用廣泛，頗具代表性的高效低耗預防性養護措施。 就微表處、纖維封層等薄層養護技術來講，從表處的耐久性、抗滑性、行車舒適性等方面來看，并不能很好地滿足公路技術發展。 因此，需要更加耐久、更加抗滑，行車更加舒適的薄層養護技術。 基于此，本文主要通過室內試驗的方法研究嵌固抗滑極薄磨耗封層的持久抗滑性能、 層間粘結性能和抗剪性能、滲透加固性能、抗滲性能、耐久性能共5 項指標來綜合評價嵌固抗滑極薄磨耗封層的適用性。

2 室內機理分析及性能評價

2.1 持久抗滑性能

2.1.1 持久抗滑機理分析

嵌固抗滑極薄磨耗封層要實現的最大功能就是持久抗滑。 現有的封層、表處、罩面等預防性養護技術大多可以實現原有路面抗滑性能的明顯提升，但是抗滑性能的持久性通常難以得到保證。 封層技術中，抗滑性能的持久性主要取決于2 個方面的因素：骨料自身的耐磨性能和膠結料對骨料的牢固粘結能力。 （1）骨料自身耐磨性能對封層抗滑性能的影響分析。 骨料本身的耐磨性通常以磨光值、磨耗值和壓碎值來特征。 磨光值是評估路面微觀結構水平的指標，是反映抵抗輪胎磨光作用能力的指標。磨光值越高，越能維持粗骨料表面微觀結構的完整性。 磨耗值是表征骨料耐磨性的另一種性能指標，用于評估骨料對摩擦，沖擊和剪切的綜合作用的抵抗力。 較高的磨耗值表明骨料具有良好的抗沖擊性，使路表的集料可以長時間保持良好的棱角性，從而讓路面宏觀結構具有一定程度的耐久性，提供良好的雨天抗滑性能。 骨料的壓碎值是指骨料抵抗壓碎能力的指標。 路表長期受到輪胎摩擦，沖擊和碾壓的共同作用，會使整體的抗滑性能下降，為了能保持高水平的抗滑能力，要求骨料在輪胎的作用下沒有產生較大的磨耗和壓碎損失。 （2）膠結料對骨料的牢固粘結能力對封層抗滑性能的影響分析。封層能夠提高路面抗滑性能的前提是骨料的牢固鑲嵌，而傳統封層技術的主要病害就是通車一段時間后骨料發生脫落、松散，導致原路面裸露，抗滑性能再次下降。 因此，在封層技術的研究中，通常采用脫石率來表征骨料與膠結料的粘結能力。 脫石率的指標通常與骨料級配、膠結料的用量和膠結料的粘結性能有關。 基于環氧復合瀝青的嵌固抗滑極薄磨耗封層技術采用的是單一粒徑細集料作為骨料，其內摩擦角必然較小；同時作為路面封層，為防止泛油現象，膠結料用量也具有一定上限。 因此，為有效減少脫石率，需重點提高膠結料的粘結能力。

2.1.2 持久抗滑性能評價

本研究通過在室內成型的瀝青混凝土試塊上，采用不同種類和不同性能指標的骨料實施嵌固抗滑極薄磨耗封層，通過車轍試驗儀的碾壓模擬通車荷載歷史，然后檢測通車前后的擺式摩擦系數變化值， 來表征嵌固抗滑極薄磨耗封層的持久抗滑性能。 按上述試驗方法對玄武巖、花崗巖和石灰巖3種石料進行了對比測試，得到的測試結果如圖1 所示。同時對這3 種石料的壓碎值、洛杉磯磨耗值和磨光值進行了對比測試，得到的測試結果如表1 所示。

圖1 不同骨料對抗滑性能衰減過程的影響

表1 不同骨料的耐磨性能對比

從表1 中的測試結果可以得知，在3 種石料的對比中，玄武巖的壓碎值、洛杉磯磨耗值和磨光值測試結果均為最佳，表明其具有優異的堅固性和耐磨性；同樣，從圖1 中可以得知，采用玄武巖作為骨料的嵌固抗滑極薄磨耗封層在模擬通車前后的擺式摩擦系數衰減速度也最慢，該結果表明了骨料自身的堅固性和耐磨性對封層持久抗滑能力的顯著影響。 在采用花崗巖作為骨料的嵌固抗滑極薄磨耗封層中，也體現出了較好的抵抗抗滑系數衰減的能力，也印證了骨料堅固性和耐磨性對持久抗滑能力的重要性。 但其測試結果略差于玄武巖的測試結果，可能是由于花崗巖是酸性石料，與瀝青膠結料的黏附性相對較差導致的。

2.2 層間粘結性能

2.2.1 機理分析

以SBS 改性乳化瀝青為基體是本研究技術的核心， 關鍵在于通過引入高性能的水性環氧樹脂，開發了一種具有優異粘結性能的復合型膠結料。 環氧樹脂包含高活性環氧基、 羥基等各種能夠與瀝青、碎石等材料中的活性基團（尤其是某些表面活性高的基團）互相作用的極性基團，通過這些復雜的互相作用使膠結料和集料間產生很強的粘附性。另外， 環氧樹脂本身的固化作用就具有較大的剛度，可以進一步提高粘合強度。

2.2.2 性能評價

采用拉拔強度試驗和脫石率試驗2 種方法來評價嵌固抗滑極薄磨耗封層的層間粘結性能，由于試驗方法的特點，拉拔強度試驗是用來表征封層所用的膠結料與原路面材料層間粘結的強度，也是針對膠結料自身粘結能力的評價；而脫石率則是針對膠結料與骨料之間的粘結性能的重要表征手段。

（1）拉拔強度性能評價。 通過測試膠結料的拉拔強度來表征嵌固抗滑極薄磨耗封層的層間粘結性能。 選用不同環氧樹脂摻量的膠結料進行拉拔強度對比：①由RHJ3 制得的SBS 改性乳化瀝青（標為SBS 改性乳化瀝青RHJ3）； ②由水性環氧樹脂HY1 和固化劑GH2（標為水性環氧樹脂HY1/GH2）組成的環氧樹脂體系； ③使用SBS 改性乳化瀝青RHJ3， 水性環氧樹脂HY1 和水性環氧固化劑GH2復配形成復合型膠結料（標記為環氧/瀝青復合膠結料），通過控制水性環氧樹脂體系摻量分別是10%、25%和40%時來測定不同摻量膠結料的拉拔強度，結果如圖2 所示。 從圖2 可以看出：①只要少量添加環氧樹脂， 就可以很大程度地提高粘結效果，這說明了環氧樹脂可以顯著地提高膠結料的粘結強度。 這是因為環氧樹脂具有超強的粘結能力；②10%摻量時， 膠結料的粘結強度只有有限的提升，環氧樹脂摻量太少是造成這種情況產生的可能原因，摻量過少不能在膠結料中產生有效、均勻的網絡聯結；同時可以看出，隨著摻量達到25%，膠結料的拉拔力出現大幅提高，這是因為SBS 改性瀝青與足量的環氧樹脂互聯互插形成網絡連續相，此時可能存在一個摻量的閾值，因為圖中的結果顯示繼續提高摻量，粘結強度的提高速率在放緩。 通常情況下， 普通乳化瀝青和稀釋瀝青、SBR 改性乳化瀝青和熱噴SBS 改性瀝青都可以運用在路面封層技術中，其中后者較為少見，因為后者產生的黏結力小，容易造成早期病害如松散、骨料脫落等。 不同摻量環氧樹脂的拉拔試驗結果顯示（圖2），膠結料粘結力的提升是因為摻加了環氧樹脂，那么可以將環氧樹脂應用到抗滑磨耗封層技術中，以期使層間粘結強度得到提高?？紤]到25%摻量可能是一個粘結強度繼續提高的閾值，故此，將25%摻量作為后續試驗研究的基準。

圖2 不同摻量膠結料的拉拔強度對比

（2）脫石率評價。 脫石率的測試方法結合了以下2 種試驗方法：①Vialit 試驗（該試驗在國外是經典的表征脫石率的方法）；②對JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0660——瀝青與集料的低溫黏結性試驗規范中闡述的測試方法進行改進，將制作試件過程改造成模擬嵌固抗滑磨耗封層成型的方法，并將原來采用100 顆碎石進行試驗改成在試件上撒布一定的骨料。 在材料方面，同樣選用做拉拔試驗時的不同環氧樹脂摻量的膠結料進行脫石率對比，控制水性環氧樹脂體系的摻量與前文一致， 用骨料粒徑均為1～3 mm 的玄武巖碎石進行試驗。 測試溫度首先選擇－18℃進行測試，這是參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0660-2000 的要求，可是測試期間出現了：①由于過低的測試溫度使改性瀝青的黏結強度降低，瀝青碎石與鋼板大面積脫離、散落，且測試數據失真嚴重， 不能體現實際的黏結情況。（2）嵌固抗滑極薄磨耗封層現實的使用環境與該測試環境不同。 故本試驗選擇了較高的5℃、15℃、25℃和35℃等溫度進行試驗，以符合福建省當地的路面溫度變化范圍， 脫石率的測試結果圖3 所示。通過圖3 可以看出：①雖然膠結料的環氧樹脂摻量不同，但是脫石率試驗結果伴隨測試溫度的變化規律都是相同的：溫度升高，脫失率下降。 這表明在高溫條件下，膠結料和骨料的粘結更牢靠。 ②脫石率隨著水性環氧樹脂比例的增加呈現顯著下降的趨勢，這表明膠結料與骨料之間的粘結力隨著水性環氧樹脂的摻量的提高呈現大幅增長的規律，也說明相較于瀝青， 水性環氧樹脂的粘合性能明顯更強。隨著摻量的增加，復合型膠結料的整體粘結能力也在逐漸增強。 但是，根據前文的研究，這種增強也不是一致持續的，故將水性環氧樹脂的最終摻量定為25%。 ③隨著水性環氧樹脂摻量的增加，脫石率隨測試溫度的升高而降低的幅度減弱，這表明膠結料的溫度敏感性隨著水性環氧樹脂的摻入顯著降低。

圖3 不同摻量膠結料的脫石率對比

2.3 抗剪性能評價

2.3.1 試驗方法

在這項研究中，通過將不同摻量膠結料涂覆在瀝青混凝土試塊上，測試其抗剪強度。 剪切角度取α=40°，如圖4 所示。 粘結層的層間剪切應力τ=sin40°·F/S，F 為載荷，S 為橫截面積。選用不同環氧樹脂摻量的膠結料進行剪切試驗：①利用RHJ3 制備SBS 改性乳化瀝青（標記為SBS 改性乳化瀝青RHJ3）；②水性環氧樹脂HY1 和固化劑GH2 組成的環氧樹脂體系（標記為水性環氧樹脂HY1/GH2）； ③結合SBS 改性乳化瀝青RHJ3、水性環氧樹脂HY1、水性環氧固化劑GH2 共3 種成分配制成環氧/瀝青復合型膠結料，將水性環氧樹脂體系的摻量分別控制在10%，25%和40%。

圖4 剪切試驗示意圖

2.3.2 性能評價

不同摻量的膠結料的剪切強度、剪切模量和剪切功測試結果如圖5～7 所示。①層間結合料在剪切載荷下的強度極限稱為剪切強度。 從圖5 可以看出，隨著水性環氧樹脂摻入比例的增加，膠結料的剪切強度有著顯著提高。 當摻量為10%時，與SBS改性的乳化瀝青相比，膠結材料的剪切強度增加了11%。 隨著水性環氧樹脂摻量提高到25%時，強度增加到43%。 當繼續提高摻量時發現，層間剪切強度的增長變慢。 ②嵌固抗滑極薄磨耗封層的抵抗剪切變形的能力可以用剪切模量來評估。 從圖6 可以看出，膠結材料的剪切模量隨著水性環氧樹脂摻量的增加而增大，當摻量小于40%時，剪切模量幾乎呈現線性增長的趨勢。 該現象說明，瀝青基體可以與摻加到其內的環氧樹脂很好地相容； 不僅如此，摻加的環氧樹脂還能在瀝青基體內均勻、連續地散布從而產生改性增強的作用。 ③在剪切試驗時，峰值荷載情況下荷載和位移圍成的面積即是剪切功，剪切功可以用來表征一種材料自身抵抗開裂以及吸收應力的能力。 從圖7 可以看出，加入水性環氧樹脂后，剪切試驗測試時，剪切功先增大，當水性環氧樹脂的摻加量提高到25%時，剪切功增加到最大值，而后剪切功開始減小。 同SBS 改性乳化瀝青膠結料相比，剪切功提高了接近3 倍；而同純水性環氧樹脂膠結料相比，剪切功也提高了約2 倍。 同時，試驗結果也顯示，水性環氧樹脂的摻量并不是越高效果就越好，原因是盡管固化的環氧樹脂具有更高的強度，可是相較于瀝青類的材料，環氧樹脂的低應力環境中抵抗變形的能力較弱。 因此，將這2 種材料進行摻合，生成互相穿插、相互交融的連續網絡相時，就能夠產生出最大值的剪切功。 此外，試驗結果還能夠說明，添加具有適當含量的水性環氧樹脂的瀝青材料在一定程度上能有效抵抗剪切變形。

圖5 不同摻量膠結料的剪切強度對比

圖6 不同摻量膠結料的剪切模量對比

圖7 不同摻量膠結料的剪切功對比

2.4 滲透加固性能評價

2.4.1 試驗方法

本文通過考察膠結料對具有不同構造深度的被粘物的粘結強度來考察和評價膠結料的滲透加固效果。 一方面，不同環氧樹脂摻量膠結料的滲透性能和固化能力不同，使其與被粘物之間產生不同的粘結強度；另一方面，被粘物自身的構造深度也會影響膠結料的滲透效果，進而影響膠結料的粘結強度。

與拉拔強度測試類似，選用不同環氧樹脂摻量的膠結料進行拉拔強度對比： ①利用RHJ3 制備的SBS 改性乳化瀝青 （標記為SBS 改性乳化瀝青RHJ3）； ②水性環氧樹脂HY1 和固化劑GH2 組成的環氧樹脂體系（標記為水性環氧樹脂HY1/GH2）；③結合SBS 改性乳化瀝青RHJ3、 水性環氧樹脂HY1、 水性環氧固化劑GH2 共3 種成分配制成環氧/瀝青復合型膠結料，將水性環氧樹脂的摻量分別控制在10%，25%和40%。 另外，本文選用3 種具有不同構造深度的被粘界面進行測試：①新成型的混凝土試塊表面——代表具有相對較高構造深度的被粘物；②經過車輪碾壓后混凝土試塊表面——代表具有相對較低構造深度的被粘物；③利用切割鋸切開的混凝土試塊切割面——代表構造深度極低的被粘物。

2.4.2 滲透加固作用對拉拔強度的影響分析

不同環氧樹脂摻量的膠結料與不同被粘物的拉拔強度測試結果如圖8 所示，從圖中可以看出：在3 種不同構造深度的試塊的對比中， 試塊表面的構造深度越大，拉拔強度則越大。這表明被粘物的構造深度對拉拔強度有明顯影響，當被粘物構造深度大時，膠結料能夠較好地滲入到空隙中，可以增大其與被粘物之間的粘結面積，形成更大的粘結強度。

圖8 不同摻量膠結料與不同被粘物之間的拉拔強度

3 結論

（1）影響封層技術持久抗滑性能的主要因素包括骨料自身的耐磨性能和膠結料對骨料的牢固粘結能力；通過測試發現，采用具有較高壓碎值、洛杉磯磨耗值和磨光值的玄武巖當骨料的情況下，嵌固抗滑極薄磨耗封層的抗滑性能衰減速度較慢，體現出良好的持久抗滑能力，40 h 模擬通車碾壓后，擺式摩擦系數由76 BPN 衰減至66 BPN。 （2）經水性環氧樹脂改性的膠結料，可以使嵌固抗滑極薄磨耗封層的層間粘結性能和抗剪性能大幅度提升，通過拉拔強度、脫石率、剪切強度的測試很好地反映了嵌固抗滑極薄磨耗封層膠結料與原路面之間的粘結性能、與骨料之間的粘結性能、自身的抗剪性能都明顯優于傳統的封層膠結料。 其中，拉拔強度可提升3.15 倍，25℃脫石率可下降2.3%，剪切強度提高1.4 倍，剪切模量提高1.25 倍，剪切功提高2.9倍。（3）經水性環氧樹脂改性的膠結料，可以實現對原路面的良好滲透和原位固化，產生“錨固”效果而起到加固的作用，通過在具有不同構造深度的試件表面涂覆膠結料進行拉拔試驗，可以直觀地反映出嵌固抗滑極薄磨耗封層膠結料具有優異的滲透加固性能。