熱阻式含砂霧封層的開發與性能研究

郭偉業

(山西路橋集團試驗檢測中心有限公司 呂梁市 033000)

0 引言

瀝青路面因其良好的路用耐久性能被城市道路廣泛應用,但同時又受其自身的黏彈特質和黑色屬性,在夏季高溫天氣會快速吸熱,使路表溫度升高并聚積在表面層。路面結構經受高溫荷載綜合作用下,易產生車轍、泛油等病害[1-2]。國內外學者對此問題廣泛關注并提出眾多解決方案[3-5]。梁滿杰[6]利用熱反射原理開發了降溫彩色涂層,可有效降低路面溫度;宋憲發等[7]認為相對于密級配瀝青路面,大空隙排水路面在城市路表降溫方面可起到積極作用;胡力群等[8]開發了基于多孔水泥混凝土的保水降溫層路表結構;易軍艷等[9]開展了不同熱阻路面結構的高溫溫度場研究,對熱阻路面的適用性進行了分析。上述成果為降低夏季路面溫度的研究奠定了堅實的基礎,但均只針對新建道路,無法為已建道路提供借鑒經驗。基于此,文章提出將熱阻材料破碎制備含砂霧封層,并基于降溫效果和抗滑性能進行優化設計,開展基于熱阻式含砂霧封層的研究,以期減弱黑色路面吸熱效應,減少路面車轍病害的產生。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

(1)乳化瀝青

本研究選擇慢裂快凝型陽離子乳化瀝青作為制備含砂霧封層的基材,其技術指標見表1。

表1 乳化瀝青技術指標

(2)改性劑

由于霧封層在路表使用,直接經受車輛荷載作用和高低溫惡劣天氣的影響,對粘結性和抗滑性提出較高的要求。水性環氧改性乳化瀝青具備強度高、穩定性好及粘結性強等優勢,能夠滿足含砂霧封層的使用要求,故文章采用水性環氧樹脂對乳化瀝青進行改性后作為膠結料使用。技術指標見表2。

表2 環氧樹脂技術指標

(3)熱阻顆粒

試驗用熱阻材料為耐火碎石顆粒和陶粒,技術指標見表3。

表3 熱阻顆粒技術指標

1.2 試驗方案

研究耐火碎石顆粒和陶粒兩種集料在熱阻式含砂霧封層中的適用性和阻熱性能,研究了集料類型、粒徑、級配對含砂霧封層抗滑性的影響,提出含砂霧封層用阻熱顆粒建議指標,并與未噴灑霧封膠結料的空白試件進行性能對比。

1.3 試驗方法

1.3.1試件制備方法

(1)水性環氧乳化瀝青制備。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》要求,將環氧樹脂與固化劑攪拌均勻后加入到乳化瀝青中繼續攪拌15min。根據粘結性最優原則確定水性環氧樹脂與乳化瀝青的摻配比例為15:85。

(2)含砂霧封層的制備。將不同參數的阻熱材料與水性環氧乳化瀝青預拌均勻后攤鋪在車轍板上,采用刮刀等輔助工具將砂漿混合料攤鋪平整,將試件置于30℃鼓風箱內至表干后備用。其中,水性環氧乳化瀝青噴撒量為0.8kg/m2。

1.3.2阻熱效果測試

采用碘鎢燈作為試驗熱量傳遞裝置模擬光照條件,在車轍板底部安裝溫度傳感探頭測試熱量傳遞效果,試件周圍用隔溫泡沫包圍,記錄不同光照時間下車轍板底部溫度。

1.3.3抗滑試驗

采用加速磨耗試驗儀模擬霧封層鋪筑路面后車輛碾壓效果。儀器包含4只寬45mm聚氨酯輪胎,由電機提供動能帶動輪胎在試件上繞軸旋轉,轉動頻率為5000轉/h,計算得到線速度為84.78km/h,接近高等級公路的設計速度。試驗通過加載圓盤調整底部輪胎荷載,豎向荷載設置為標準荷載0.7MPa。測定磨耗軌跡上的BPN,根據一定磨耗次數下霧封層試件的BPN下降情況,評價各類型霧封層磨耗過程中的的抗滑性能,認為磨耗過程中BPN越大、BPN下降越緩慢,其抗滑性能越好。

2 試驗結果

2.1 阻熱材料對熱阻性能的影響

為研究阻熱材料的差異對含砂霧封層阻熱性能的影響,選擇耐火碎石顆粒和陶粒作為阻熱材料,進行阻熱效果試驗。不同類型路面底部隨光照時間溫度增長曲線如圖1所示。其中粒徑取0.6～1.18mm,摻量為0.5kg/m2。

圖1 不同路面類型隨光照時間溫度增長曲線

從圖1可知,在光照作用4h后,相對于普通SMA路面,熱阻式含砂霧封層試件底部溫度降低3℃左右,溫度隨光照時間曲線斜率也更低,說明熱阻式霧封層可有效降低瀝青路面溫度的聚積速率,而且隨著時間的延長,與普通路面的底部溫差越來越大,光照12h后,溫度差異達5℃左右。從圖1中可以看出兩種阻熱材料之間時溫曲線相差不大,由耐火碎石顆粒制備的熱阻式含砂霧封層路面底部溫度更低,說明耐火碎石顆粒熱阻路面比陶粒式熱阻路面降溫效果更好。

熱阻式含砂霧封層可以降低路面溫度的阻熱原理是改變瀝青混合料表面的熱物理特性,通過改變瀝青路面的表面特性來改變路面對光熱的響應,用導熱系數小的混合料接受光照,改變了路面結構整體接受的熱輻射,減少對熱輻射的吸收和對流,從而阻止熱量向下傳遞。延緩路表溫度向中面層、下面層傳遞,同時可使聚集于路表的熱量輻射到空氣中,起到降低整體瀝青路面溫度的作用,從而減少路面車轍的產生。

2.2 阻熱材料對抗滑性能的影響

由于路面灑布霧封層后減小了路面的構造深度和紋理結構,會導致面層抗滑性能嚴重降低,通常采用撒布細砂等抗滑顆粒形成抗滑霧封層,可有效提高路面抗滑性能。文章采用的阻熱顆粒可起到抗滑顆粒的作用,但應對抗滑顆粒的規格及參數等進行系統研究,確定其適用性,明確霧封層材料與抗滑顆粒粘結效果,防止阻熱顆粒在短期通車后被完全磨光的問題發生。

基于加速磨耗試驗,在霧封膠結料中分別摻加耐火碎石顆粒和陶粒,成型熱阻霧封層試件,研究阻熱顆粒類型對霧封層抗滑性能的影響,阻熱顆粒粒徑均取0.6～1.18mm,摻量為0.5kg/m2。不同路面類型隨磨耗次數BPN變化曲線如圖2所示。

圖2 不同路面類型隨磨耗次數BPN變化曲線

如圖2所示,不同熱阻式霧封層BPN的磨耗規律大體一致,均先迅速下降,之后隨磨耗次數增加而上下波動,最終呈平緩下降趨勢。兩種抗滑顆粒中,耐火碎石顆粒為瀝青路面提供的初始BPN最高,且該類型熱阻式霧封層試件在磨耗過程中BPN曲線位于陶粒熱阻霧封層曲線上方,表明在磨耗過程中BPN更大,磨耗10萬次后,2種試件BPN分別降低了32.5%、32.8%,耐火碎石顆粒試件降低比例較小,具有更優的抗滑性能。這是由于抗滑顆粒的棱角不一致,耐火碎石顆粒形狀多為立方體,棱角分明,表面粗糙且粒徑分布均勻,而陶粒多為球狀或橢球狀,表面較光滑,所提供的摩擦力有限。

2.3 顆粒級配對霧封層抗滑性能的影響

研究表明,由不同粒徑組成的混合級配能提供更大的摩阻力和嵌擠力,可以提供更優的抗滑耐磨效果。由上文可知采用單粒徑耐火碎石顆粒成型的熱阻式霧封層試件抗滑性能較好。因此,為提高耐火碎石顆粒作為阻熱顆粒時霧封層的抗滑耐久性能,擬采用0.3～0.6mm及0.6～1.18mm兩檔粒徑組合形成級配,研究熱阻式霧封層的抗滑耐久性能。本節基于加速磨耗試驗,通過改變不同粒徑耐火碎石顆粒所占配比,研究耐火碎石顆粒級配對霧封層試件性能的影響,擬采用的3種級配見表4。

表4 耐火碎石顆粒級配

成型試件時,先灑布霧封膠結料,并先后灑布粗、細粒徑的耐火碎石顆粒,總摻量為0.5kg/m2。不同級配下耐火碎石顆粒熱阻式霧封層隨磨耗次數BPN變化曲線如圖3所示。

圖3 耐火碎石顆粒熱阻式霧封層隨磨耗次數BPN變化曲線

由圖3可知,摻加級配2的耐火碎石顆粒所成型的阻熱霧封層試件,磨耗BPN曲線位于上方,相對于單一粒徑和其他兩種混合級配具有更優的抗滑性能。究其原因在于0.6～1.18mm粒徑的耐火碎石顆粒組成良好的骨架結構,少量的0.3～0.6mm粒徑的材料填充在骨架的空隙之中,提供了更大的內摩阻力。

3 結論

(1)研究了熱阻式含砂霧封層的阻熱原理和阻熱特性,耐火碎石顆粒和陶粒作為原材料的含砂霧封層可以有效降低瀝青路面溫度,最高可達4℃左右,從而能有效減少路面車轍現象,其中耐火碎石顆粒熱阻霧封層比陶粒式熱阻霧封層降溫效果更好。

(2)研究了熱阻式霧封層材料對抗滑性能的影響,結果表明,不同熱阻式霧封層BPN的磨耗規律大體一致,隨磨耗次數迅速下降后趨于穩定,耐火碎石顆粒熱阻霧封層比陶粒式熱阻霧封層抗滑性能略好。

(3)研究了顆粒級配對霧封層抗滑性能的影響,混合粒徑比單一粒徑霧封層抗滑性能更好。