強(qiáng)滲透性瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑的制備及性能分析

收稿日期：2023-10-11

作者簡介：郭沖（1980—），男，本科，工程師，從事工程管理工作。

摘要 霧封層是一種常用瀝青路面預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)，可延長瀝青路面使用壽命，作為霧封層材料，瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑的滲透性能是影響其實際應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。基于此，文章以自制乳化瀝青為基料，通過添加稀釋劑、改性劑和滲透劑，制備出強(qiáng)滲透性的瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑，通過試驗分析其性能測試，選取試驗路段評價施工前后路用性能。結(jié)果表明，該養(yǎng)護(hù)劑具有良好的黏度、黏附性，其中標(biāo)準(zhǔn)黏度16 s，能夠滿足施工要求；使用該養(yǎng)護(hù)劑施工后的霧封層具有高度滲透性，能防止水分進(jìn)入路面，有效提高路面防水性能；霧封層施工后滲水系數(shù)降低86.65%，抗滑擺值、構(gòu)造深度也有不同程度下降；鉆芯取樣試驗結(jié)果顯示養(yǎng)護(hù)劑滲透深度均值7.03 mm，達(dá)到最高等級霧封層材料性能要求，可有效恢復(fù)深處瀝青性能，延長路面使用壽命。

關(guān)鍵詞 公路工程；瀝青路面；養(yǎng)護(hù)劑；滲透性；路用性能

中圖分類號 U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0054-04

0 引言

瀝青路面具有施工方便、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在老化、開裂、疲勞、車轍等缺陷，影響路用性能。因此，定期進(jìn)行瀝青路面養(yǎng)護(hù)修復(fù)是保證公路質(zhì)量，延長路面使用壽命的重要措施[1]。目前，瀝青路面的養(yǎng)護(hù)方法主要有霧封層、薄層覆蓋、微表面、瀝青再生等，其中霧封層技術(shù)是一種簡便、經(jīng)濟(jì)、有效的養(yǎng)護(hù)方法，主要通過在路面表面噴灑一層特制的乳化瀝青養(yǎng)護(hù)劑，形成一層薄膜，可防止水分、空氣的侵入，延緩路面老化，提高路面的防水性、抗裂性和抗滑性。目前霧封層技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，取得了良好養(yǎng)護(hù)效果[2]。然而由于霧封層技術(shù)養(yǎng)護(hù)劑滲透性不足的問題，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)劑不能充分滲入路面，形成有效封閉層，養(yǎng)護(hù)效果不佳。因此，提高養(yǎng)護(hù)劑的滲透性是提高霧封層技術(shù)養(yǎng)護(hù)效果的關(guān)鍵。

1 研究背景

如何對瀝青路面進(jìn)行及時的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，抑制裂縫、車轍、坑槽等病害的進(jìn)一步惡化，防止路面發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，維持良好的路用性能，延長路面使用壽命的問題，得到了越來越多的關(guān)注。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是指在路面結(jié)構(gòu)沒有受到破壞前，根據(jù)路面不同類型的病害，對其進(jìn)行處理，以維持路面的正常使用狀態(tài)，延緩路面病害的發(fā)展，從而提高鋪裝層的使用性能[3]。常用的預(yù)防養(yǎng)護(hù)方法有：①封縫：用灑布封縫材料來阻止裂縫的擴(kuò)大，該養(yǎng)護(hù)方法是采用一種具有良好滲透性、延展性，且彈性模量較低的預(yù)養(yǎng)護(hù)密封材料，以達(dá)到維修的目的；②霧封：即在瀝青路面表層，噴灑浮化類瀝青，以改善其水密性，并對其細(xì)微裂縫進(jìn)行修補(bǔ)；③再生劑：再生劑是一種瀝青膠結(jié)料物質(zhì)，用于使已經(jīng)變得脆弱的瀝青膠凝材料的物理和化學(xué)性質(zhì)得到改善，通常含有一種油質(zhì)組分，可提高骨料和膠凝材料間的黏附力；④薄層罩面：為避免由于外部環(huán)境因素如水、氧、紫外光等而引起路面老化，一般采用含有細(xì)骨料的乳化瀝青對路面進(jìn)行罩面。對路面進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，既可以極大地提高路面的使用性能，延長路面使用壽命，又可以節(jié)約一定的人力、財力用于提升路面養(yǎng)護(hù)效率[4]，因此，瀝青路面的預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)受到了廣泛推廣。

目前，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念已在國內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，但仍有兩大問題阻礙著預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的推廣應(yīng)用。第一，很多業(yè)主與管理者對預(yù)防性維修的認(rèn)識還不夠深入；第二，預(yù)防性技術(shù)與材料的應(yīng)用相對落后，導(dǎo)致預(yù)養(yǎng)材料與道路類別不相適應(yīng)，如將適合于密級配瀝青路面的預(yù)養(yǎng)材料應(yīng)用到有排水性的瀝青路面上等問題時有發(fā)生[5]。因此，研究和發(fā)展瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料非常有必要。我國早期主要使用的是用于防止水分進(jìn)入路面的養(yǎng)護(hù)材料，然而傳統(tǒng)瀝青基和煤焦油基預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料存在防治時效性短、多數(shù)產(chǎn)品不適用于路面排水等缺陷。因此，該文對強(qiáng)滲透養(yǎng)護(hù)劑材料進(jìn)行了研究，這種材料與傳統(tǒng)基于瀝青基或煤焦油基產(chǎn)品相比，具有更好的滲透流動性、分散性、抗剝落性，并且可以在一定程度上提高路面的使用性能。

2 實驗方案

2.1 原材料

以自制CSS-lH型高性能乳化瀝青為基礎(chǔ)材料，通過添加不同的稀釋劑、改性劑、滲透劑和添加劑，制備強(qiáng)滲透性瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑，具體材料包括：

（1）乳化瀝青：自制CSS-lH型乳化瀝青，適合噴灑陽離子型。乳液粒度要求細(xì)小，不超過0.6 mm的篩上剩余量。

（2）稀釋劑：按照1∶1∶1比例用汽油、煤油、柴油配制而成。

（3）改性劑：選用SBR膠乳作為改性劑，屬于陽離子型，固含量為40%，能增強(qiáng)養(yǎng)護(hù)劑的韌性及延展性[6]。

（4）滲透劑：選用STJ-2型滲透劑，其具有濕潤作用，能降低養(yǎng)護(hù)劑表面張力，增強(qiáng)其對路面的親和力。

（5）水：飲用水，濾除雜質(zhì)，pH值控制在6～8。

（6）添加劑：其中成膜劑能促進(jìn)霧封層形成，穩(wěn)定劑、增黏劑能提高乳液均勻性、黏度。聚乙烯醇是一種常用成膜劑，其平均聚合度為1 700。抗老化劑能延緩乳化瀝青老化，選用的氧化鋅能抑制乳化瀝青中的氧化反應(yīng)[7]。

2.2 制備工藝

兩步制備工藝，先制高性能乳化瀝青，再制強(qiáng)滲透瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑。工藝流程見圖1。

（1）制備高性能乳化瀝青：先用稀釋劑將基質(zhì)瀝青稀釋到一定濃度，然后在一定的油溫、水溫下與乳化劑水溶液進(jìn)行機(jī)械剪切，形成水包油乳液。乳化時間、油水比會影響乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性，即乳液是否會發(fā)生分層、結(jié)皮或破乳。一般來說，乳化時間越短，油水比越小，儲存穩(wěn)定性越好。該文采用的乳化條件是：油溫120 ℃、水溫60 ℃、油水比5∶5、乳化時間5 min[8]。

（2）制備強(qiáng)滲透瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑：高性能乳化瀝青作為基材，加入適量改性劑、滲透劑、水、添加劑，以提高其性能；通過熱混合使各組分充分混合均勻，研磨乳化10 min，使乳液粒度更細(xì)小。

采用克拉瑪依90#重交瀝青作為基質(zhì)瀝青，復(fù)合乳化劑由A和B兩種乳化劑按3B∶lA的比例混合而成，其中A是無色黏稠液體，含40%有效成分；B是白色膏體，含70%有效成分。將A、B混合制成高性能乳化瀝青[9]。

3 滲透性能及影響因素

3.1 配比設(shè)計

為考察不同的原材料摻量對養(yǎng)護(hù)劑滲透性能的影響，確定最優(yōu)配比方案。采用正交試驗法，設(shè)計L9（34）的試驗方案，選取四個主要的影響因素，分別是稀釋劑量、改性劑摻量、滲透劑量和乳化劑量，每個因素有三個水平[10]，共有九個試驗組合。以滲透深度為評價指標(biāo)，通過鉆芯取樣多點(diǎn)多次測量，取均值，進(jìn)行極差分析得到各因素對指標(biāo)的影響程度及最佳水平，具體試驗設(shè)計及結(jié)果如表1所示。

養(yǎng)護(hù)劑的滲透性能與其黏度、顆粒細(xì)度有關(guān)，而黏度、顆粒細(xì)度又受稀釋劑量、改性劑摻量的影響。表1給出了不同因素的排序，其中稀釋劑量對滲透性能的影響最大，乳化劑量的影響最小。總體上黏度、顆粒細(xì)度越小，滲透性能越好。稀釋劑的作用是降低養(yǎng)護(hù)劑的黏度、顆粒細(xì)度，因此稀釋劑量越大，滲透性能越好。改性劑可改善養(yǎng)護(hù)劑的性能，但也會增加養(yǎng)護(hù)劑黏度，因此改性劑摻量越小，滲透性能越好。滲透劑可增加養(yǎng)護(hù)劑滲透性，但摻量很少，因此滲透劑量對滲透性能的影響不大。

3.2 影響因素分析

3.2.1 稀釋劑摻量

稀釋劑能切斷長分子鏈，使瀝青更均勻，黏度更低。經(jīng)稀釋劑作用后，瀝青乳化時更易分散，從而提高養(yǎng)護(hù)劑的滲透性能。通過滲透深度試驗測量不同的稀釋劑摻量對養(yǎng)護(hù)劑滲透深度的影響[11]，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可知：養(yǎng)護(hù)劑滲透深度隨著稀釋劑摻量的增加而增加，原因是稀釋劑攜帶瀝青小分子下滲基層，使材料滲透性提升。根據(jù)規(guī)范要求，以5 mm為滲透深度的目標(biāo)值，綜合考慮其他添加劑的影響及成本，確定稀釋劑的最佳摻量為4%，此時養(yǎng)護(hù)劑的平均滲透深度為4.8 mm，與目標(biāo)值相差不大。

3.2.2 改性劑摻量

SBR膠乳作為改性劑與乳化劑的電性匹配，能與瀝青發(fā)生交聯(lián)、鍵合作用[12]。通過滲透深度試驗測量不同的改性劑摻量對養(yǎng)護(hù)劑滲透深度的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：改性劑摻量越大，養(yǎng)護(hù)劑滲透深度越小，主要是因為改性劑會增加養(yǎng)護(hù)劑的黏度，使其滲透性變差。但改性劑摻量也不能太小，否則養(yǎng)護(hù)劑的性能會下降，無法有效裹覆松散骨料。根據(jù)規(guī)范要求，以5 mm為滲透深度目標(biāo)值，綜合考慮其他因素的影響及工程需求，確定改性劑的最佳摻量為16%，此時養(yǎng)護(hù)劑的平均滲透深度為4.9 mm，與目標(biāo)值相差不大。

3.2.3 滲透劑摻量

STJ-2型滲透劑為非離子型表面活性劑，具有濕潤作用。通過滲透深度試驗分析不同滲透劑摻量對養(yǎng)護(hù)劑滲透深度的影響，結(jié)果見圖4。

從圖4可知：滲透劑摻量對養(yǎng)護(hù)劑滲透性能的影響呈現(xiàn)先增后減趨勢，滲透劑摻量為2%時，養(yǎng)護(hù)劑滲透深度達(dá)最大值，為7.3 mm，滿足規(guī)范要求。其主要原因是滲透劑摻量過小時，其降低表面張力的效果不明顯，滲透劑摻量過大時，其乳化作用的效果突出，使養(yǎng)護(hù)劑黏度增加，滲透性能下降。因此，滲透劑最佳摻量為2%。

3.3 黏度和黏附性試驗

養(yǎng)護(hù)劑的黏度、黏附性須滿足要求，以保證養(yǎng)護(hù)劑能夠順利噴灑，牢固黏結(jié)。參照《瀝青乳化劑》（JTGE20—2011）的標(biāo)準(zhǔn)開展試驗，具體結(jié)果如下：

（1）黏度試驗：采用標(biāo)準(zhǔn)黏度計測量養(yǎng)護(hù)劑的標(biāo)準(zhǔn)黏度，符合快裂、中裂型乳化瀝青要求，養(yǎng)護(hù)劑黏度適中，可保證養(yǎng)護(hù)劑的流動性及黏結(jié)性。

（2）黏附性試驗：為檢測乳化瀝青、粗集料的黏附性能，進(jìn)行黏附性試驗：將集料涂上養(yǎng)護(hù)劑，放置24 h后，分別在微沸水、40 ℃水中浸泡一定時間，觀察養(yǎng)護(hù)劑膜是否完好。試驗結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)劑薄膜均未脫損，表明養(yǎng)護(hù)劑與集料黏附牢固，能有效防止水的侵蝕和溫度變化的影響。

4 路用性能

選取某試驗路段，驗證養(yǎng)護(hù)劑實際性能，對該路段施工前后的路面性能進(jìn)行對比試驗，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：施工后路面滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和抗滑擺值均有所下降，說明養(yǎng)護(hù)劑對路面的防水性、抗裂性和抗滑性有改善作用。其中，滲水系數(shù)下降幅度最大，達(dá)?86.64%；抗滑擺值下降幅度較小，僅為?9.80%；構(gòu)造深度的下降幅度為?15.27%。路面經(jīng)養(yǎng)護(hù)通車后7 d，每隔200 m鉆芯取樣，測試養(yǎng)護(hù)劑滲透深度，具體結(jié)果如表3所示。

由表3可知：養(yǎng)護(hù)劑平均滲透深度7.03 mm，遠(yuǎn)高于普通乳化瀝青，說明養(yǎng)護(hù)劑滲透能力很強(qiáng)，可用于路面補(bǔ)充新鮮瀝青。

5 結(jié)論

綜上所述，該文主要介紹了一種新型霧封層材料，即強(qiáng)滲透性瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑，該養(yǎng)護(hù)劑以高性能乳化瀝青為基礎(chǔ)材料，通過添加稀釋劑、改性劑、滲透劑等原材料，采用熱混合乳化工藝制備。主要結(jié)論如下：

（1）通過正交試驗分析原材料摻量對養(yǎng)護(hù)劑滲透性能的影響，確定最佳配比方案。

（2）通過黏度試驗和黏附性試驗，驗證養(yǎng)護(hù)劑的黏度、黏附性，結(jié)果表明養(yǎng)護(hù)劑的黏度適中，黏附性良好。

（3）為評價養(yǎng)護(hù)劑效果，對某試驗路段進(jìn)行路面性能測試。測試結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)劑能顯著提高路面的密封性，降低滲水系數(shù)，減少水的浸入。同時，養(yǎng)護(hù)劑對路面的抗滑擺值和構(gòu)造深度的影響較小，仍然達(dá)到評定標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，取芯試驗表明，養(yǎng)護(hù)劑能滲透到路面的7.03 mm處，達(dá)到霧封層性能要求，證明養(yǎng)護(hù)劑性能優(yōu)良。

（4）滲透性能是影響?zhàn)B護(hù)劑功能的關(guān)鍵因素，滲入路面深處才能有效恢復(fù)瀝青性能，實現(xiàn)預(yù)養(yǎng)護(hù)目的。

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