祁文洋， 趙建新

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

路面養(yǎng)護(hù)的目的是改善路面服務(wù)品質(zhì)、延長(zhǎng)路面使用壽命，以確保行車的安全性和舒適性。路面養(yǎng)護(hù)包括矯正性養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，矯正性養(yǎng)護(hù)用來(lái)恢復(fù)已損壞路面的使用性能；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是在路面產(chǎn)生明顯損壞之前進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而保障路面處于良好服務(wù)狀態(tài)。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)常用措施包括：微表處、銑刨再生、霧封層、薄層罩面、超薄磨耗層等。

超薄磨耗層預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)起源于法國(guó)，其耐久性良好，且費(fèi)用效益比較低，已在歐美地區(qū)廣泛應(yīng)用[1-2]。2003年，廣韶高速公路養(yǎng)護(hù)工程中采用了殼牌的NovaChip@超薄磨耗層技術(shù)，鋪裝厚度為1.5～2.5 cm，養(yǎng)護(hù)效果良好，自此超薄磨耗層技術(shù)開始在我國(guó)推廣應(yīng)用[3]。超薄磨耗層用于城市道路路面養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于受原道路設(shè)施的限制，需減薄罩面厚度。據(jù)此產(chǎn)生了厚度0.8～1.2 cm的超薄磨耗層，稱之為“微罩面”[4-5]。鋪裝體系的耐久性取決于其受力特點(diǎn)以及材料自身的黏結(jié)性。然而，目前關(guān)于微罩面的研究尚缺乏，未見相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，某些微罩面工程初期損壞嚴(yán)重。

本文提出了一種適用于城市道路養(yǎng)護(hù)的高性能瀝青微罩面鋪裝體系(HPMA)的設(shè)計(jì)與施工方法，包括：微罩面及層間黏結(jié)材料的組成設(shè)計(jì)方法、制備工藝、技術(shù)要求以及施工關(guān)鍵參數(shù)等。通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)及試驗(yàn)路的鋪筑，驗(yàn)證了HPMA的優(yōu)異性能。

1 微罩面材料設(shè)計(jì)

1.1 高性能瀝青制備

HPMA專用高性能瀝青研發(fā)的原則為：在SBS改性瀝青性能基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)黏聚性能。因此，通過(guò)增加SBS摻量，并加入增黏劑，提高瀝青黏度及柔韌性；通過(guò)加入輕質(zhì)油，改善SBS在瀝青中的溶解性，同時(shí)提高瀝青的延展性。最終確定高性能瀝青中改性劑成分包括：線型SBS、增黏劑及穩(wěn)定劑，同時(shí)加入一定比例的瀝青專用輕質(zhì)油。高性能瀝青技術(shù)要求列于表1。

高性能瀝青試驗(yàn)室內(nèi)的制備工藝為：將基質(zhì)瀝青置于高速剪切機(jī)中，加熱至170 ℃，此時(shí)添加輕質(zhì)油，以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行剪切；瀝青溫度為180 ℃時(shí)，添加SBS，以2 500 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行剪切；至220 ℃時(shí)，添加增黏劑及穩(wěn)定劑，以4500 r/min的轉(zhuǎn)速剪切6 h，取少量樣品進(jìn)行熒光顯微鏡觀測(cè)，若觀測(cè)到SBS分布均勻，則制得高性能瀝青。在工廠中的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

表1 高性能瀝青技術(shù)要求試驗(yàn)項(xiàng)目針入度(25 ℃,100 g , 5 s)/0.1 mm針入度指數(shù)PI 延度(5 ℃,5cm)/min ,cm軟化點(diǎn)TR&B/℃閃點(diǎn)/℃溶解度/%存儲(chǔ)穩(wěn)定性(163 ℃,48 h,軟化點(diǎn)差)/℃彈性恢復(fù)25 ℃/%RTFOT殘留物(163 ℃,85 min)質(zhì)量變化/%延度5 ℃,5cm/min針入度比/%60 ℃動(dòng)力黏度/(Pa·s)技術(shù)要求30～50≥0.0≥20≥85≥230≥99≤2.5≥95±0.8≥15≥70≥100 000

圖1 高性能瀝青生產(chǎn)工藝

1.2 層間乳化瀝青制備

HPMA與原路面間的黏結(jié)層采用SBR改性乳化瀝青，其組成包括：基質(zhì)瀝青、水、鹽酸、陽(yáng)離子活性劑、助劑和穩(wěn)定劑，其中SBR的摻量為1.5%(外摻)。SBR改性乳化瀝青的制備工藝為：先將SBR改性劑與基質(zhì)瀝青通過(guò)高速剪切機(jī)制備出SBR改性瀝青，然后將SBR改性瀝青加熱到175 ℃，添加皂液(水、乳化劑、助劑、穩(wěn)定劑)，繼而剪切制得乳化的SBR改性瀝青。

為確保SBR改性乳化瀝青可快速滲入原路面中，以快速充分地發(fā)揮其防水黏結(jié)效果，通過(guò)添加助劑、適當(dāng)延長(zhǎng)剪切攪拌時(shí)間等方式，增強(qiáng)活性劑對(duì)瀝青的分散能力，使乳化粒子微滴平均粒徑小于3 μm、粒徑小于5 μm含量不低于90%，且分布均勻。制得的SBR改性乳化瀝青微觀相態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其技術(shù)要求見表2。

圖2 乳化瀝青微觀相態(tài)結(jié)構(gòu)(200倍透光顯微鏡)

表2 SBR改性乳化瀝青技術(shù)要求試驗(yàn)項(xiàng)目篩上殘留物(1.18 mm篩)/%粒子電荷恩格拉黏度(50 ℃)蒸發(fā)殘留物殘留分含量/%針入度(25 ℃)/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃延度(5 ℃)/cm溶解度/%技術(shù)要求≤0.1陽(yáng)離子(+)1～10≥6060～100≥60≥20≥97.5

1.3 混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

HPMA的設(shè)計(jì)鋪裝厚度為1 cm，為保障材料均勻性，集料公稱最大粒徑為4.75 mm，采用0～3 mm、3～5 mm玄武巖集料及石灰石礦粉配制。HPMA混合料設(shè)計(jì)級(jí)配組成見表3，同時(shí)表3中給出了HPMA級(jí)配的上、下限范圍，以便實(shí)際生產(chǎn)時(shí)有一定的調(diào)整空間。

表3 HPMA集料級(jí)配組成級(jí)配類型通過(guò)以下篩孔(mm)尺寸的百分率/%9.54.752.361.180.60.30.150.075目標(biāo)99.898.155.834.320.114.511.69.1上限100100654026171310下限9590402510855

設(shè)計(jì)需考慮以下因素：提高路面抗滑性能；有利于黏結(jié)層乳化瀝青水分的蒸發(fā)排出，避免層間水對(duì)層間黏結(jié)效果造成不利的影響。HPMA的設(shè)計(jì)空隙率為12%，按照傳統(tǒng)馬歇爾試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，最佳瀝青用量為6.5%。

2 微罩面材料性能評(píng)價(jià)

2.1 微罩面性能要求

在級(jí)配范圍內(nèi)調(diào)整HPMA級(jí)配曲線，制備不同批次的高性能瀝青及層間SBR改性乳化瀝青，然后進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)性能測(cè)試，取90%的保證率，得到混合料及層間黏結(jié)材料的技術(shù)指標(biāo)范圍?；诖?，提出HPMA技術(shù)指標(biāo)與性能要求如表4所示。

表4 HPMA性能技術(shù)指標(biāo)要求混合料性能層間黏結(jié)性能路表性能馬歇爾穩(wěn)定度/kN肯塔堡飛散損失率/%拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度(50 ℃)/MPa擺值BPN 構(gòu)造深度TD/mm≥7≤7≥0.06≥42≥0.55

2.2 鋪裝體系抗剪性能

采用日本旋回試驗(yàn)評(píng)價(jià)微罩面在路面結(jié)構(gòu)中的性能[5]。首先制備復(fù)合車轍試件，制作方法為： ①制作SMA-13車轍試件，作為基面；②在其上涂刷乳化瀝青黏結(jié)層； ③鋪設(shè)1 cm的微罩面混合料，形成復(fù)合式車轍試件。然后采用日本旋回車轍試驗(yàn)對(duì)復(fù)合車轍試件進(jìn)行測(cè)試，其中旋回式車轍試驗(yàn)可同時(shí)對(duì)試件施加豎向力、水平力，試驗(yàn)過(guò)程中記錄車轍深度與加載時(shí)間的關(guān)系，以車轍深度達(dá)5 mm時(shí)的加載時(shí)間為指標(biāo)。

采用基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、高性能瀝青制備微罩面，分別標(biāo)記為微罩面A、微罩面B和HPMA，3種鋪裝體系旋回車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖3，可以看出: 微罩面A的車轍變形速率最大，HPMA與微罩面B的變形速率差別不大；HPMA的加載時(shí)間為12.6 min，是微罩面A的3倍、微罩面B的1.3倍。上述試驗(yàn)結(jié)果表明研發(fā)的高性能瀝青可顯著提升微罩面的抗變形能力。

圖3 微罩面旋回車轍試驗(yàn)結(jié)果

分析可知高性能瀝青表現(xiàn)出高抗剪能力的主要原因如下：高性能瀝青中高含量的SBS相互連接成為空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增黏劑、穩(wěn)定劑和輕質(zhì)油起到改善SBS網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與瀝青之間相容性的作用，使SBS與瀝青的鉸鏈更為充分和緊密，形成以SBS為連續(xù)相、瀝青為分散相的穩(wěn)定瀝青體系，由此表現(xiàn)出高黏聚性；SBR改性乳化瀝青微粒尺寸較小，且分布均勻，具有良好的滲透性，進(jìn)而可充分發(fā)揮SBR改性瀝青的黏結(jié)效力。

3 微罩面鋪裝施工工藝

3.1 施工關(guān)鍵參數(shù)

混合料生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)前對(duì)拌和樓流量進(jìn)行標(biāo)定，應(yīng)結(jié)合拌和樓實(shí)際產(chǎn)量，確定每個(gè)冷料斗的生產(chǎn)轉(zhuǎn)速比以及熱料倉(cāng)的篩網(wǎng)配置。HPMA混合料的拌和過(guò)程控制溫度見表5。

表5 HPMA混合料拌和過(guò)程控制溫度℃瀝青預(yù)熱集料加熱拌和出廠貯存170～180180～190175～185降溫≤10

混合料鋪筑前應(yīng)灑布SBR改性乳化瀝青，灑布量為0.3～0.5 kg/m2，灑布30 min后，可進(jìn)行混合料的攤鋪與壓實(shí)。根據(jù)已有工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外相關(guān)薄層罩面的施工技術(shù)文獻(xiàn)資料，確定HPMA攤鋪與碾壓的施工參數(shù)：攤鋪機(jī)熨平板溫度為140 ℃～150 ℃，松鋪系數(shù)為1.2，攤鋪速度為3.5 m/min；采用9～12 t鋼輪壓路機(jī)，初壓溫度≥155℃，靜壓1～2遍，速度為2～3 km/h；復(fù)壓溫度≥110 ℃，靜壓3～4遍，速度為3～5 km/h；終壓靜壓1～2遍，速度為3～6 km/h。

3.2 試驗(yàn)路鋪筑與檢測(cè)

試驗(yàn)路位于上海市浦東蘭橋路，長(zhǎng)度100 m，寬度約6 m。HPMA采用安邁3000型間歇式拌和樓生產(chǎn)，熱料倉(cāng)篩網(wǎng)為4～6 mm、0～4 mm；冷料斗的轉(zhuǎn)速比分別為120%、80%。根據(jù)上述轉(zhuǎn)速比進(jìn)料，模擬正常產(chǎn)量生產(chǎn)，衡定后取各種熱倉(cāng)礦料進(jìn)行試拌，經(jīng)反復(fù)試拌調(diào)整，確定HPMA的生產(chǎn)配合比。

SBR乳化瀝青采用灑布車進(jìn)行灑布；攤鋪機(jī)型號(hào)為DYNAPAC F141C，采用9 t、12 t兩臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。攤鋪和壓實(shí)關(guān)鍵參數(shù)按照施工要求設(shè)定。于施工完成后的第2日對(duì)試驗(yàn)路進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表6。可見試驗(yàn)路各項(xiàng)性能均滿足要求，從而驗(yàn)證了HPMA施工關(guān)鍵參數(shù)取值的有效性。

表6 HPMA試驗(yàn)段檢測(cè)結(jié)果混合料性能層間黏結(jié)性能路表性能馬歇爾穩(wěn)定度/kN肯塔堡飛散損失率/%拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度(50 ℃)/MPa擺值BPN 構(gòu)造深度TD/mm12.12.50.107650.58

4 結(jié)論

1) 研發(fā)了一種高性能瀝青微罩面鋪裝體系，其中高性能瀝青采用基質(zhì)瀝青、輕質(zhì)油、SBS、穩(wěn)定劑及增黏劑制備；混合料設(shè)計(jì)空隙率為12%，公稱最大粒徑為4.5 mm；層間黏結(jié)材料為SBR改性乳化瀝青，SBR外摻為1.5%，乳化瀝青微滴直徑平均粒徑為3 μm。

2) 給出了高性能瀝青微罩面鋪裝體系的技術(shù)要求?；谛剀囖H試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋪裝體系具有優(yōu)異的抗剪切性能。分析鋪裝體系抗剪性能優(yōu)異的原因：高性能瀝青具有高黏聚性，SBR改性乳化瀝青具有高滲透性。

3) 提出了高性能瀝青微罩面鋪裝體系施工關(guān)鍵參數(shù)，包括微罩面混合料拌和過(guò)程溫度、拌和樓調(diào)整、攤鋪機(jī)及壓路機(jī)參數(shù)設(shè)定等。進(jìn)行了試驗(yàn)路的鋪筑與檢測(cè)，結(jié)果表明試驗(yàn)路性能良好，從而驗(yàn)證了鋪裝體系施工關(guān)鍵參數(shù)取值的合理性。

4) 需進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題：高性能微罩面混合料的溫拌技術(shù)研究，如何提升微罩面混合料的施工和易性，降低環(huán)境溫度對(duì)施工質(zhì)量的影響；評(píng)估微罩面在動(dòng)水壓力作用下的耐久性。