有机硅对沥青路面渗水与抗滑性能影响研究

2020-12-21宋纯雪崔培德张登峰

建材世界 2020年6期

宋纯雪，崔培德，庞凌，谢君，张登峰

1.中交一航局第二工程有限公司，青岛 266000;2.武汉理工大学，武汉 430070)

截止到2019年底，全国公路总里程501.25万公里，比上年增加16.60万公里。沥青混凝土具有良好的高低温性能和行车舒适性，是我国公路主要的路面形式[1-3]。然而，沥青路面在服役的过程中受环境因素的综合作用，会产生一系列的病害。其中，道路在行车荷载和水分侵蚀共同作用时会出现严重的水损害，造成剥落、掉粒和坑洞等病害，严重影响行车安全性[4-6]。其主要原因是降水渗透到路面内部，使沥青与集料剥离。因此控制路面的渗透性能是预防水损害关键步骤[7-9]。

预防性养护封层材料具有一些普遍问题，如降低路面的耐久性、渗透性能不理想、抗水损害性能不佳和组成差异大等问题。有机硅材料以硅氧共价键为基本结构。由于此共价键键能很高，使其具有独特的结构，同时具备优异的防水抗油性能。由于防水性能和耐久性是路面的重要指标，所以有机硅材料具有应用于提高路面抗渗性能和抗水损害性能的潜力。该研究基于国内外在封层材料方面的研究成果以及有机硅的防水性能，探究有机硅材料的制备方法，并采用有机硅材料对沥青混合料面层进行处理，探究有机硅材料对路面渗透性能、水损害性能、构造深度和抗滑性能的影响规律，推动有机硅材料在道路工程中的应用。

1 原材料与试验方法

研究所采用的有机硅材料来自湖北环宇化工有限公司，其以硅氧共价键为主链，侧链含有甲基等非极性基团。由于水分子有较强的极性，因此有机硅材料的憎水性强。未使用时为液体，主要为低聚物。喷洒到路面上后，羟基脱水使其连接形成网络结构。

有机硅材料是高度交联的化合物。以硅氧键为主体，结构稳定，安全无毒。由于侧链基团的特殊结构使其同时具有耐高温的特性。有机硅材料的基本性能如表1所示。

为了验证有机硅材料对沥青路面渗水和抗滑性能的影响，研究选择玉林至湛江高速公路K32+397-K32+400段进行渗透性能、构造深度和抗滑性能试验。试验段上面层采用AC-13C矿料配合比，沥青采用SBS改性沥青。

表1 有机硅材料的基本性能

研究采用场发射扫描电镜测试了有机硅材料固化后的微观形貌特征，此外根据规范评估了有机硅材料的细度、黏度和抗渗压力等基本性能。路面渗水性能是评价沥青路面水稳定性的重要指标，研究按照JTG E20-2011中的T0730-2011对有机硅处理前后的路面进行渗水系数试验。

沥青路面要具有足够的构造深度，这对于行车安全性意义重大。研究按照JTG E20-2011中的T0731-2000对有机硅处理前后的路面进行构造深度试验。研究根据规范ASTM E303对路面的抗滑性能进行测试。测试前需要标定滑动长度，精确到(126±0.5)mm。测试时，首先将待测区域清理干净，洗去泥浆后洒水。按下释放开关，使摆锤在待测区域上滑过，指针即可指出摆值BPN结果。当摆锤回摆时用手接住，使滑块升高，让摆向右运动，使定位卡环进入释放开关，重复操作五次，取五次的平均值作为摆值结果。

2 有机硅材料路面处理效果研究

2.1 渗水系数

有机硅材料的用量设置为150 g/m2、200 g/m2、250 g/m2、300 g/m2。四种有机硅材料用量下的渗水系数试验结果如图1所示。从图中可以看出，尽管部分区域在使用有机硅材料前渗水系数大于100 mL/min，但在四种有机硅材料用量下，路面的渗水系数试验结果均满足规范中不大于100 mL/min的要求，分别为67 mL/min、87 mL/min、52 mL/min和50 mL/min。说明使用有机硅材料后，路面的渗水系数都明显减小，路面的抗渗透性能增强，从而提升了路面的抗水损害性能。此外，从图1中还可以看出，有机硅用量为250 g/m2和300 g/m2时，路面渗水系数的下降幅度比150 g/m2和200 g/m2时的下降幅度更加明显。这表明有机硅材料用量为250 g/m2时已经较为完全地封闭了路面结构中的联通孔，使得水分很难进入路面结构内部。当考虑路面的抗水损害性能和抗渗透性能时，此时的有机硅材料用量是较为理想的用量。

2.2 构造深度

四种有机硅用量的构造深度试验结果如图2所示。从构造深度的结果可以看出，使用有机硅材料前后，构造深度都满足规范中不小于0.55 mm的要求。但路面的构造深度结果整体呈现下降的趋势。喷洒有机硅前，路面的构造深度分别为0.75 mm、0.71 mm、0.81 mm和0.76 mm，而喷洒有机硅后路面的构造深度下降为0.69 mm、0.65 mm、0.59 mm和0.57 mm。这说明有机硅的使用对路面的纹理结构有一定的负面影响。当喷洒的有机硅在自然环境的作用下固化后，固体的有机硅材料填充在集料颗粒构成的表面波谷中，一定程度上填平了纹理中凹陷的部分，从而减小了表面的构造深度。且有机硅用量越多，构造深度的降低幅度就越明显。因此在使用有机硅材料提升抗水损害性能的同时，要兼顾沥青路面的构造深度，不能一味增加有机硅用量，使得构造深度不能满足规范要求。

2.3 抗滑性能

四种有机硅用量前后沥青路面的抗滑性能试验结果如图3所示。由图可知，四种有机硅用量前后沥青路面的抗滑性能BPN均满足规范中不小于45的要求，但使用有机硅材料后，抗滑性能呈现下降的趋势，有机硅材料对路面的抗滑性能有不利的影响。喷洒有机硅前，四种用量下的路面的BPN分别为72、72、75和83，而喷洒有机硅后路面的抗滑性能下降为53、52、52和48。当有机硅用量为150 g/m2、200 g/m2和250 g/m2时，BPN的测试结果均高于50。但有机硅材料用量为300 g/m2时，所对应的抗滑性能已经基本不能满足高速公路对抗滑性能的要求。究其原因，当有机硅用量过大时，固化后的有机硅不但填充在集料之间的空隙中，同时也将表面的集料进行了覆盖，使得道路表面的微观纹理和宏观纹理同时丧失，使得沥青路面的抗滑性能急剧下降。因此，在使用有机硅材料后，可考虑在路面上撒布一定量的碎石，从而提高道路表面的抗滑性能。同时，综合上述几种性能可以分析得到有机硅用量为250 g/m2时，能获得较为良好的服役性能。