有機硅對瀝青路面滲水抗滑性能的影響
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摘要：研究基于國內(nèi)外在封層材料方面的研究成果以及有機硅的防水性能，探究有機硅材料的制備方法，并采用有機硅材料對瀝青混合料面層進行處理，探究有機硅材料對路面性能的影響規(guī)律，推動有機硅材料在道路工程中的應(yīng)用。試驗結(jié)果表明有機硅以硅氧鍵為主體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全無毒。使用有機硅材料后，路面的滲水系數(shù)明顯減小，路面的抗?jié)B透性能增強，從而提升了路面的抗水損害性能。但使用有機硅材料后，路面構(gòu)造深度和抗滑性能呈現(xiàn)下降的趨勢。同時，綜合分析得到有機硅用量為250g／m2時，路面能獲得較為優(yōu)異的服役性能。
關(guān)鍵詞：有機硅材料；瀝青混合料；滲水系數(shù)；抗滑性能
截止到2019年底，全國公路總里程501．25萬公里，比上年增加16．60萬公里。瀝青混凝土具有良好的高低溫性能和行車舒適性，是我國公路主要的路面形式［1－3］。然而，瀝青路面在服役的過程中受環(huán)境因素的綜合作用，會產(chǎn)生一系列的病害。其中，道路在行車荷載和水分侵蝕共同作用時會出現(xiàn)嚴重的水損害，造成剝落、掉粒和坑洞等病害，嚴重影響行車安全性［4－6］。其主要原因是降水滲透到路面內(nèi)部，使瀝青與集料剝離。因此控制路面的滲透性能是預(yù)防水損害關(guān)鍵步驟［7－9］。預(yù)防性養(yǎng)護封層材料具有一些普遍問題，如降低路面的耐久性、滲透性能不理想、抗水損害性能不佳和組成差異大等問題。有機硅材料以硅氧共價鍵為基本結(jié)構(gòu)。由于此共價鍵鍵能很高，使其具有獨特的結(jié)構(gòu)，同時具備優(yōu)異的防水抗油性能。由于防水性能和耐久性是路面的重要指標，所以有機硅材料具有應(yīng)用于提高路面抗?jié)B性能和抗水損害性能的潛力。該研究基于國內(nèi)外在封層材料方面的研究成果以及有機硅的防水性能，探究有機硅材料的制備方法，并采用有機硅材料對瀝青混合料面層進行處理，探究有機硅材料對路面滲透性能、水損害性能、構(gòu)造深度和抗滑性能的影響規(guī)律，推動有機硅材料在道路工程中的應(yīng)用。
1原材料與試驗方法
研究所采用的有機硅材料來自湖北環(huán)宇化工有限公司，其以硅氧共價鍵為主鏈，側(cè)鏈含有甲基等非極性基團。由于水分子有較強的極性，因此有機硅材料的憎水性強。未使用時為液體，主要為低聚物。噴灑到路面上后，羥基脫水使其連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。有機硅材料是高度交聯(lián)的化合物。以硅氧鍵為主體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全無毒。由于側(cè)鏈基團的特殊結(jié)構(gòu)使其同時具有耐高溫的特性。有機硅材料的基本性能如表1所示。為了驗證有機硅材料對瀝青路面滲水和抗滑性能的影響，研究選擇玉林至湛江高速公路K32＋397－K32＋400段進行滲透性能、構(gòu)造深度和抗滑性能試驗。試驗段上面層采用表1有機硅材料的基本性能測試指標試驗結(jié)果試驗方法細度均相液體顯微鏡粘度／（mPa·S）24．9旋轉(zhuǎn)粘度計粘結(jié)強度／MPa0．42GB－T16777—1997抗?jié)B壓力／MPa1．3JC－T894—2001AC－13C礦料配合比，瀝青采用SBS改性瀝青。研究采用場發(fā)射掃描電鏡測試了有機硅材料固化后的微觀形貌特征，此外根據(jù)規(guī)范評估了有機硅材料的細度、黏度和抗?jié)B壓力等基本性能。路面滲水性能是評價瀝青路面水穩(wěn)定性的重要指標，研究按照JTGE20－2011中的T0730－2011對有機硅處理前后的路面進行滲水系數(shù)試驗。瀝青路面要具有足夠的構(gòu)造深度，這對于行車安全性意義重大。研究按照JTGE20－2011中的T0731－2000對有機硅處理前后的路面進行構(gòu)造深度試驗。研究根據(jù)規(guī)范ASTME303對路面的抗滑性能進行測試。測試前需要標定滑動長度，精確到（126±0．5）mm。測試時，首先將待測區(qū)域清理干凈，洗去泥漿后灑水。按下釋放開關(guān)，使擺錘在待測區(qū)域上滑過，指針即可指出擺值BPN結(jié)果。當(dāng)擺錘回擺時用手接住，使滑塊升高，讓擺向右運動，使定位卡環(huán)進入釋放開關(guān)，重復(fù)操作五次，取五次的平均值作為擺值結(jié)果。
2有機硅材料路面處理效果研究
2．1滲水系數(shù)
有機硅材料的用量設(shè)置為150g／m2、200g／m2、250g／m2、300g／m2。四種有機硅材料用量下的滲水系數(shù)試驗結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，盡管部分區(qū)域在使用有機硅材料前滲水系數(shù)大于100mL／min，但在四種有機硅材料用量下，路面的滲水系數(shù)試驗結(jié)果均滿足規(guī)范中不大于100mL／min的要求，分別為67mL／min、87mL／min、52mL／min和50mL／min。說明使用有機硅材料后，路面的滲水系數(shù)都明顯減小，路面的抗?jié)B透性能增強，從而提升了路面的抗水損害性能。此外，從圖1中還可以看出，有機硅用量為250g／m2和300g／m2時，路面滲水系數(shù)的下降幅度比150g／m2和200g／m2時的下降幅度更加明顯。這表明有機硅材料用量為250g／m2時已經(jīng)較為完全地封閉了路面結(jié)構(gòu)中的聯(lián)通孔，使得水分很難進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)考慮路面的抗水損害性能和抗?jié)B透性能時，此時的有機硅材料用量是較為理想的用量。
2．2構(gòu)造深度
四種有機硅用量的構(gòu)造深度試驗結(jié)果如圖2所示。從構(gòu)造深度的結(jié)果可以看出，使用有機硅材料前后，構(gòu)造深度都滿足規(guī)范中不小于0．55mm的要求。但路面的構(gòu)造深度結(jié)果整體呈現(xiàn)下降的趨勢。噴灑有機硅前，路面的構(gòu)造深度分別為0．75mm、0．71mm、0．81mm和0．76mm，而噴灑有機硅后路面的構(gòu)造深度下降為0．69mm、0．65mm、0．59mm和0．57mm。這說明有機硅的使用對路面的紋理結(jié)構(gòu)有一定的負面影響。當(dāng)噴灑的有機硅在自然環(huán)境的作用下固化后，固體的有機硅材料填充在集料顆粒構(gòu)成的表面波谷中，一定程度上填平了紋理中凹陷的部分，從而減小了表面的構(gòu)造深度。且有機硅用量越多，構(gòu)造深度的降低幅度就越明顯。因此在使用有機硅材料提升抗水損害性能的同時，要兼顧瀝青路面的構(gòu)造深度，不能一味增加有機硅用量，使得構(gòu)造深度不能滿足規(guī)范要求。
2．3抗滑性能
四種有機硅用量前后瀝青路面的抗滑性能試驗結(jié)果如圖3所示。由圖可知，四種有機硅用量前后瀝青路面的抗滑性能BPN均滿足規(guī)范中不小于45的要求，但使用有機硅材料后，抗滑性能呈現(xiàn)下降的趨勢，有機硅材料對路面的抗滑性能有不利的影響。噴灑有機硅前，四種用量下的路面的BPN分別為72、72、75和83，而噴灑有機硅后路面的抗滑性能下降為53、52、52和48。當(dāng)有機硅用量為150g／m2、200g／m2和250g／m2時，BPN的測試結(jié)果均高于50。但有機硅材料用量為300g／m2時，所對應(yīng)的抗滑性能已經(jīng)基本不能滿足高速公路對抗滑性能的要求。究其原因，當(dāng)有機硅用量過大時，固化后的有機硅不但填充在集料之間的空隙中，同時也將表面的集料進行了覆蓋，使得道路表面的微觀紋理和宏觀紋理同時喪失，使得瀝青路面的抗滑性能急劇下降。因此，在使用有機硅材料后，可考慮在路面上撒布一定量的碎石，從而提高道路表面的抗滑性能。同時，綜合上述幾種性能可以分析得到有機硅用量為250g／m2時，能獲得較為良好的服役性能。
3結(jié)論
通過對有機硅材料和鋪灑有機硅材料前后瀝青路面的性能研究，可以得到如下結(jié)論：a．有機硅材料是高度交聯(lián)的化合物。以硅氧鍵為主體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全無毒。由于側(cè)鏈基團的特殊結(jié)構(gòu)使其同時具有耐高溫的特性，表面的形貌均一、致密，具有改善瀝青路面滲水性能的潛力。b．使用有機硅材料后，路面的滲水系數(shù)明顯減小，路面的抗?jié)B透性能增強，從而提升了路面的抗水損害性能。有機硅材料用量為250g／m2時已經(jīng)較為完全地封閉了路面結(jié)構(gòu)中的聯(lián)通孔，使得水分很難進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。c．使用有機硅材料后，構(gòu)造深度結(jié)果整體呈現(xiàn)下降的趨勢。在使用有機硅材料提升抗水損害性能的同時，要兼顧瀝青路面的構(gòu)造深度，不能一味增加有機硅用量，使得構(gòu)造深度不能滿足規(guī)范要求。d．使用有機硅材料后，抗滑性能呈現(xiàn)下降的趨勢，有機硅材料對路面的抗滑性能有不利的影響。當(dāng)有機硅用量過大時，固化后的有機硅不但填充在集料之間的空隙中，同時也將表面的集料進行了覆蓋，使得道路表面的微觀紋理和宏觀紋理同時喪失。同時，綜合分析得到有機硅用量為250g／m2時，能獲得較為良好的服役性能。
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作者：宋純雪 崔培德 龐凌 謝君 張登峰 單位：中交一航局第二工程有限公司
