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乳液型胶结料超薄磨耗层技术研究现状

2020-09-22 03:05 作者:18新利体育 点击:

 

  首先对乳液型胶结料超薄磨耗层冷拌技术的范畴进行界定,之后对该类技术在国内外的取得的进展进行较系统的归纳总结。对制约该技术发展的因素进行讨论,从工程应用角度分析待解决的技术难点。最后对该技术的工程应用价值和发展前景进行分析。旨在通过对该类技术的总结分析,让更多研究人员能够了解和认识,在此基础上进一步研究,共同推动该技术的进步。

  超薄磨耗层技术,广泛应用于预防性养护领域,对路面病害的综合处治具有优异的效果。其技术发展经历了热拌、温拌两个阶段,在冷拌的应用研究方面也取得了一定的进展。

  冷拌技术,按胶结料种类可分为:溶剂型冷拌、聚合物溶液型冷拌、乳液型胶结料冷拌、反应性树脂型冷拌。目前的研究主要集中在聚合物溶液型冷拌(以SMC常温施工技术为代表)、乳液型胶结料(基千拌和型乳化沥青的一些技术)两类。

  本研究主要关注超薄磨耗层技术与乳液型胶结料技术的结合。目前市场上存在将微表处称作超薄磨耗层的概念混淆使用问题,因为前者的明显技术特征是厚度较薄(一般不超过1cm)、噪音较大,因此有必要对乳液型超薄磨耗层技术的范畴进行界定。

  乳液型胶结料超薄磨耗层技术,是一种乳液型胶结料技术与超薄磨耗层技术相结合的复合型技术,采用乳液型胶结料与矿料、少量活性填料拌和实现冷拌,通过强制拌和与机械摊铺形成一层较薄的结构层,具有半柔性、平整性好、无噪声等特点,可改善原路表的性能。其中:

  (1)乳液型胶结料,泛指具有良好路用性能的各种水性胶结料,乳化沥青、SBS改性乳化沥青、水性树脂改性乳化沥青等;

  (2)超薄磨耗层,是指铺筑厚度1.0~2.5cm的表面层,一般采用公称最大粒径9.5mm的集料,也可以采用4.75mm或13.2mm,采用密级配或开级配;

  (4)这种技术,不同于微表处、稀浆封层、碎石封层,表现在形成的结构层平整度好,不会产生噪声,不会产生石子脱落,可用千高等级公路;也不同于乳化沥青冷补料,后者主要用于小规模的修补,主要依靠人工摊铺;

  (5)这种技术,不同千乳化沥青改性水泥砂浆和混凝土,后者水泥用量占矿料总量的4%以上,呈现刚性特点。

  2000-2002年,法国OPTEL计划研究提出冷拌混合料不能按照热拌方法设计,提出室内试验应考虑冷拌料的敏感性和现场变化因素,RD28公路经受了恶劣条件(寒冷、细雨)的考验,证明了冷拌可以获得很好的使用性能,见文献[1]。

  2000年,英国SFBrown和DNeedham研究认为普通硅酸盐水泥和石灰有助千提高乳液与集料的粘附,而氯化钙没有这一作用,见文献[2]。

  4)其它工艺。判定方法:通过拌和后的裹覆效果进行判断,但该文并未说明哪种工艺更优异,见文献[3]。

  1)经过合理设计和充分养生,不加水泥冷拌料的间接抗拉模量与热拌相当,但孔隙较多;

  3)必须采用更高的压实标准,促使乳化沥青破乳、混合料变硬,见文献[4]。

  2012年,比利时和印度学者研究了半开级配冷拌料,水泥作为填料时在密度、稳定度、劈裂强度、流值等指标均优于消石灰和不加填料的冷拌料,见文献[5]。

  2014年,马来西亚学者认为,SMA-5冷拌在预防性养护中有很大应用价值,还肯定了水泥作为第二结合料对CMA早期性质起很大作用,见文献[6]。

  上世纪80年代、90年代,交通部阳离子乳化沥青课题协作组会同乳化剂生产厂家、乳化沥青设备制造厂、乳化沥青加工厂、稀浆封层设备制造厂、养护施工单位等共同进行了阳离子乳化沥青的行业性技术攻关,极大推动了阳离子乳化沥青在交通行业养护领域的推广和应用。其中,部公路院姜云焕研究员作为国内阳离子乳化沥青的开拓者,主持参与了“阳离子乳化沥青及其路用性能”、乳化沥青筑路技术”等项目,其专著[8]中提到的乳化剂选择、CEA混合料、彩色常温混合料磨耗层、改性稀浆封层、检测方法等方面的研究论述,至今仍有借鉴意义。

  2010年左右,安徽泰迪公司总经理李国涛联合合肥工业大学等单位,在国内较早提出使用固含量70%以上改性乳化沥青拌制冷拌料,并用于路面结构层、磨耗层铺筑和路面修补。

  2010年,河南高远提出了可用于处理桥头跳车的有机水硬性复合材料MOH。

  2013年,北京建筑大学开发了乳化型冷拌冷铺沥青混合料超薄磨耗层,并将其应用于内蒙古准兴重载高速公路,见文献[9]。

  2014年,恩施州公路管理局、恩施自治州恒通工贸有限公司、中国石化炼油销售有限公司对2条通车1a后的冷拌冷铺试验路的使用状况进行跟踪观测,初步验证了乳化沥青混合料的施工性能和路用性能。

  2017年,山东大山路桥工程有限公司总经理陈际江提出的分阶段法拌制常温沥青混合料工艺(简称多级拌和),获得专利授权,见文献[10]。

  2017年,华南理工大学教授虞将苗提出用高性能改性乳化沥青和吴旷怀教授偶联剂拌和冷拌料,其中:高性能改性乳化沥青采用不低于4%SBS,指标达到:软化点 80℃、25℃弹性恢复95%、拉拔强度 0.6MPa、60℃动力黏度30000Pa-s,见文献[11]。

  2017年,广州大学教授吴旷怀提出的半柔性路面采用冷拌料作多孔隙基体,灌注专用砂浆,见文献[12]。

  2017年,天津海泰获得了企业标准Q/HTHB008-2017《改性胶粉冷拌冷铺超薄磨耗层》,采用固含量60%的SBS改性乳化沥青,改性胶粉作为填料,见文献[13]。

  2018年,铁正检测科技有限公司提出“厚浆法冷拌料配比设计“理念,从提高冷拌料密实度、改善矿料表面沥青膜厚度角度开展研究。

  通过水性环氧树脂、水性聚氨酯等对乳化沥青进行改性,可拌制出综合性能优异的冷拌料,现已在桥面铺装、隧道路面等工程特殊部位进行应用。

  部公路院、重庆交通大学、长安大学、北京建筑大学、东南大学、河北工业大学、河南省大道路业有限公司、深圳海川新材料科技有限公司、长沙理工大学等单位均进行了大量的应用研究工作。

  2018年9月,国家标准《道路用水性环氧树脂乳化沥青混合料(征求意见稿)》面向社会征求见,其中提到的混合料类型有MS-2、MS-3、AC-10、AC-13。

  从降低生产温度,节能减排角度讲,沥青混合料铺装技术分为几个层级:热拌(HMA)、温拌(WMA)、半温拌(HWMA)、冷拌(CMA),尤以冷拌最为彻底,技术发展的最终目标。

  但不管是溶剂型冷拌、还是乳液型冷拌,在常温或低温加热情况下胶结料应具有较好流动性,确保混合料可在常温下拌制,而冷拌料使用后又需要快速恢复性能,以便开放交通。

  当采用造价很高的方案改善性能时,其适用范围会受到限制,最终影响其推广应用。

  现场拌和铺筑方式,目前国内有两种施工设备可用:1)微表车+专用摊铺箱,以西安好友公路养护工程有限公司为代表,有专利授权的摊铺箱改进技术;2)同步纤维磨耗封层车,中交西筑在微表处设备上的改进,增加了超粘乳化沥青粘层油系统和玻璃纤维添加模块。

  厂拌现场铺筑方式,薄层冷拌料的生产:厂拌设备取决于相关技术采取的拌和工艺,利用厂拌冷再生设备、改造稳定土拌和设备或者适合新拌和工艺的组合设备;现场摊铺,与薄层罩面的摊铺方式相同,建议首选徐工或维特根的喷洒型沥青混凝土摊铺机(实现粘层洒布和冷拌摊铺同步)。

  现场拌和铺筑方式,拌和摊铺速度快,冷拌料的开发主要是在微表处稀浆混合料基础上的优化改进,乳化体系改变不大。

  厂拌现场铺筑方式,冷拌料的研制,目前尚处于室内研究阶段,至少要解决三方面的问题:一是高性能改性乳化沥青需要专门研制,二是冷拌料铺筑后的性能需要快速提升,三是缺少基于优异性能的配合比设计方法构建。

  目前,配合比设计方法和标准的制定方面上还处于研究阶段,尚无成熟的理论和方法提出。

  目前尚无统一意见,以空隙率指标为例,存在8%-11%、7%-12%、5%-7.5%、3%-6%等差异很大的要求,需要对不同空隙率水平下的冷拌料性能进行系统研究。

  1 )第一种情况是配比相同,当冷拌料的拌和工艺、制件时的成型方式、试件的养生温度以及时间改变时可能会对试件的体积参数、路用性能产生较大影响;

  2 )第二种情况是不同研究中的配比设计时使用的材料不同,整个冷拌料体系稳定性受到沥青乳化体系、集料洁净程度、水泥品种等因素影响产生较大差异,表现出的材料性质差异性就会很大,其适用的试件成型及养生条件就会产生差异,这可能是对110,90,60,40℃养生温度、时间合理性存在不同看法的根本原因。

  综上,配比设计是为了确保技术目标或期望性能的实现。冷拌料性能提升后,需要设置更能体现相应技术水准的参数、指标、实现步骤和验证方法。

  现阶段,乳化沥青冷拌料的早期性能不如热拌,主要表现在:强度低、水稳定性不足;水分挥发后,孔隙多,其耐用性会受到影响。为提高冷拌料性能,主要采取了以下措施:

  中石化的杨闯等人介绍了厂拌型SBS改性乳化沥青,固含蜇65.5%,通过LB-10混合料性能试验表明其具有良好的高温性能和水稳定性,见文献[14]。

  墨西哥学者研究了聚醋酸乙烯酯(PVAc)在冷拌中的使用,改性后的冷拌料强度可提高31%,见文献[15]。

  笔者采用固含量72.0%乳化SBS改性沥青拌制E-SMA-10型冷拌料,成型后外观颜色接近HMA的黑色,且在稳定度、残留稳定度、动稳定度等性能指标上均优于等油石比、固含量63.0%乳化SBS改性沥青拌制、成型的冷拌料,这与矿料表面裹附沥青膜厚度有关。

  微表处和稀浆封层的矿料级配偏细,比AC-10还细,抵抗高温变形能力弱,在构建新磨耗层时需要采用新的级配类型,国内对LB-10、AC-10、NovaChipB、SMA-10、UTAC-10等进行了研究,其中的NovaChipB原用于排水路面,用于密实型冷拌料配比设计时空隙率较大,不适用。

  根据已检索到的文献,国内外均未研究冷拌级配与热拌级配存在哪些差异,对不同级配在薄层冷拌料中的差异研究也较少。

  英国学者研究了副产品UMU-A2作为胶凝材料与水泥的共同使用,冷拌料的水敏感性好于单掺水泥,见文献[16]。

  南通福伦利新材料有限公司提出一种适合现拌现用型冷拌料使用的快干脱水剂,可加快铺筑层强度提升,缩短开放交通时间,见文献[17]。

  笔者研究发现冷拌料中添加聚狻酸减水剂可以降低拌和用水,其对水泥和矿粉均有减水作用,因此其最佳掺戳应通过试拌确定,见文献[18]。

  沈阳市沈北新区路佳庆环保型沥青冷拌技术咨询中心,提出改性乳化沥青中添加光引发剂,拌制的混合料铺筑后可快速形成破乳,见文献[19]。

  RogerLundberg等人研究发现,瑞典北部气温-30-+30℃条件下,冷铺路使用15a后,路面中的沥青老化很低,且路况非常好,见文献[20]。乳化沥青冷再生基层长期性能的研究结果表明,重载交通下,其具有良好的路用性能,见文献[21]。

  目前,对冷拌技术的研究主要侧重于宏观性能的研究,对机理研究较少。在冷拌技术发展遇到瓶颈期的时间,冷拌技术的突破更迫切需要在机理上进行更深入的研究。

  (1)长安大学沙爱民、王振军、肖晶晶等人,多年研究水泥-乳化沥青复合材料,通过CT、SEM、IR、Zeta等下分析测试技术对复合材料的微观结构进行研究,见文献[22-23],得到了许多重要发现:

  1)随着乳化沥青用量的增大,混合料内部空隙尺寸有所减小,试件水平断面上的空隙总面积和平均单个空隙面积减小;水泥用量超过3%时,混合料的CT可视空隙率明显增大,且空隙中的大尺寸空隙比例增高;由千乳化沥青及水泥材料的相互作用,水泥乳化沥青混合料的内部空隙结构比传统热拌沥青混合料疏松;

  2)掺加3.0%水泥后,乳化沥青胶浆中光滑区域减小,凝胶体数量增加,胶浆结构致密性加强,水化产物与沥青以物理结合方式构成网状结构;混合料胶浆与集料界面距离缩小,界面区出现分层现象,存在致密结构区域,界面区微观结构得到改善;提出了水泥在乳化沥青混合料微观结构改善中的4个作用,即促进乳化沥青破乳、构成水化产物/沥青膜网状结构、弥补混合料内部缺陷以及提高沥青与集料粘附性。

  (2)大连理工大学欧阳剑课题组的许文,通过扫描电镜发现,高渗透乳化沥青可以减少胶浆内部孔隙,胶浆对集料的渗透包裹性得到加强,可以提高混合料强度,见文献[24]。

  2)可采用工厂化生产,配料更精确,质量更有保证,产量有保障,可实现规模化施工;

  国家对环保重视程度加大以后,将会有更多单位投入到冷拌冷铺技术的研究中来。目前,许多大型公路工程建设都在响应号召,倡导绿色施工、节能减排,这为冷拌技术的研究应用提供了良好的契机。

  本研究通过对乳液型胶结料超薄磨耗层技术进行范畴界定和技术难点进行梳理分析后发现,尽管面临很多难题,但仍有很多研究者在努力,提出了许多新的技术解决思路,总体趋势在向着最终实现工业化应用的方向前进。

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