彩色树脂抗滑薄层罩面技术在青海省中的应用

彩色树脂抗滑薄层罩面技术在青海省中的应用
王永维;李强;李桂琴;刘伟;李锋
【摘要】青海省气候复杂多变,环境严峻,紫外辐射强度高,普通环氧树脂胶料铺筑的薄层罩面经常发生早期病害.对此,文章通过对传统环氧树脂进行复合改性处理,并以最优掺量为基础对其耐紫外光老化长期性能进行了室内加速模拟和试验路铺筑,探究了合适的铺装施工工艺.试验结果表明:综合低温韧性、拉拔强度和抗紫外线老化性能,适宜的聚氨酯改性环氧树脂和E51环氧树脂的用量为1.5:1,碳黑的掺量为3％,短切纤维的掺量为1％,室内模拟长期抗紫外老化性能优良,采用彩色树脂薄层罩面技术能够显著提高路面的安全行驶质量.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2018(015)001
【总页数】5页(P15-18,22)
【关键词】道路工程;彩色树脂;薄层罩面;抗滑;改性
【作者】王永维;李强;李桂琴;刘伟;李锋
【作者单位】苏交科集团股份有限公司,江苏南京 211112;新型道路材料国家工程实验室,江苏南京 211112;苏交科集团股份有限公司,江苏南京 211112;新型道路材料国家工程实验室,江苏南京 211112;青海省收费公路管理处,青海西宁 810008;苏交科集团股份有限公司,江苏南京 211112;新型道路材料国家工程实验室,江苏南京 211112;苏交科集团股份有限公司,江苏南京 211112;新型道路材料国家工程实验室,江苏南京 211112
【正文语种】中文
【中图分类】U416.216
1 概述
彩色薄层罩面铺装是指通过胶结料、颜料以及矿料（或者骨料）按照一定的比例，采取合适的工艺过程使原有路面彩色化的技术。

目前路面彩色化的途径常常有以下几种：彩色沥青混合料类、乳化彩色沥青稀浆封层类、彩色水泥灌浆沥青混合料类和彩色路面防滑罩面。

彩色沥青混合料是指脱色沥青与各种颜色石料或树脂类胶结料、色料和添加剂等材料在特定的温度下拌合形成的具有一定强度和路用性能的新型沥青混凝土路面。

彩色稀浆封层采用适当级配的彩色碎石或浅色碎石、水、配以颜料及添加剂用改性乳化树脂作为粘结料，按照一定的比例拌和后，用稀浆封层机进行施工，摊铺厚度一般为4~6 mm。

彩色水泥灌浆沥青混凝土路面以大空隙沥青路面为母体，铺筑完
成后将水泥胶浆中掺入色料进行着色，然后将水泥胶浆通过机械灌入到母体路面中，经过养生后，即形成彩色灌浆沥青路面。

彩色防滑薄层罩面是用特殊的高分子树脂粘合剂（涂料）和各种粒径的骨料（碎石或陶瓷颗粒），以精确的数量涂覆于各种路面形成的一种新型路面。

相比较而言，彩色防滑罩面在铺设彩色路面时施工简单、颜色种类丰富、色牢度相对稳定、价格相对便宜，防滑作用突出，所以该类材料在国内外彩色路面的铺装中用量将越来越大［1-3］。

S103线西宁至甘禅口公路工程始于西宁市韵家口村团结桥路与付家寨路平交处，所属段落为北山国家地质森林公园旅游线路的一部分，由于其弯道过多，给行车安全带来了很大的潜在危险，尤其是生肖十二盘，连续的十二道弯道对行车安全提出了更高的要求。

彩色路面能够起到很好的安全警示和防滑作用，改变路面单一的非
黑即白的形式，同时彩色罩面提高了路面的抗滑系数，整体上提高了路面的安全系数。

本项目工程属于原路面加铺彩色沥青薄层罩面，原路面的面层结构为下面层（5 cm中粒式AC-16C）+上面层（4 cm细粒式AC-13C）。

考虑到青海省的气候特征和省道S103生肖十二盘的地势，必须对用于彩色防滑罩面的彩色胶结料进行改性处理，以便适应青海省的高寒以及强紫外线的气候条件［4-11］。

基于此，本文采用正交设计对彩色抗滑罩面所用的胶结料进行了改性
处理，选择适合青海省公路工程的胶结料，并对材料进行了试验路铺筑，探究了合适的铺装施工工艺，以期为青海省后续相似的工程实践提供理论支持和技术参考。

2 试验原材料及试验方法
2.1 试验主要原材料
复合环氧树脂（A组分）：由国产E51环氧树脂（环氧当量为0.537 moL/100 g）和聚氨酯改性环氧树脂（环氧值为0.25 moL/100 g）组成；环氧树脂固化剂（B
组分）：由两种A组分所对应的固化剂组成，分别为改性脂肪胺T系列固化剂和
低分子量聚酰胺固化剂；碳黑：比表面积为125~130 m2/g；短切玻璃纤维：直
径为10~15 μm的无碱玻璃纤维，长度为短切纤维3~5 mm。

2.2 试验方法
树脂复合材料的低温抗裂性根据在-30 ℃下的低温韧性来评价，常温下的韧性用哑铃状试件的断裂延伸率和断裂强度来评价，层间黏结强度利用拉拔强度评价。

抗紫外老化性能利用紫外老化前后断裂延伸率的衰减率进行评价，按照环氧树脂的环氧值和固化剂的胺值计算相对应环氧树脂和固化剂的掺配比例，在常温下首先称取计算过的复配环氧树脂A组分进行搅拌均匀，然后加入相对应的固化剂进行搅拌均匀，将制备好的复合环氧树脂导入哑铃状的试模中，进行轻微的震荡，赶走微气泡，按照试验规程养生并进行后续性能测试。

3 彩色抗滑薄层胶结料改性处理
3.1 正交设计思路
目前，常规用于彩色抗滑薄层罩面的胶结料主要为环氧树脂类材料，传统的环氧树脂类材料虽然有较强的拉拔强度，但是柔韧性较差，特别是应用在高寒地区，对抗滑薄层所用的胶结料的性能提出了新的要求，即必须具备良好的抗紫外线老化性能和低温抗裂性能等。

对此，课题组通过室内正交试验设计，探究了合适掺量的改性剂（碳黑以及短切玻璃纤维）的掺量以及合理原材料复配，以低温韧性、拉拔强度及抗紫外线老化性能（断裂延伸率衰减率）为考核指标，综合确定适用于青海高海拔地区的薄层抗滑罩面胶结料以及各改性材料的最佳掺量。

根据前期试验研究，选择3个不同碳黑掺量以及3个不同的短切纤维的掺量，选用L9（33）正交表，正交试验的3个因素以及3个水平如表1所示。

表1 复合环氧树脂正交试验因素水平脂）∶（E51环氧树脂）碳黑掺量/%短切玻
璃纤维掺量/%1 1∶1 1 0.5 2 1.5∶1 2 1 3 2∶1 3 1.5水平（聚氨酯改性环氧树3.2 试验结果分析
正交试验的结果如表2所示，其中一年期模拟紫外老化为根据青海省当地的紫外
线辐射情况，在室内通过紫外线老化箱来加速摸拟。

表2结果表明：影响环氧树脂复合材料低温韧性的主要因素是聚氨酯改性环氧树
脂与E51环氧树脂的掺配比例，复合环氧树脂中聚氨酯改性环氧树脂的掺量越大，低温韧性越好。

影响环氧树脂复合材料拉拔强度的主要因素是聚氨酯改性环氧树脂与E51环氧树脂的掺配比例，随着聚氨酯改性环氧树脂与E51环氧树脂掺配比例
的增大，环氧树脂复合材料的拉拔强度呈现出先减小后增大的趋势，掺量比例在1.5∶1时，环氧树脂复合材料的拉拔强度达到最优。

影响环氧树脂复合材料抗紫
外老化性能的主要因素是聚氨酯改性环氧树脂与E51环氧树脂掺配比例，其次是
碳黑掺量，可以看出碳黑的掺量越大，复合环氧树脂的抗紫外线老化性能越好。

综上所述，综合低温韧性、拉拔强度和抗紫外线老化性能，适宜的环氧树脂复合材
料的配合比，（聚氨酯改性环氧树脂）∶（E51环氧树脂）为1.5∶1，碳黑的掺量为3%，短切纤维的掺量为1%。

考虑到青海独特的环境和气候条件，对其抗紫外光老化的耐久性进行老化性能试验验证，试验结果如表3所示。

以衰减率（延伸率衰减率为主，断裂强度衰减率为辅）为评价指标，按照室外环境条件，采用室内加速摸拟3年内的抗紫外光老化性能。

表2 复合环氧树脂正交试验测定结果项目（聚氨酯改性环氧树脂）∶（E51环氧树脂）碳黑掺量/%短切玻璃纤维掺量/%低温韧性（断裂率/%）拉拔强度/MPa一年期模拟紫外老化断裂延伸率衰减率/%1 1∶1 1 0.5 35 3.20 14.7 2 1∶1 2 1 30 3.32 13.5 3 1∶1 3 1.5 40 3.20 12.3 4 1.5∶1 1 1 10 3.49 10.4 5 1.5∶1 2 1.5 10 3.33 8.9 6 1.5∶1 3 0.5 5 3.26 7.8 7 2∶1 1 1.5 10 2.38 13.4 8 2∶1 2 0.5 5 2.27 12.6 9 2∶1 3 1 5 3.0 11.4低温韧性（断裂率）拉拔强度/MPa k1 35 18.3 15 k2 8.3 15 15 k3 6.7 16.7 20 R 28.3 3.3 5 k1 3.24 3.02 2.91 k2 3.36 2.97 3.27 k3 2.55 3.15 2.97 R 0.81 0.18 0.36一年期模拟紫外老化断裂延伸率衰减率/%k1 13.5 12.83 11.7 k2 9.03 11.67 11.77 k3 12.47 10.5 11.53 R 4.47 2.33 0.24
表3 抗紫外光老化试验结果1年期后延伸率/%基准延伸率（未老化）2年期延伸率衰减率/%1年期延伸率衰减率/%2年期后延伸率/%3年期延伸率衰减率/%3年期后延伸率/%基准断裂强度（未老化）3年期后断裂强度/MPa 1年期断裂强度衰减率/%1年期后断裂强度/MPa 2年期断裂强度衰减率/%2年期后断裂强度/MPa 3年期断裂强度衰减率/%
从表3可以看出，随着紫外光老化模拟时间的延长，断裂延伸率衰减率和断裂强度的衰减率逐渐增大。

与基准延伸率相比，1年期摸拟延伸率降低了7.8%，2年期摸拟后延伸率降低了12%，3年期摸拟后延伸率降低了24%。

根据3年期紫外线光老化试验结果，通过改性后的彩色树脂的延伸率为21.62%，调研资料结果显
示，彩色树脂的延伸率建议值要大于15%。

试验结果表明加速紫外老化后的彩色
树脂仍然满足技术要求。

与基准断裂强度相比，1年期摸拟后断裂强度降低了
4.98%，两年期摸拟后延伸率降低了8.01%，3年期摸拟后延伸率降低了26.86%，按照3年期紫外线光老化的情形，通过改性后的彩色树脂的断裂强度为20.99 MPa，仍然较高。

综上所述，通过改性后的彩色树脂具有优良的耐紫外老化性能。

4 试验段铺筑
4.1 彩色抗滑薄层铺装结构
本项目所实施的彩色抗滑薄层铺装结构是在生肖十二盘原水泥混凝土加铺沥青层后的新路面上直接铺筑的，试验路铺筑时路面已经通车行驶1个月。

具体的铺装结
构示意图如图1所示。

4.2 彩色抗滑薄层铺装施工工艺
彩色薄层罩面的施工工艺流程为：原路面清扫—施工放样—胶料现场配制和涂刷—撒布骨料（碾压）—养生—清扫表面的浮粒。

图1 彩色树脂薄层罩面的铺装结构注：1为加铺沥青层后的新路面，2为彩色胶结料，3为彩色陶瓷骨料，4为涂层，其中涂层4的主要目的是提高彩色骨料与路面的粘结强度和提高铺装结构的抗紫外线老化性能，但是会一定程度上损伤铺装结构的抗滑性能。

本项目实施地为高海拔山区，抗滑安全性能为主要诉求指标，因此本次铺装中没有涂层4。

（1）原路面清扫处理
在铺筑彩色薄层罩面前必须对原路面进行清扫，清除原路面的污渍，由于水的存在会对胶结料的粘结性能造成很大的影响，必须保证原路面的干燥。

（2）施工放样
按照施工铺装方案的要求，利用美纹纸将铺装的空间留出来，防止刷涂胶结料时污染其他路面。

（3）胶料的配制及涂刷
现场胶料的涂刷面积控制为（3±0.5）kg/m2，胶料的涂刷应平整，切忌涂刷的厚度不均匀。

（4）骨料的撒布及碾压
骨料的撒布面积为（5±0.5）kg/m2，骨料的撒布要保证初步满铺，以保证骨料完全的粘结在路面上，然后利用小型压路机进行静压，对于比较陡的坡段建议不进行碾压，利用骨料的自重和沉降来达到表面的平整。

（5）养生及清扫表面浮粒
对铺筑完成的抗滑罩面层进行交通管制，养生2~4 h，等到骨料和胶料达到黏结强度时，撤掉美纹纸胶带，清扫多余的表面的浮料。

4.3 试验段路面使用性能检测
（1）抗滑系数和构造深度
对彩色抗滑薄层罩面层进行构造深度和抗滑系数检测并和新铺的沥青混合料面层结果对比，试验结果如表4所示。

试验结果表明：沥青混合料和彩色树脂薄层抗滑罩面层的抗滑摩擦系数和构造深度均满足路面技术规范要求，相比较而言，彩色树脂薄层抗滑罩面层的抗滑摩擦系数和构造深度均大幅度的优于沥青混合料层，其中抗滑系数和构造深度分别较沥青混合料层提高34%和78%，这充分说明，采用彩色树脂抗滑薄层罩面在客观上提高了行车的安全系数。

（2）平整度
彩色树脂抗滑薄层罩面施工过程中骨料的撒布应均匀，否则将影响路面的平整度。

为此，对彩色抗滑薄层罩面层进行平整度检测，试验结果如表5所示。

表4 路面构造深度和抗滑摩擦系数试验结果混合料类型抗滑系数（摆值）平均值构造深度/mm 平均值671.02沥青混合料上面层AC-13 68 1.04 68 1.06 69 1.04
681.04 911.8彩色树脂薄层抗滑罩面层911.85 92 1.9 98 1.9 91 1.8
表5 路面平整度试验检测位置平均值标准差不合格点数合格率/%左幅行车轮迹带 1.0 0.81 0 100右幅行车轮迹带 1.1 0.76 0 100技术要求≤2.5
由表5可知，试铺段落平整度合格率为100%。

试验段铺筑完成之后，对随行的客车及人员进行随机抽样采访，驾驶员均表示在该路段行驶不仅缓解了疲劳，而且红色起到了提醒作用，同时刹车距离明显缩短。

综上所述，采用彩色树脂抗滑薄层罩面技术，鲜艳的色彩不仅从主观上降低了驾驶员疲劳驾驶的程度，而且从客观上，显著地提高了生肖十二盘路面的安全行驶系数（抗滑系数和构造深度），而且没有降低路面的平整度。

试验段铺筑结果表明，采用彩色树脂抗滑薄层罩面技术适应于青海省山区道路铺筑。

5 结论
（1）对传统的环氧树脂类材料进行改性，综合低温韧性、拉拔强度和抗紫外线老化性能，适宜的彩色抗滑胶结料的配合比，聚氨酯改性环氧树脂与E51环氧树脂的掺配比例为1.5∶1，碳黑的掺量为3%，短切纤维的掺量为1%。

通过室内加速模拟，其长期抗紫外老化性能优良，与基准样比较，3年期断裂延伸率的衰减率为21.62%，满足技术要求。

（2）彩色树脂薄层抗滑罩面层的抗滑摩擦系数和构造深度均优于非罩面沥青混合料面层，其中抗滑系数和构造深度分别较沥青混合料层提高34%和78%，同时平整度满足技术要求，彩色树脂抗滑薄层罩面的采用提高了行车的安全系数，提高了路面的安全行驶质量，尤其是适用于长大纵坡以及急转弯道处。

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