沥青路面精表处材料作用机理研究

沥青路面精表处材料作用机理研究

谌香玲 1 ，魏金波 2 ，李军 2 ，杨建萍 1 ，胡鑫 1

1 重庆诚邦路面材料有限公司 重庆 401336

2 贵州高速公路集团有限公司 贵阳 550025

摘要：沥青路面精表处用胶结料是一种多组分共混活性液体，经专用车洒布于路面后，能够迅速渗入路表以下，起到重新黏结松散集料、封闭路面表层微裂缝，改善路表面抗滑性能等多重作用。其物理性能遵从流体的特点及性能，本论文从流体力学及渗流力学的角度出发，对胶结料的渗流机理以及对路表的黏结机理等方面进行了研究与分析，提出了沥青路面精表处材料在旧路面上的修复作用机理，可为精表处专用洒布车喷洒系统的设计提供技术支撑。

关键词：沥青路面；精表处材料；作用机理

0 引言

公路沥青路面精表处技术是一种新型预养护技术，精表处由环氧复合改性沥青、改性乳化沥青和集料组成，通过专用施工设备分层洒（撒）布到原沥青路面，起到路面修复的作用。与现行其它预防性养护技术相比，精表处技术可显著提高沥青路面的抗滑性能，同时，由于使用了环氧类材料，耐久性较好，可以很好的解决现有预防性养护技术及材料耐久性不足的问题^[1]。为进一步研究精表处材料的粘附及渗透机理，本文依托贵州省科技项目《高速公路沥青路面精表处抗滑处理技术研究》（项目编号：2020-123-012），对精表处胶结料的作用机理开展研究，拟从流体力学及渗流力学的角度出发，揭示沥青路面精表处用胶结料的渗入机理，并建立渗流模型。同时，研究精表处胶结料对路表的黏结及修复机理，根据微裂缝宽度的不同，得到填封模型，并结合渗流模型、黏结机理等进行了研究与分析，研究成果可为精表处专用喷洒车喷洒系统的设计提供技术支撑。

1. 精表处用胶结料的渗透机理研究

发生早期破坏的沥青路面表层是一个多孔介质结构，其空隙之间具有一定的连通性能。沥青路面精表处用胶结料在渗入沥青路面后，沿着沥青路面表层的空隙会继续发生渗透作用。假设沥青路面表层的孔隙（包括微裂缝）由无数个竖向的小毛细管组成，由于沥青路面精表处用胶结料在毛细管中流动的雷诺数很小，因此认为其流动属于层流，并建立相应的力学模型如图1-1所示。

图1-1 渗入模型图

根据渗流力学模型图，并运用毛细管以及表面化学的基本理论，可以得到：

式（1-1）

式中：

P₁——喷洒压力以及胶结料自身的重力；

P₂——表示空隙中空气的压力以及胶结料与沥青混凝土之间的粘滞力；

σ ——沥青路面精表处用胶结料所形成液面的表面张力；

R ——毛细管的孔径。

由于沥青路面精表处用胶结料在喷洒时具有强大的喷洒压力，使得喷洒时P₁≥P₂。于是在P₁的压缩作用下，P₂逐渐增大，从而使沥青路面表层空隙逐步被压缩。在空隙的压缩过程中，空隙中的空气与水不断排除，沥青路面精表处用胶结料逐步的将其填充，从而渗入路面，达到封闭的效果。图1-2即为沥青路面表层空隙被压缩时，空气排出的状态图，图中发亮的白点即为即将破裂的气泡。

图1-2 排出空气图

2. 精表处用胶结料对沥青路面表层黏结机理研究

2.1 黏结机理

粘接是不同材料界面间接触后相互作用的结果，被粘物与粘料的界面张力、表面自由能、官能基团性质、界面间反应等都影响胶接。

（1）吸附理论

粘接力的主要来源是粘接体系的分子作用力，即范德华引力和氢键力。胶粘与被粘物表面的粘接力与吸附力具有某种相同的性质。胶粘剂分子与被粘物表面分子的作用过程有两个过程：第一阶段是液体胶粘剂分子借助于布朗运动向被粘物表面扩散，使两界面的极性基团或链节相互靠近，在此过程中，升温、施加接触压力和降低胶粘剂粘度等都有利于布朗运动的加强。第二阶段是吸附力的产生。

胶粘剂的极性太高，有时候会严重妨碍湿润过程的进而降低粘接力。分子间作用力是提供粘接力的因素，但不是唯一因素。在某些特殊情况下，其他因素也能起主导作用。

（2）化学键形成理论

化学键理论认为胶粘剂与被粘物分子之间除相互作用力外，有时还由化学键产生，例如硫化橡胶与镀铜金属的胶接界面、偶联剂对胶接的作用、异氰酸酯对金属与橡胶的胶接界面等的研究，均证明有化学键的生成。化学键的强度比范德化作用力高得多；化学键形成不仅可以提高粘附强度，还可以克服脱附使胶接接头破坏的弊病。但化学键的形成并不普通，要形成化学键必须满足一定的量子化条件，所以不可能做到使胶粘剂与被粘物之间的接触点都形成化学键。况且，单位粘附界面上化学键数要比分子间作用的数目少得多，因此粘附强度来自分子间的作用力是不可忽视的。

（3）弱界层理论

当液体胶粘剂不能很好浸润被粘体表面时，空气泡留在空隙中而形成弱区。又如，当中含杂质能溶于熔融态胶粘剂，而不溶于固化后的胶粘剂时，会在固体化后的胶粘形成另一相，在被粘体与胶粘剂整体间产生弱界面层（WBL）。产生WBL除工艺因素外，在聚合物成网或熔体相互作用的成型过程中，胶粘剂与表面吸附等热力学现象中产生界层结构的不均匀性。不均匀性界面层就会有WBL出现。这种WBL的应力松弛和裂纹的发展都会不同，因而极大地影响着材料和制品的整体性能。

（4）扩散理论

两种聚合物在具有相容性的前提下，当它们相互紧密接触时，由于分子的布朗运动或链段的摆产生相互扩散现象。这种扩散作用是穿越胶粘剂、被粘物的界面交织进行的。扩散的结果导致界面的消失和过渡区的产生。粘接体系借助扩散理论不能解释聚合物材料与金属、玻璃或其他硬体胶粘，因为聚合物很难向这类材料扩散。

（5）静电理论

当胶粘剂和被粘物体系是一种电子的接受体—供给体的组合形式时，电子会从供给体（如金属）转移到接受体（如聚合物），在界面区两侧形成了双电层，从而产生了静电引力。

在干燥环境中从金属表面快速剥离粘接胶层时，可用仪器或肉眼观察到放电的光、声现象，证实了静电作用的存在。但静电作用仅存在于能够形成双电层的粘接体系，因此不具有普遍性。此外，有些学者指出：双电层中的电荷密度必须达到1021e/cm²时，静电吸引力才能对胶接强度产生较明显的影响。而双电层栖移电荷产生密度的最大值只有1019e/cm²（有的认为只有1010-1011e/cm²）。因此，静电力虽然确实存在于某些特殊的粘接体系，但决不是起主导作用的因素。

（6）机械作用力理论

从物理化学观点看，机械作用并不是产生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一种方法。胶粘剂渗透到被粘物表面的缝隙或凹凸之处，固化后在界面区产生了啮合力，这些情况类似钉子与木材的接合或树根植入泥土的作用。机械连接力的本质是摩擦力。在粘合多孔材料、纸张、织物等时，机构连接力是很重要的，但对某些坚实而光滑的表面，这种作用并不显著。

2.2 环氧复合改性沥青反应机理

精表处用环氧复合改性沥青为三组分材料，A1组分是改性沥青，A2为环氧复合改性剂，B组分是均匀稳定的多组分固化剂混合物。将基质沥青进行化学改性，在沥青分子上引入具有与环氧树脂能够进行交联反应的功能基团，保证沥青能够参与和环氧树脂的固化反应，再配合环氧复合改性剂及固化剂组分反应形成三维立体互穿网络结构聚合物，使精表处胶结料最终成型物表现为热固性^[2]，从根本上改变了普通沥青的热塑性，大幅提高了高温稳定性，同时显著提高了材料的黏附力、拉伸强度、断裂延伸率和低温性能。

沥青路面精表处用胶结料在专用车强大的喷洒压力下，将原路面进行全覆盖，并能迅速渗入路表，通过一系列的物理化学作用与其接触的材料紧密黏结在一起，同时路表的沥青路面精表处用胶结料能迅速将撒布在其表面的细集料与旧路面紧密黏结在一起。通过沥青路面精表处用胶结料及细集料组合作用，可极大地提升原路面的路用性能，特别是细集料的使用可极大地提升路面抗滑性能和使用耐久性。

3. 表层微裂缝密封机理

沥青路面精表处用胶结料经喷洒后，渗入微裂缝中，微裂缝孔隙中的压强P将随着沥青路面精表处用胶结料的流入而不断的增大，空隙中部分空气将被强大的压强挤出。沥青路面精表处用胶结料在向裂缝深处渗入的过程中，其有效成分不断对所接触的裂缝表层进行渗透吸附，并产生一系列物理、化学反应，使得沥青路面精表处用胶结料的有效成分与老化沥青结合成为一个有效的整体，两者可以维持一致的温度变化率，从而达到填封效果^[3,4]。

图4-1 芯样表层裂缝图 图4-2 芯样表层裂缝填封图

由图4-1和图4-2可以得出，沥青路面精表处用胶结料能有效的填封路表的微裂缝，在路表形成一层致密的保护膜，从而达到封水的效果。于是，根据微裂缝宽度的不同，可以得到如下填封模型，如图4-3和图4-4所示。

图4-3 发丝型裂缝填封图

小于4～5毫米的裂缝 （非结构裂缝及反射型裂缝）

图4-4 小于4～5毫米的裂缝填封图

使用沥青路面精表处用胶结料对沥青路面进行预养护，不能改变原路面的结构强度，但是，较薄的沥青路面精表处用胶结料保护层与渗透到路面表层内的沥青路面精表处用胶结料，能改善沥青与集料间的黏结作用，有效地封闭微裂缝，防止水的渗入，以避免水进一步破坏沥青路面，从而延长了沥青路面的使用寿命，并极大降低了沥青路面的养护费用。

4. 结论

精表处胶结料在向裂缝深处渗入的过程中，有效成分不断对接触的裂缝表层进行渗透吸附，随着产生一系列物理、化学反应，其有效成分与老化沥青结合成为一个有效的整体，两者可以维持一致的温度变化率，从而达到填封效果。由以上研究可知胶结料在路表形成一层致密的保护膜，达到封水的效果，从而可有效提高沥青路面的抗滑、防水性能。

5. 参考文献

1. 杨建萍，黄静，吴英，吴祥燕，刘帮银.绿色环保新材料在道路预防性养护行业中的应用前景[J].低碳世界，2020（12）：213-214

2. 黄红明，曾国东，徐伟，李水金，周志刚.环氧沥青固化反应机理及施工控制性能研究[J].建筑材料学报,2020,23(4)：941-947

3. 谌香玲,吴祥燕,胡鑫,倪铭,杨建萍.精表处在高速公路抗滑养护中的应用研究[J].低碳世界，2019（2）：203-204

4. 吴祥燕,谢德龙,杨光,刘帮银.沥青路面精表处技术的机理及施工工艺[J].筑路机械与施工机械化，2016，33（8）：31-34