[分享]微表处夜间施工技术研究及其在高速公路研究

微表处工艺具有厚度薄、施工快、使用耐久等技术特点，是一种高性价比的高速公路路面养护技术，其与常用的热拌沥青混合料有着完全不同的强度形成机理。微表处稀浆混合料在摊铺、成型过程中存在复杂的物理化学变化，极易受外部环境温度、光照条件等影响。尤其是微表处夜间施工面临温度低、湿度大、无光照，混合料成型强度时间相对较长，以及夜晚可视度差、交通状况复杂、施工问题不易发现等不利条件。该文结合微表处夜间施工技术特点和难点，系统研究了乳化剂、外加水、填料、温度、光照等因素对混合料的可拌和时间、成型强度等性能的影响，并通过京津高速公路实体工程试验段的实施，系统开展了北京地区微表处夜间施工的室内配方设计、现场施工管控等基础工作。试验路铺筑及跟踪检测表明：该项技术克服了夜间施工诸多不利因素，同时还兼具微表处混合料优异的和易性及使用性能，为后续微表处夜间施工技术应用打下了坚实基础，同时也为北京地区高速公路路面养护技术增加了有效手段。

微表处 | 夜间施工 | 影响因素  | 评价分析 | 工程应用

微表处是一种经济、快捷、高效的路面养护技术，具有封水、耐磨、改善抗滑、提高路面平整度和美观度等优点，能够有效地延长路面使用寿命。热拌沥青混合料依靠沥青自身黏弹性材料的技术特点，通过温度－黏度特性控制其拌和摊铺和易性，冷却固化后即可形成力学强度。而微表处稀浆混合料由改性乳化沥青、集料、添加剂组成，其拌和摊铺和易性由乳化沥青及乳化沥青与集料间化学反应控制，成型速率取决于乳化沥青及集料化学反应速率和混合料整体水分挥发速率，成型后力学强度取决于改性乳化沥青与集料配伍性及改性乳化沥青自身材料特性。

由于微表处稀浆混合料强度形成的上述特点，施工极易受到环境温度、光照等条件的影响，其根本原因是温度条件制约着化学反应速度，光照条件制约着稀浆混合料整体水分挥发速度。受环境温度、光照条件制约，稀浆混合料破乳时间过长，导致出现混合料离析、沥青上浮进而表面形成油膜影响内部水分挥发，造成稀浆混合料成型时间过长，甚至出现微表处施工后局部松散和脱落。夜间微表处重点要解决在可施工的条件下尽可能缩短破乳时间，实现慢裂和快凝。微表处夜间施工技术在气温低、无光照条件下的应用一直存在局限性，这一局限性长期制约着微表处技术在北京地区高速公路的大规模应用。为了推广该项技术，根据以往工程经验，选用不同的材料组合，加入特定的改性添加剂，经多次室内试验，最终确定合适的配合比，以实现微表处混合料夜间施工快凝的要求。北京地区高速公路养护施工的特点是交通压力巨大，尤其在由城市中心向周边省市、区县辐射的高速公路，为最大限度降低施工对交通流的干扰，高速公路路面养护施工长期规定在车流量少的夜间实施，夜间施工成为微表处技术在北京地区应用最大的技术瓶颈。

该文结合北京地区高速公路养护施工特点，以克服微表处夜间施工技术难点为目标，系统开展低温、微光条件下微表处混合料可拌和时间与成型时间影响因素研究。根据试验数据，调整各类添加剂比例，验证北京地区微表处夜间施工技术实施的可行性，并依托京津高速公路实体工程开展试验路铺筑。通过实体工程实施、跟踪检测综合评价微表处夜间实施效果。

微表处夜间施工的主要特点为温度低、湿度大、无光照，微表处混合料是一种相对复杂的混合料体系，极易受外界条件和各组分材料品种、性质的影响，单一因素的轻微变化均会影响其性能。该文试验设计根据北京地区夏季夜间施工条件开展，考虑到夜间施工条件气候环境特点，相比常规室内试验修正试验条件如下：

（１）按照北京地区夏季夜间环境温度控制室内试验温度，模拟现场施工条件，控制温度范围为15～20℃。

（２）模拟夜间施工无光照环境特点，试验操作开展时间为夜间，同时遮蔽光线，在微光条件下进行室内试验操作。

微表处混合料设计首先要满足可施工性能要求，重点应控制稀浆混合料的可拌和时间。可拌和时间为按照一定配比进行稀浆混合料拌和试验时从掺入乳化沥青开始拌和至手感有阻或费力，明显感觉到混合料开始凝结的时间。模拟夜间施工条件环境操作后，从原材料种类、外掺剂、填料用量、外加水量、养生条件等方面分析影响微表处混合料夜间施工性能因素，重点总结可拌和时间、成型时间变化规律，为现场施工顺利进行奠定基础。

采用SK70＃沥青作为基础乳化沥青，分别选择纯玄武岩及玄武岩＋石灰岩混合集料作为影响因素评价集料；选择慢裂快凝型乳化剂作为基础乳化剂开展评价；选择SBR胶乳为改性添加剂在同用量条件下开展评价。

集料在微表处混合料中体积占80％以上，且其性能相对稳定，因此集料选择对稀浆混合料整体路用性能和表面功能均有非常明显的影响。试验所用集料筛分、砂当量测试结果如表1所示。

由表1可知：两种石料的级配曲线均在微表处级配范围的上下限区间内，且砂当量的平均值大于65％，符合规范要求的砂当量值。采用不同石料进行拌和试验，结果如表2所示。

由表2可见：在其他条件相同的情况下，采用纯玄武岩为集料的稀浆混合料，其可拌和时间远不能达到规范≥120ｓ的要求，且拌和所得混合料成型状态离析分散，大颗粒石料沉淀，乳化沥青浆体裹覆力不足，无法满足稀浆混合料的整体施工和易性要求。而采用0～3ｍｍ石灰岩和3～8ｍｍ玄武岩集料掺配的混合料，其可拌和时间满足规范要求，且混合料表观致密完整，因此选用掺配集料开展后续试验。

在微表处稀浆混合料体系中，乳化沥青占10％左右，但由于乳化沥青决定了与集料的化学反应速度，因此它是微表处稀浆混合料破乳速率、成型时间、成型后强度影响最大的因素。在上述试验确定集料选型后，通过分别变化乳化剂用量（0.8％、1.0％、1.2％、1.6％、2.0％、2.4％）、外加水量（4、5、6、7、8、9ｇ）、纤维掺量（0、0.05％、0.1％、0.2％、0.25％、0.3％）以及水泥消石灰两种填料掺量（0、0.5、1、1.5、2、2.5ｇ），分别评价其各自变量条件下对微表处稀浆混合料成型强度的影响程度。各类影响因素及对应可拌和时间如图1所示。

由图1可知：

（1）混合料可拌和时间随着乳化剂用量的增加而延长，其变化呈线性趋势增长。当乳化剂用量小于1.0％时，可拌和时间不能满足规范≥120ｓ的要求；当乳化剂用量大于1.5％时，其增长趋势呈现出规律性变化，且增长幅度较大。机理分析：由于乳化剂用量增大，其分子大量聚集在沥青微粒表面，逐渐形成一种油水界面的隔离膜层，随着乳化剂用量继续增加，界面膜的强度增大，扩散层越来越厚，ζ电位越来越高，此时乳化沥青溶液与石料接触后，会减缓原界面膜和双电位层的破坏速度，分子界面间水分散失很慢，从而延长可拌和时间。

（2）北京地区高速公路路面病害主要表现为轻微裂缝类，因此将弹性模量大、强度高的纤维分散在混合料介质中，从而提高微表处混合料的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性。图1（ｂ）表明：在初始阶段随着纤维掺加量的增加，微表处混合料的可拌和时间逐渐减少；当纤维掺加量继续增加到一定程度时，混合料的可拌和时间不再减少，反而有所回升。机理分析：纤维掺入混合料中，经过一系列的物理变化后，最终呈现出一种三维网状结构，该结构稳定且分散均匀。掺加量过少则不能达到这种稳定状态；掺加量过多时，则会在纤维扩展的过程中受到阻碍而改变延伸方向，因此纤维掺加量并不是越多越好。结合上述试验结果，其掺量在0.1％～0.2％之间较为合理。

（3）在微表处施工过程中，常掺入水泥或消石灰用以改善混合料的浆体稠度及成型速度。由图1（ｃ）可知：添加水泥和消石灰均对混合料可拌和时间有显著影响。添加量为0～1.0％可拌和时间随剂量的增加而增大，超过1.0％之后可拌和时间逐渐下降，其延长可拌和时间趋势大致相同，但相同剂量条件下消石灰延长可拌和时间的性能优于水泥。机理分析：当加入以上填料后，填料与混合料中的水会发生一系列的物理化学变化，反应后产生大量Ca2＋，该正电荷离子可以中和集料表面的负电荷，减缓集料与阳离子乳化沥青的化学反应速度，延长拌和时间，因此破乳速度减慢。当填料添加到一定量后，由于混合料的比表面积增大，吸水量也随之增大，拌和时间大幅缩短，破乳速度明显加快。

虽然掺加消石灰相比水泥更有效地延长拌和时间，但掺加水泥和消石灰的稀浆混合料成型后表观差异较大，图2为拌和后及拌和后1ｄ混合料的表观情况。由图2可见：掺加消石灰的混合料在干燥后明显发白，影响外观。而采用水泥作为填料的稀浆混合料成型后表面致密，这主要是由于水泥的比表面积较大，更易吸水从而增大稀浆稠度，在调节混合料固化成型过程中，能促进浆体的破乳状态，进一步增强混合料的早期强度，因此选择更适用于夜间施工的水泥作为填料。

环境温度、光照条件是夜间微表处与普通微表处之间最大的不同。通过将石料分别放置在不同温度的恒温箱中进行保温处理，以此来模拟不同外界条件下的温度变化，并分别在白天光照条件、夜间无光照条件开展对比试验，结果如表3所示。

由表3可知：①随着外界温度的升高，混合料的可拌和时间逐渐减少，因为温度的升高能够加快分子内部与分子间的运动，所以混合料的破乳速度加快，可拌和时间相应缩短；②夜间无光照的情况下，乳化沥青及混合料只能依靠自身的化学变化而达到破乳效果，缺少光照直接影响体系中水分的蒸发，因此无光照条件下混合料可拌和时间更长。

根据上述各项影响因素试验分析，以“最适宜拌和时间、最佳早期强度”为设计原则，综合各项技术指标确定了适宜于北京地区夜间施工条件的微表处基础材料组成及乳化沥青配方，基质沥青选型为SK70＃、乳化剂选型为ＭＱ3、改性剂选用SBR胶乳1468；改性添加剂为Peral-600。选择玄武岩和石灰石混合集料，通过规格0～3、3～5、5～8ｍｍ3种粒径混合成微表处集料。确定集料比例、微表处夜间配方如表4所示。

依据上述比例生产、制备乳化沥青检测指标如表5所示。

选取北京地区京津高速公路开展试验路段施工。京津高速公路于2008年建成通车，至今已运营近10年，双向八车道。在车辆荷载及自然因素作用下，双向Ｋ0＋000～Ｋ5＋000路面出现纵、横微裂缝，尤其是路面抗滑性能显著下降，通过对路面状况指标检测数据分析，路段破损指数PCI平均值为94，抗滑性能SRI指数平均值为60，路面破损及平整度状况较好，选取该路段实施微表处路面养护施工，以提升路况水平。该项目选择9月份夜间实施，以验证微表处夜间施工技术可行性。

采用美国VSS型封层车进行微表处夜间摊铺，摊铺前对机械的计量设备（包括矿料、乳化沥青、水、添加剂）进行严格标定，确保实体工程物料比例最大程度接近室内试验配比、配方，并严格按照该文研究要求选用矿料、加工制备改性乳化沥青。施工工艺流程如下：交通管制→路面勘检→修补路面病害→清扫路面→现场拌和试验→微表处设备标定→施工放样放线→现场试铺→施工摊铺→修补修边→早期养护→施工后路面性能检测→开放交通→后期使用、养护观察。

由于夜晚施工面临着可视度差、交通状况复杂、施工问题不易发现等不利条件。为了确保质量，施工中增设了大功率照明设施，加大了人工巡检频率，重点控制混合料加水量、稠度、破乳时间、摊铺速度和厚度、横向和纵向接缝、人工修补等环节，施工质量达到了预期效果。

病害段落施工前期、间隔半年后对同桩号路段开展路面检测评价，数据汇总如表6所示。

由表６可知：经过半年使用后的微表处路面，其平整度、抗滑性能、防渗水性能相比原路面均得到大幅度改善，路况改善效果明显，取得了良好的应用效果。

（１）为了满足夜间环境条件下实现微表处混合料快凝的要求，可以采用加入少量水泥、适当减少用水量、合理控制乳化剂用量等措施。同时尽量选择温度、湿度等合适的环境条件施工。

（２）乳化剂用量和外加水量与混合料可拌和时间呈正相关趋势；而温度则呈现负相关趋势；消石灰、水泥类填料能够有效调节混合料的浆体状态及破乳时间，改善微表处混合料的施工和易性。

（３）温度和光照对微表处混合料影响较大，夜间低温、无光照均对微表处稀浆混合料施工和易性有负面影响，尤其是水分蒸发速率减缓直接影响其破乳、固化的过程。

（４）通过京津高速实体工程试验段的实施，系统开展了北京地区夜间施工条件下微表处的室内配方设计、现场施工管控等基础工作，形成了适宜于北京地区夜间条件下微表处施工的基础配比、配方及工法。经过多次跟踪观测，采集了各阶段路况技术指标，为后续微表处夜间施工技术的应用打下坚实基础，同时也为北京地区高速公路路面养护技术增加了有效手段。