道路用涂料耐久性评价指标与方法

道路用涂料耐久性评价指标与方法 刘英杰1,2,刘 闯3 (1.长安大学公路学院,陕西西安710064;2.神华神东煤炭集团有限责任公司,陕西榆林719315;3.海南省交通运输厅,…

道路用涂料耐久性评价指标与方法
刘英杰1,2,刘 闯3
(1.长安大学公路学院,陕西西安710064;2.神华神东煤炭集团有限责任公司,陕西榆林719315;3.海南省交通运输厅,海南海口570204)

0 引 言
路用涂层作为新型路面材料,主要包含降温涂层、净化尾气涂层、抗滑涂层及交通区域规划类彩色涂层等。国内外研究人员针对不同类型路用涂层展开了大量研究。李浩等采用光谱分析研究了不同类型的热熔型反光道路标线涂料配方成分及性能。王朝辉等基于能量转换原理,研发了一系列路用降温涂层,并评价了其降温性能及路用性能。李文珍等研制了不饱和聚酯降温涂料,并研究其在沥青路面的应用效果;张广泰等将TiO2应用到彩色防滑涂料路面中,研究其对汽车尾气的降解效果及路用性能。郑木莲等配制了新型热反射降温涂层,研究其降温性能。Cao等研究了热反射涂料对沥青路面性能影响。Zheng等评价了热反射涂料的降温效果及其对抗滑性能的影响。Jiang等评价了热阻涂层对沥青路面抗车辙性能的作用效果。Sha等研究了热反射涂料对沥青路面表面的影响。随着路用涂层相关研究的不断发展和完善,交通标线涂层、降温涂层及抗滑涂层等已逐步在高速公路、市政道路以及停车场、步行街等普及使用,并取得了良好的应用效果。然而,路面材料应用过程中会受到环境因素(高低温、降水等)及车辆荷载等综合作用,对路用涂层的耐久性提出了更高要求。现有研究主要集中在抗滑、渗水等路用性能指标,缺乏针对耐久性的相关评价,导致现有路用涂层使用寿命较短,无法满足对于其耐久性能的需要,因此对路用涂层耐久性的合理评价尤为迫切。
本文针对现有涂层耐久性评价中存在的问题,深入分析路用涂层应用过程中的环境、车辆等影响,确定路用涂层耐久性单一及复合影响工况,提出路用涂层耐久性评价指标及试验方法,确定耐久性指标限值和适用范围,建立完备的评价指标体系,并依托实体工程对路用涂层耐久性进行了全面评价。

1 现有规范与标准的耐久性指标
通过对《环氧树脂地面涂层材料》(JC/T 1015—2006),《彩色路面防滑涂料》(JT/T712—2008),《路面标线涂料》(JT/T 280—2004),《公路用防腐蚀粉末涂料及涂层》(JT/T600—2004)等现有标准与规范分析,总结其主要耐久性指标如表1所示。
现有规范及标准耐久性评价指标要求和适用性
现有标准及规范分别从耐化学性、耐水性、耐磨性、耐低温性、耐变形性、耐冲击性等方面对涂层材料的耐久性做出了要求,其中,耐磨性和耐变形性属于定量评价指标,其他指标均属于定性指标。结合表1分析可知,现有规范及标准的耐久性指标主要存在以下问题:
(1)现有耐久性评价指标仅对涂层实际应用环境中某些单一影响因素进行限定。但在实际应用环境中,对于耐久性影响多为复合多因素的综合影响,现有规范及标准无法满足真实应用环境下耐久性评价要求。
(2)现有耐久性评价指标多数属于定性指标,定量指标较少。定性指标虽然能够对涂层的耐久性能做出评价,但由于评价方法受到主观影响较大,不同试验人员的评价结果往往存在差异,评价结果缺乏说服力。
(3)不同规范及标准的耐久性指标评价及方法存在较大差异,缺乏统一的试验方法(如试验试件制备方法、试验经历时间等),造成评价结果难以对比。
(4)现有规范及标准并未针对不同气候分区提出相应的耐久性控制指标,无法对特殊地区涂层耐久性评价。
(5)耐久性评价指标针对性不强,整体性较差,尚未形成系统、完备的评价指标体系。
2 路用涂层耐久性影响因素
2.1 自然影响因素
温度和水对耐久性具有重要影响。针对高温指标、低温指标及降水量指标等提出气候分区,如表2所示。
高低温及雨量指标气候分区
由表2可知,夏炎热区7月平均最高气温高于30℃,针对路用涂层耐高温评价,应统一以夏炎热区最恶劣高温环境为主要依据,提出高温相关耐久性评价指标。
对于冬严寒区、冬寒区、冬冷区,温度均低于-9℃,持续低温对路用涂层的耐低温性能产生极为不利影响,为保证其低温耐久性能,应统一以冬严寒区最恶劣低温环境为主要依据,提出低温相关耐久性评价指标。
 对于潮湿区、湿润区,降水量较大,容易造成路面积水现象,对路用涂层与路面之间的黏结性产生不利影响。应统一以潮湿区的最大降水量为依据,确定与降水相关耐久性评价指标。
2.2 道路车辆影响因素
车辆在道路上行驶时,车辆轴载作用、车轮滚动摩擦力与制动力、车辆废弃油料泄露等都会对路用涂层耐久性能产生不利影响。因此,本节深入分析不同道路行车影响因素特点,确定针对道路行车作用的耐久性影响因素,如表3所示。
道路车辆影响因素及作用结果
2.3 基于道路实际使用环境的复合影响因素
在道路实际使用环境中,路用涂层耐久性不但受到温度、降水等自然因素的影响,还会受到车辆荷载、制动力、车轮磨耗等行车因素的影响。因此,有必要对实际道路应用时,其耐久性影响因素进行分析。首先,将环境及车辆作用选为主要因素,然后分别根据二者特点对相关单一因素(编号Ai及Bj,i=1,2,3;j=1,2,3,4)进行分类,通过组内及组间的合理组合,确定所有复合影响因素类型,然后综合分析各组合因素的实际含义,与实际应用环境中各复合因素进行匹配分析,排除不合理复合因素后,最终确定基于应用环境的复合影响因素及对应工况。不同影响因素对应工况如表4所示。
复合耐久性影响因素及对应工况
2.4 路用涂层耐久性指标确定
依据上述分析,综合考虑路用涂层的实际应用环境,提出基于不同工况的路用涂层耐久性评价指标,如表5所示。
不同工况的耐久性评价指标
3 路用涂层耐久性试验方法及限值确定
3.1 路用涂层耐久性试验方法
3.1.1 单一工况的耐久性试验方法
单一工况的耐久性评价方法主要借鉴和改进现有标准和规范的相关方法,评价方法相对简单,如表6所示。
单一工况的耐久性评价方法
注:耐高温评价方法中,将保温温度由50℃±2℃调整为60℃±2℃(更接近夏季道路的最高温度),将保温时间由3h提高为12h(最不利条件);耐低温评价方法中,将保温时间由3h提高为12h(最不利条件)。
3.1.2 复合工况的耐久性试验方法
(1)耐冻融性能
耐冻融性能评价方法主要参照《建筑涂料涂层耐冻融循环性能测定法》(JG/T 25—1999),同时结合沥青路面应用环境特性对其进行合理调整,将涂层应用载体替换为沥青混合料车辙板进行耐冻融性能试验评价。耐冻融性能定性评价依据:沥青混凝土试件表面涂层是否发生粉化、起泡、开裂、剥落等现象。
(2)化学腐蚀耐磨耗
车辆内部油料或酸、碱等化学品运输过程中泄露、酸雨等导致路用涂层产生腐蚀破坏,增大其表面构造深度,而在其与车辆轮胎接触时摩擦力相应增大,也加快了路用涂层的磨耗损失。因此,依据《乳化沥青稀浆封层混合料的湿轮磨耗试验》(T 0752—1993)及《环氧树脂地面涂层材料》(JC/T 1015—2006),提出了化学腐蚀耐磨耗性能评价方法,对化学腐蚀条件下路用涂层抵御车轮磨耗的能力进行评价。
评价试验步骤:①在油毛毡原片上制备圆形沥青混合料封层试件,并将试件放入60℃烘箱中保温16h;②将试件取出冷却2h后称重ma,在其表面涂刷定量路用涂层,并放于通风处干燥24h,再次称量试件质量mb;③将制备好的试件分别放入不同类型的腐蚀液体(质量分数为15%NaOH 溶液,10%HCl溶液或120# 溶剂汽油)中浸泡48h;④将浸泡过的试件在60℃烘箱中烘干后,称量其质量mc,并将该试件放置在湿轮磨耗仪的转台上进行磨耗试验,在300r/min磨耗后,将试件取出放于60℃烘箱中烘干至恒重,并记录该质量md。
定性评价依据:试件表面涂层是否出现严重磨耗或磨穿状况。
定量评价依据:磨耗质量损失率W1计算式为
W1=(mc-md)/(mb-ma)×100 (1)
(3)局部破坏下耐轮碾
当因冲击力引起路用涂层表面局部破坏时,其承受车辆的重载竖向压力时会出现应力不均,造成路用涂层沿裂缝或孔洞位置产生贯通性裂缝或局部碎裂。因此,采用冲击力及轴载因素模拟路用涂层的行车环境,提出局部破坏条件下耐压性能评价方法,评价局部冲击破坏条件下路用涂层抵御车辆轴载的能力。
评价试验步骤:①成型标准车辙板试件,在其表面均匀涂刷定量路用涂层,并放置于通风处干燥24h;②在试验平台表面均匀铺筑2cm 厚细沙,保持细沙平面水平,将试件放置于细沙上,采用500g钢球在2m 位置处分别自由落体冲击试件的四角及中心位置,使冲击位置出现冲击损坏;③将受到冲击损坏的试件置于车辙轮碾仪中,以标准轴载碾压1h后,取出试件观察表面涂层破坏状况。定性评价依据:表面涂层是否出现贯通性裂缝、局部网状碎裂、剥落或脱落现象。
(4)高温耐磨耗
持续高温条件下,路用涂层可能会发生软化,在车轮的滚动或滑动摩擦作用下,可能会造成路用涂层的严重磨耗。采用高温因素、车轮磨耗因素模拟路用涂层的磨耗使用环境,提出高温耐磨耗评价方法,对路用涂层的在高温条件下抵抗车轮长期磨耗的能力进行评价。
评价试验步骤:①依据化学腐蚀耐磨耗评价中的试件制备方法制备试件,然后将试件放置于60℃恒温烘箱中保温6h;②称量保温后试件的质量Ma,然后放置于湿轮磨耗仪上进行磨耗试验,经过300r/min标准磨耗后,取下试件称取其质量Mb。定性评价依据:试件表面涂层是否出现严重磨耗或磨穿状况。
定量评价依据:磨耗质量损失率W2计算式为
W2=(Ma-Mb)/Ma×100 (2)
(5)高温耐轮碾
在夏季高温条件下,路用涂层质地变软,车辆动荷载作用会使路用涂层产生车辙等永久变形破坏。采用高温因素、车轮碾压等因素模拟路用涂层的使用环境,提出高温耐轮碾评价方法。
评价试验步骤:①采用水泥板(刚性板)作为路用涂层载体,测试水泥板厚度H0,然后将路用涂层均匀涂刷于水泥板表面,放置在通风处干燥24h;②完全干燥后,将试件置于保温箱中60 ℃下保温6h,并测量试件厚度H1;③在60℃下,以标准轴载分别对试件2个平行位置进行1h碾压,观察路用涂层表面状况,并测量碾压位置厚度H2。
定性评价依据:碾压完成后检查涂层表面是否出现裂缝、局部脱落等病害。
定量评价依据:耐轮碾系数H 计算式为
H=(H2-H0)/(H1-H0)×100 (3)
(6)高温耐变形
参照《路面标线涂料》(JT/T 280—2004),采用高温因素、车辆静荷载因素模拟路用涂层在夏季的使用环境,提出高温耐变形评价方法,对路用涂层在高温下抵抗车辆长期碾压变形的能力进行评价。
评价试验步骤:①在规定的边长为20mm立方体制样器的模腔内涂刷隔离剂(甘油、凡士林等),然后将制备好的路用涂层灌注于制样器内,并冷却至室温;②用加热的刮刀削掉端头表面突出部分,然后将试块取出,用100号砂纸将各面磨平;放置24h后,用游标卡尺测量试件试验位置竖向高度h1,精确至0.1mm;③将试块在60℃的恒温箱内保温5h后,在试块上放置2 000±20g的配重,1h后取出试件,用游标卡尺测定试块的竖向高度h2。
定量评价依据:耐变形系数N 计算式为
N=h2/h1×100 (4)
(7)高温耐化学腐蚀
采用高温及化学腐蚀条件模拟夏季高温环境中路面化学污染物的腐蚀作用,提出高温耐腐蚀评价方法,评价高温环境下路用涂层抵御路面化学污染物腐蚀作用的耐久性。
评价试验步骤:①在长、宽、高分别为10、5、1cm的模具内涂一层薄隔离剂(甘油、凡士林等),然后将制备好的涂层均匀灌注于模具内部,干燥24h后取出试件,并用流动水去除试件表面隔离剂,然后在30℃恒温箱内烘干至恒重,并称取其质量m1;②将试件取出后浸没于装有腐蚀液的烧杯中,并将烧杯防置于60℃恒温箱内保温6h,保温期间每隔半小时检查腐蚀液减少量,并用60℃蒸馏水补充至烧杯起始刻度;③保温结束后取出试件,采用流动水冲洗干净后,在30℃恒温箱内烘干至恒重,并称取其质量m2。
定性评价依据:观察试件表面是否出现变色、褶皱、老化等现象。
定量评价依据:质量损失M 计算式为
M=m1-m2 (5)
(8)低温耐轮碾
低温条件下,路用涂层容易变脆,在车辆动荷载作用下易产生应力集中而出现裂缝、碎裂等病害。
采用低温及标准轴载碾压模拟冬季行车荷载作用环境,提出低温耐轮碾评价方法。
评价试验步骤:①在预制的车辙板试件表面均匀涂刷定量路用涂层,并放置在通风处干燥24h;②完全干燥后,将试件置于保温箱中-20℃±2℃下保温6h后,以标准轴载分别对试件进行1h碾压,观察路用涂层表面状况。定性评价依据:低温碾压后涂层表面是否出现裂缝、脱落及碎裂现象。
(9)低温耐冲击
冬季低温条件下,路用涂层脆性增大,在瞬间荷载作用下容易使路用涂层表面产生应力破坏,如碎裂、剥落等。采用低温因素、瞬时荷载等因素模拟路用涂层的低温使用环境,提出低温耐冲击评价方法,并对路用涂层在低温下抵抗瞬间荷载作用的能力进行评价。
评价试验步骤:①将制备好的路用涂层试件置于冰箱中,在-20℃±2℃下保温6h;②将500g钢球在位于路用涂层上方1.5m位置处自由下落,分别在四角及中心位置等5个不同位置进行抗冲击性试验,试验完成后对路用涂层表面状况进行评价。
定性评价依据:观测撞击部位是否出现碎裂和脱落现象,撞击部位之间是否出现贯穿性裂缝。
(10)冻融循环耐磨耗
采用冻融因素和车轮磨耗因素模拟路用涂层的冻融循环下的行车使用环境,提出冻融耐磨耗评价方法。
评价试验步骤:①参考高温耐磨耗试验试件制备过程,制备圆形试件,按照耐冻融循环的试验条件进行5个循环,然后将试件放置于30℃恒温箱中烘干至恒重,并称量质量M1;②将试件取出后置于湿轮磨耗仪上进行磨耗试验,磨耗完成后再次将试件放置于30℃恒温箱中烘干至恒重,并称量质量M2。定性评价依据:涂层表面有无腐蚀毛面、剥落现象出现,是否出现严重磨耗或磨穿状况。定量评价依据:磨耗质量损失率W3
计算式为
W3=(M1-M2)/M2×100
3.2 路用涂层耐久性指标限值及适用范围
在路用涂层耐久性评价指标及评价方法的基础上,结合相关试验经验,提出相应路用涂层耐久性评价指标限值及适用范围,见表7。
路用涂层耐久性评价指标限值及适用范围

注:高温耐轮碾评价指标及高温耐变形评价指标是通过对市面上不同种类路用涂层(降温涂层、净化尾气涂层、道路标线涂层等)抽 样 试 验后得到的相应评价限值

3.3 路用涂层耐久性评价体系应用
依托某高速公路养护项目,采用常用路用涂层材料对养护工程内500m路段进行铺筑,并在现场进行取样,对试样进行耐久性测试。由于涂层铺筑地区属夏炎热地区,且重载车辆较多,故耐久性试验主要针对高温及重载工况的耐久性指标进行评价,并开展长期监测,验证本文耐久性评价结果准确性,具体试验结果如表8所示。
试验段路用涂层耐久性评价结果
由表8可知,试验段采用的路用涂层各项耐久性指标均能满足该指标体系的相关要求,在使用1年后对试验段现场观测发现,路用涂层表面状况良好,无明显破坏,这表明该耐久性评价体系各项指标限值能够满足道路应用要求,可为路用涂层的道路耐久性评价提供可靠依据。

4 结 语
(1)现有涂层规范及标准中的耐久性评价指标多属于定性指标,定量指标较少,缺乏统一的评价条件及方法,无法形成对特殊地区涂层耐久性针对性控制,且尚未形成系统、完备的评价指标体系。
(2)将环境及车辆等单一影响因素进行分类,通过组内和组间的随机组合确定所有复合影响因素类型,并对其实际意义进行确定,排除不合理影响因素,确定了9个单一影响因素及10个复合影响因素及其对应的工况,并提出了相应的评价指标。
(3)针对耐久性单一及复合评价指标的特点,参考现有涂层规范及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),提出了相应的路用涂层耐久性评价方法及依据。
(4)分析现有规范中耐久性评价指标要求,结合路用涂层室内试验,提出了路用涂层耐久性评价指标限值及适用范围。
(5)试验段采用的路用涂层各项耐久性指标均能满足该指标体系的要求,在使用1年后对试验段现场观测发现,路用涂层表面状况良好,无明显破坏,该耐久性评价体系各项指标限值均能够满足道路应用的要求。
(6)本文主要集中于道路用涂层材料的耐久性能指标体系的建立,缺乏对实体工程的涂料耐久性的长期监测。下一步,将针对于路用涂料在实际工程应用中的耐久性评价展开全面研究。

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