閆海波

(山西省交通科學研究院， 山西 太原 030006)

0 引 言

瀝青路面通常分層鋪裝， 相鄰層之間適當?shù)恼辰Y是保證良好路用性能的必要條件. 美國材料試驗協(xié)會標準(ASTM)將粘層定義為， 將瀝青材料應用到現(xiàn)有的相對不滲透的表面上， 以便在新舊表面之間提供牢固的粘結. 在鋪設下一個路面層之前， 在現(xiàn)有的路面層表面噴涂粘層. 當粘層浸濕了舊路面的表面， 并將細小的孔隙填充后， 就會形成層間咬合. 這種咬合作用受到鋪裝時液體粘度的影響. 研究表明， 我國大部分瀝青路面的破壞與層間粘結質(zhì)量有關[1]. 路面層間能保持良好的層間連續(xù)狀態(tài)是建立在足夠的層間粘結強度基礎上的[2]， 若面層與面層， 面層與基層之間的粘結狀態(tài)改變， 則層底最大主拉應變、 最大剪應力、 豎向壓應變會發(fā)生顯著改變， 從而導致結構層發(fā)生拉裂、 剪切、 壓密等破壞[3-4]， 層間粘結不良會使路面出現(xiàn)多種類型的損壞， 如層間滑移造成的車轍、 推移、 開裂、 剝離等病害等[5]. 因此， 探索粘層的類型和最佳灑布劑量對于保證柔性路面的長期使用性能有著很重要的作用. 目前常用的粘層材料主要有熱瀝青結合料、 輕制瀝青(瀝青-溶劑型)或乳化瀝青(瀝青-水型). 近年來， 乳化瀝青已慢慢取代輕制瀝青或熱瀝青結合料， 成為最廣泛的粘層材料. 取代的原因主要是: ① 乳化瀝青比輕制瀝青或熱瀝青結合料更適用于低溫環(huán)境. ② 乳化瀝青更環(huán)保， 因為它們不含有有害的揮發(fā)性溶劑. ③ 乳化瀝青使用起來更安全， 因為它們不易燃， 不會對使用者造成風險[6]. 常見的粘層瀝青材料主要為 SBS， SBR改性乳化瀝青， 它們具有高粘韌性、 成膜性強等優(yōu)點； 同時采用環(huán)氧樹脂、 膠粉等材料與SBS， SBR 復合而成的改性乳化瀝青也成為研究趨勢， 復合改性乳化瀝青的性能較SBS,SBR改性乳化瀝青有所提高， 具有較好的發(fā)展前景[7]. 關于粘層的層間抗剪強度研究較多， 瀝青路面結構中粘層的研究一直備受青睞， 但是對于粘層油的選擇， 各國規(guī)范并沒有規(guī)定， 也沒有達成了統(tǒng)一的共識[8]. 早在20世紀70年代以來， 英國就已經(jīng)開始路面問題的調(diào)查研究[9-11]； 歐美等國家都開始了關于層間抗剪強度的研究， 并進行了試驗儀器的開發(fā)， 在試驗方法、 試驗條件、 試驗參數(shù)、 評價體系等方面都進行了一些列的研究工作， 并研究了粘層油噴灑量對于抗剪強度的影響. 早在1978年， Uzan等人就采用直剪試驗儀進行了常溫和高溫的層間剪切試驗， 得出了所用瀝青粘層材料的最佳用量[12]； 1986年， 荷蘭Delft大學的Molenaar等人采用圓柱體試件進行了抗剪強度試驗， 試驗結果認為， 是否噴灑粘層油得到的抗剪強度強度相差不大[13]； 1999年， Mrawira和Damude采用了ASTM D-143剪切試驗， 認為粘層油的噴灑并沒有提高瀝青路面層間抗剪性能； 2002年， Monhammad等人采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件， 發(fā)現(xiàn)25 ℃ 時的抗剪強度是25 ℃ 時的4倍[14]. 在我國現(xiàn)行的瀝青路面施工規(guī)范中， 對于透層、 粘層、 下封層的施工只是做了一般性的描述， 但是缺乏更加細節(jié)性的指導， 比如說單位面積材料的用量， 大多是按照施工者的經(jīng)驗進行施工， 缺乏有效的質(zhì)量控制指標和檢測方法， 而隨著近年來層間粘結問題導致的路面災害問題越來越多， 所以該領域開展的研究需求也越來越大. 可以看出， 國內(nèi)外對于瀝青路面層間抗剪強度的研究多種多樣， 但是并沒有形成一個統(tǒng)一的體系， 且得出的結論不盡相同. 同時， 由于所用的試驗儀器、 試驗方法、 試驗條件等的不同導致結果之間不具有可比性； 現(xiàn)實中多種因素的交叉影響， 使得試驗結果往往參差不齊. 因此， 加強粘結層的層間抗剪強度的研究， 使用貼近實際工程應用的參數(shù)， 為實際施工起到真正的指導作用顯得尤為重要.

為了提高高速公路的路面使用性能， 減少路面災害， 找出工程實踐中路面的最佳粘層適用條件， 本文在前人研究的基礎上， 對路面粘層進行了受控剪切試驗研究， 通過測量路面粘層的抗剪強度對路面粘層的粘結力進行定量分析， 試驗中采用了貼合工程實踐的參數(shù)值， 將影響路面粘層粘結力的各個主要因素分別進行了定量分析. 本文旨在通過該研究為瀝青路面施工過程中不同條件下的粘層油的使用提供現(xiàn)實指導.

1 研究方法

1.1 試驗原理

瀝青路面層間滑移、 擁包等病害是路面層間剪切強度不足造成的， 也就是由于層間強度不足而導致無法抵抗剪切應力， 從而導致剪切應變發(fā)展而引起的變形和破壞. 這種路面層間抗剪切應力破壞的能力， 稱為層間抗剪強度. 抗剪強度是優(yōu)化稀釋層或粘層灑布劑量的關鍵參數(shù). 抗剪強度試驗是通過測量試樣在界面處的抗剪強度， 來估算界面結合強度. 使用SUT計算機控制液壓伺服系統(tǒng)進行了簡單剪切試驗來測量界面抗剪強度， 然后通過剪切載荷除以橫截面面積來計算在界面上施加的剪切應力S.

(1)

式中：p為施加壓力；A表面積為π·R2,R為樣品的半徑.

1.2 試驗方案

本文根據(jù)瀝青層間破壞機理， 并考慮試驗的可行性， 采用抗剪強度試驗， 分別使用了四種不同灑布劑量(0.05 L/m2, 0.15 L/m2, 0.25 L/m2, 0.35 L/m2)的改性和非改性涂層(輕制瀝青或乳化瀝青)， 并制備了不同的試驗樣本， 通過測試其抗剪強度來研究不同溫度下， 不同類型的粘層材料， 在不同的灑布劑量下， 層間抗剪強度的不同， 從而得出這些因素對界面粘結強度的影響.

1.3 試驗參數(shù)

本試驗貼合工程實踐， 選取了施工中常見的參數(shù)條件進行了研究. 其中， 截面的灑布劑量分別選取了0.05, 0.15, 0.25和0.35 L/m2， 溫度分別選取了常溫的典型代表25 ℃和高溫的典型代表60 ℃ ， 粘層的粘度選取了常見的50%活性材料的高粘度和30%活性的低粘度兩種代表性參數(shù). 基于這些參數(shù)的試驗能得出對現(xiàn)實工程有參考價值的結論.

1.4 試驗材料

瀝青:使用針入度等級60/70 (135 ℃時， 針入度為60， 運動粘度為346 C.st， 軟化點為52 ℃)的瀝青來制備輕制瀝青和乳化瀝青粘層. 乳膠乳液:本試驗采用乳膠乳液(固含量為69 %， 布魯克粘度為700 C.st， 丁苯比為24/76)， 來制備改性乳化瀝青. 集料:熱拌瀝青混合料中使用的集料為破碎的白云石.

表 1～表 3 羅列了輕制瀝青結合料、 粘結層乳化瀝青和混合料級配組成.

表 1 輕制瀝青結合料的主要性能

表 2 乳化瀝青粘層的主要性能

表 3 細集料和粗集料的級配

1.4.1 改性瀝青結合料的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至140 ℃， 攪拌約5 min， 然后一邊攪拌一邊緩慢加入乳膠(瀝青重量的1.5%). 溫度升高到170 ℃時， 保持在該溫度下， 持續(xù)攪拌2 h， 直到瀝青完全均勻.

1.4.2 輕制瀝青和改性輕制瀝青粘合劑的制備

將瀝青(未改性瀝青和/或改性瀝青)加熱到140 ℃， 攪拌約5 min. 一邊攪拌， 一邊將二甲苯溶劑緩慢添加到瀝青中， 用該法制備輕制瀝青和改性輕制瀝青結合料(瀝青溶劑比1∶1).

1.4.3 乳化瀝青粘結層的制備

在高壓下將熱瀝青和含乳化劑的水注入到膠體磨內(nèi)來制造乳液. 通過膠體磨制備的瀝青極小(小于5～10 μm)， 且懸浮在水中.

1.4.4 改性乳化瀝青粘層的制備

乳化瀝青加熱至翻滾大約2 min， 然后緩緩加入1.5%(按重量計)的乳膠， 并加熱翻滾30 min， 然后成功制備改性乳化瀝青.

1.4.5 混合物的設計

該試驗使用的是12.5 mm級配的瀝青混合料. 白云石粗集料和細集料(密度分別為2.96和2.94 g/cm3， 吸水率分別為1.3%和1.8%)， 使用白云石用作礦物填料. 本研究參數(shù)是：3.6 %的孔隙率、 10,390 N的穩(wěn)定度， 2.9 mm的流值(根據(jù)馬歇爾試驗)， 瀝青含量為5.5%.

1.5 試驗設備

本試驗使用了一種剪切型模具來做抗剪強度試驗. 該模具由兩部分組成. 每部分都有一個150 mm直徑和50 mm深的圓柱形凹槽， 使模具可以在測試期間保持住樣品. 圖 1 是設計的剪切模具的零件.

圖 1 剪切模具Fig.1 The parts of the designed shearing mold

1.6 試驗方法

該試驗用12.5 mm的瀝青混凝土混合料制備試樣. 取相同的三份試樣在上述各種粘層類型、 灑布劑量、 粘度和溫度的組合下進行了抗剪強度試驗， 并對實驗結果進行了統(tǒng)計分析. 一個完整的試樣包括兩個熱拌瀝青層， 這兩個試樣截面的直徑都是150 mm， 其中一個試樣的表層上有涂層， 另一個沒有涂層. 在160 ℃的溫度下， 通過將瀝青混合料壓實至50 mm的高度來制備試樣的下半部， 然后將試樣冷卻至室溫. 兩個試樣的下半部在室溫下干燥至少4 d， 以便排干凈內(nèi)部積水， 然后才制備完整的試樣. 試樣的下半部被放置在電子秤上， 此時將秤設置為零. 然后用刷子將涂層按照計算好的量涂到試樣的一面， 涂層被涂好并固化之后， 下半部分放在壓實模具中， 將松散的混合物放置在涂層底部的上方并壓實， 試樣的上半部分被壓實. 在試樣制備好后的幾天內(nèi)， 分別在25和60 ℃下進行了試驗， 來確定完整的試樣的界面層抗剪強度. 在60 ℃下的試驗中， 試樣在烘箱中先行放置2 h之后， 再放入剪切模具中， 并將剪切模組件放在日本島津電子式萬能材料試驗機( SUT )上， 采用計算機控制液壓伺服系統(tǒng)， 速度為20 mm /min. 把剪切模具組件放置在SUT的時候， 其溫度逐漸降低， 因此在進行60 ℃的試驗之前， 它在烘箱中應該多放置30 min. 由于室溫就控制在25 ℃溫度， 故25 ℃的試驗不需要烘箱調(diào)節(jié).

2 試驗結果與分析

本文通過抗剪強度試驗， 分別測定了粘層類型、 灑布劑量、 粘度和溫度對抗剪強度的影響， 從而推斷出各因素對于層間界面粘結強度的影響.

2.1 25 ℃時灑布劑量的影響

本試驗分別采用了四種不同灑布劑量的改性和非改性涂層(輕制瀝青或粘性層乳化瀝青)， 來研究粘結層瀝青灑布劑量對界面粘結強度的影響. 表 4， 圖 2 和圖 3 顯示了不同灑布劑量下的輕制瀝青和粘層瀝青的界面抗剪強度的變化.

表 4 改性和未改性的乳化瀝青粘層和輕制瀝青

圖 2 25 ℃下不同的灑布劑量對輕制瀝青和乳化瀝青粘層的影響Fig.2 Effect of different spreading doses on emulsified asphalt and cutback asphalt at 25 ℃

圖 3 25 ℃下不同的灑布劑量對輕制瀝青和乳化瀝青粘層的影響Fig.3 Effect of different spreading doses on emulsified asphalt and cutback asphalt at 25 ℃

以上試驗結果表明， 溫度為25 ℃時， 無論是使用輕制瀝青還是乳化瀝青粘層， 當采用0.25 L/m2的灑布劑量時， 其界面強度均達到最高. 當灑布劑量不超過0.25 L/m2時， 界面結合強度隨著灑布劑量的增加而逐漸增加； 當灑布劑量超過0.25 L/m2時， 界面結合強度開始逐漸降低. 采用0.25 L/m2的灑布劑量時， 輕制瀝青和乳化瀝青粘層的平均抗剪強度分別為1.3 MPa和1.47 MPa. 此時， 乳化瀝青粘層的平均抗剪強度略高于輕制瀝青.

2.2 60 ℃時灑布劑量的影響

表 4， 圖 4 和圖 5 顯示了60 ℃時不同灑布劑量下的輕制瀝青和乳化瀝青粘層的界面抗剪強度的變化.

以上試驗結果表明， 溫度為60 ℃時， 無論是使用輕制瀝青還是乳化瀝青粘層， 當采用0.25 L/m2的灑布劑量時， 其界面強度均達到最高. 當灑布劑量不超過0.25 L/m2時， 界面結合強度隨著灑布劑量的增加而逐漸增加； 當灑布劑量超過0.25 L/m2時， 界面結合強度開始逐漸降低. 采用0.25 L/m2的灑布劑量時， 輕制瀝青和乳化瀝青粘層的平均抗剪強度分別為1.06 MPa和1.24 MPa乳化瀝青粘層的平均抗剪強度略高于輕制瀝青. 乳化瀝青粘層的平均抗剪強度略高于輕制瀝青. 溫度為60 ℃時， 無論是哪種材料， 層間粘結強度均比溫度為25 ℃時有所降低. 所以層間粘結強度隨著溫度的增加而有所降低.

圖 4 60 ℃下不同的灑布劑量對輕制瀝青和乳化瀝青粘層的影響Fig.4 Effect of different spreading doses on emulsified asphalt and cutback asphalt at 60 ℃

圖 5 60 ℃下不同的灑布劑量對輕制瀝青和乳化瀝青粘層的影響Fig.5 Effect of different spreading doses on emulsified asphalt and cutback asphalt at 60 ℃

2.3 乳膠的影響

本文研究了在不同的溫度條件下， 當灑布劑量是0.25 L/m2時， 摻了1.5%乳膠的瀝青與不摻乳膠的瀝青對界面粘結強度的影響.

試驗結果表明， 當灑布劑量是0.25 L/m2， 溫度為25 ℃時， 改性輕制瀝青抗剪強度值達到1.21 MPa， 比起未改性的輕制瀝青抗剪強度值1.3 MPa有所增強. 當溫度為60 ℃時， 改性輕制瀝青抗剪強度值達到1.51 MPa， 比起未改性的輕制瀝青抗剪強度值1.06 MPa有所增強. 所以， 當灑布劑量為0.25 L/m2,不論溫度為25 ℃或60 ℃， 當輕制瀝青摻入1.5%乳膠后(改性輕制瀝青)， 其抗剪強度值都得到了提升. 同樣地， 當灑布劑量是0.25 L/m2， 溫度為25 ℃時， 改性乳化瀝青抗剪強度值達到1.62 MPa， 比起未改性的乳化瀝青抗剪強度值1.47 MPa有所增強. 當溫度為 60 ℃ 時， 改性乳化瀝青抗剪強度值達到1.37 MPa， 比起未改性的乳化瀝青抗剪強度值1.24 MPa有所增強. 所以， 當灑布劑量為0.25 L/m2,不論溫度為25 ℃或 60 ℃， 當乳化瀝青摻入1.5%乳膠后(改性乳化瀝青)， 其抗剪強度值都得到了提升.

圖 6 不同溫度下， 1.5%的乳膠對輕制瀝青和乳化瀝青粘層的影響Fig.6 Effect of 1.5% latex on cutback asphalt and emulsified asphalt at different temperatures

2.4 粘層粘度的影響

不同的粘性對于界面粘結強度也有所影響. 圖7顯示了在不同的溫度條件下， 輕制瀝青、 低粘度的改性輕制瀝青、 高粘度的改性輕制瀝青的抗剪強度的不同.

圖 7 不同溫度下不同粘度對改性輕制瀝青的影響Fig.7 Effect of different viscosities on modified cutback asphalt at different temperatures

圖 7 的試驗結果表明， 當灑布劑量是0.25 L/m2， 溫度為25 ℃時， 低粘度的改性輕制瀝青的抗剪強度達到最高1.57 MPa， 其次是高粘度的改性輕制瀝青(1.50 MPa)， 抗剪強度最低的是未經(jīng)改性的輕質(zhì)瀝青(1.50 MPa). 溫度為60 ℃ 時， 低粘度的改性輕制瀝青的抗剪強度達到最高 1.30 MPa， 其次是高粘度的改性輕制瀝青(1.20 MPa)， 抗剪強度最低的是未經(jīng)改性的輕質(zhì)瀝青(1.05 MPa).

圖 8 的試驗結果表明， 當灑布劑量是0.25 L/m2， 溫度為25 ℃時， 低粘度的改性乳化瀝青的抗剪強度達到最高1.70 MPa， 其次是高粘度的改性乳化瀝青(1.61 MPa)， 抗剪強度最低的是未經(jīng)改性的乳化瀝青(1.47 MPa). 溫度為60 ℃ 時， 低粘度的改性輕制瀝青的抗剪強度達到最高 1.46 MPa， 其次是高粘度的改性輕制瀝青(1.37 MPa)， 抗剪強度最低的是未經(jīng)改性的輕質(zhì)瀝青(1.24 MPa). 產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是由于低粘度的粘層比高粘度的粘層能夠更好地滲透， 并粘附在舊鋪裝層的表面上， 從而產(chǎn)生更好的層間咬合[15-16].

圖 8 不同溫度下不同粘度對改性乳化瀝青的影響Fig.8 Effect of different viscosities on modified emulsified asphalt at different temperatures

3 結 論

本文通過抗剪強度試驗， 設定不同的影響因素， 來檢測達到最大層間粘結強度的最佳外部條件， 本文主要得出如下結論：

1) 粘結強度的提高受粘層類型、 灑布劑量、 粘性和溫度等因素的綜合影響.

2) 摻入乳膠后的輕制瀝青或乳化瀝青， 層間粘結強度都有所提高. 其中乳膠改性乳化瀝青比改性輕制瀝青的層間粘結強度略強.

3) 粘層的最佳灑布劑量是0.25 L/m2， 當灑布量超過0.25 L/m2時， 層間粘結強度反而隨著灑布量的增加而降低. 所以實際應用時， 并不是灑布得越多越好， 而是應該適量掌握灑布量.

4) 界面的粘結強度隨著溫度的提高而顯著降低. 低粘度的改性瀝青比高粘度的改性瀝青的層間粘結能力要高. 所以在實際應用中， 并不是粘度越高越好， 反而應該選擇低粘度的改性瀝青作為粘層. 乳膠改性乳化瀝青的界面結合強度最高. 本文還發(fā)現(xiàn)， 兩層都使用低粘度乳化瀝青粘層比一層使用高粘度乳化瀝青粘層更加有效. 同時， 影響粘層性能和層間粘結強度還有很多其他的因素， 包括:壓力、 使用方法和表面粗糙度等. 通過本文的研究， 在實際的工程實踐中， 進行瀝青路面施工的時候， 建議在中溫的條件下， 使用接近0.25 L/m2灑布量的乳膠改性乳化瀝青進行施工， 可以增強層間抗剪強度， 增加層間粘結， 降低路面災害.