路用乳化瀝青黏層材料黏附性實驗

王文奇， 羅忠賢， 謝遠(yuǎn)新， 田榮燕， 王 澤， 王寵惠

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610039； 2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039； 3.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400030； 4.重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院，重慶 400026； 5.西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000； 6.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

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路用乳化瀝青黏層材料黏附性實驗

王文奇1,2， 羅忠賢1， 謝遠(yuǎn)新3,4， 田榮燕5， 王 澤2， 王寵惠6

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610039； 2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039； 3.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400030； 4.重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院，重慶 400026； 5.西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000； 6.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

瀝青路面的黏層對于路面路用性能影響很大，用乳化瀝青作為黏層材料有一定技術(shù)優(yōu)勢。為了減少瀝青路面病害，研發(fā)瀝青路面的黏層瀝青材料。為了檢驗研發(fā)的黏層乳化瀝青性能,進(jìn)行材料選擇和配合比設(shè)計，制備和切割試件，對研發(fā)的混合料同時開展了室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實驗。實驗研究表明,6種黏層用乳化瀝青材料的室內(nèi)實驗的黏結(jié)強(qiáng)度均能達(dá)到1.7 MPa左右，滿足規(guī)范要求，尤其是由于齡期增長，現(xiàn)場實驗的拉拔檢測結(jié)果更好，平均值為2.2 MPa。所研發(fā)的乳化瀝青路用黏層材料性能優(yōu)良，為該材料在道路行業(yè)的應(yīng)用和推廣提供了技術(shù)支持。

黏層； 乳化瀝青； 室內(nèi)實驗； 現(xiàn)場實驗

0 引 言

瀝青混合料作為一種復(fù)雜的道路材料[1]，層間黏結(jié)是其中非常值得關(guān)注的一個問題。我國瀝青路面設(shè)計理論是彈性層狀體系理論，假設(shè)瀝青路面各層為連續(xù)彈性體?？墒怯捎诓牧稀⒃O(shè)計、施工污染和環(huán)境因素等的影響，瀝青路面各層之間難以實現(xiàn)完全連續(xù)[2]。過去由于層間黏結(jié)不足引起的路面損害并未立即反應(yīng)到路表，所以一直未引起廣大重視。近年來，隨著長大縱坡路段比例增加以及超重載車輛運(yùn)行屢禁不止，層間黏結(jié)不足導(dǎo)致的路面損壞問題越來越嚴(yán)重，由此開展的相應(yīng)研究才逐漸增多[3]。

黏層是為了加強(qiáng)路面兩個瀝青層之間、瀝青層與水泥混凝土層之間的黏結(jié)、灑布的瀝青薄層[4]。同時黏層封閉了基層的表面，對基層具有保護(hù)作用[5]。常用的黏結(jié)層材料包括用橡膠改性瀝青、乳化瀝青和環(huán)氧瀝青[6]。乳化瀝青作為公路瀝青路面黏層油是個很好的選擇[7]。

瀝青混合料的相鄰層之間黏結(jié)性能會導(dǎo)致路面系統(tǒng)的禍患[8],比如自上而下的開裂，過早疲勞，在某些情況下會完整的上下層完全的分開[8]。在交通荷載引起的剪應(yīng)力集中分布在面層，常常因為層間黏結(jié)不足，難以抵御輪載產(chǎn)生的剪切力而發(fā)生層間破壞，致使路面出現(xiàn)滑移裂縫(U形裂縫)、推移、車轍及擁包等多種病害?；屏芽p如圖1所示。

圖1 滑移裂縫

增強(qiáng)瀝青面層之間的黏結(jié)可以提高層間材料抗剪強(qiáng)度，預(yù)防此類病害[2]。高速公路需要在中面層和底面層的表面噴灑黏層油[9]。橋面鋪裝包括瀝青混凝土面層、黏結(jié)防水層等層次[10]，也存在層間結(jié)合的問題，也需要設(shè)置黏層。

材料、設(shè)計、施工及環(huán)境等因素都會對黏層黏結(jié)性能產(chǎn)生影響，其中黏層材料的選擇是主要影響因素之一，目前工程中采用的黏層瀝青材料存在黏結(jié)力不足、高溫穩(wěn)定性較差等缺點，尤其在南方夏季溫度高、高溫持續(xù)時間長，黏層瀝青在高溫下易流淌，導(dǎo)致黏層黏結(jié)能力下降。路面黏層的黏結(jié)問題沒有得到很好解決[11]。研究高黏附性的黏層材料，具有重要現(xiàn)實意義。

張志勇對乳化瀝青的黏結(jié)性能開展研究[12]，岳學(xué)軍對黏層的作用、材料選擇進(jìn)行了研究[13]。本文研究瀝青路面的黏層用乳化瀝青，分別開展室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實驗，檢驗自行研發(fā)的黏層乳化瀝青抗拉拔性能，為其推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 黏層乳化瀝青路用性能實驗

1.1 原材料

(1) 瀝青。采用中石油高富70號瀝青。

(2) 乳化劑。黏層乳化劑應(yīng)選擇中/快裂類型的乳化劑。按此標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合以前的研究成果，總共選擇了4種乳化劑，其產(chǎn)品類型見表1。

表1 黏層用乳化劑列表

(3) 膠乳。膠乳對乳化瀝青的高黏附性起到關(guān)鍵的作用，它能在溫度和動能的作用下相互合并，與瀝青發(fā)生反應(yīng)。在高速攪拌時膠乳分子鏈相互牽拉，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯著提高乳化瀝青的黏接性和抗剪切變形能力。選擇采用兩種類型的膠乳，一種是氯丁膠乳CR；另一種是SBR膠乳。

(4) 水。選用符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的自來水。

1.2 黏層油乳化瀝青性能指標(biāo)

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)，對高黏附性乳化瀝青成品進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表2所示。經(jīng)檢測，研發(fā)的高黏附性乳化瀝青均達(dá)到各項指標(biāo)，符合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

表2 高黏附性乳化瀝青性能指標(biāo)

1.3 室內(nèi)實驗

(1) 成型試件。按照常用的瀝青混凝土AC-16在車轍試模成型下面層，待成型后灑布高黏附性乳化瀝青，養(yǎng)生24 h后，加鋪普通的AC-13瀝青混凝土。試件尺寸300 mm×300 mm×70 mm。試件結(jié)構(gòu)50 mmAC-16+乳化瀝青+40 mmAC-13。實驗設(shè)計成型如圖2所示的試件。試件制作：碾壓法成型(至壓實度(100±1)%)，養(yǎng)生7 d后，灑布高黏附性乳化瀝青，養(yǎng)生24 h后，碾壓成型瀝青面層。試件切割：將試件切割成如圖 所示的9小塊，每塊尺寸100 mm×100 mm×70 mm。實驗切割成型如圖3所示的試件。1～9號小試件用于拉拔實驗，在其上表面幾何中心處鉆孔至基層中5 mm，鉆頭內(nèi)徑φ=50 mm，然后黏貼拉頭于圖示位置上，進(jìn)行拉拔實驗。

圖2 力學(xué)實驗試件示意圖(mm)

圖3 切割好的小試件

試件經(jīng)過切割、篩選后在規(guī)定烘箱中保溫5 h，再進(jìn)行相關(guān)實驗。

(2) 力學(xué)實驗。拉拔實驗主要評價試件的直接抗拉破壞能力。在實驗中，采用直徑為50 mm的拉頭，加載速率為10 mm/min，以記錄下來的拉拔力F和拉頭底面面積S按下面公式計算拉拔強(qiáng)度：

P=F/S

式中：P為拉拔強(qiáng)度，MPa；F為實驗拉拔力，N；S為拉頭底面面積，mm2。

試件拉頭底面面積為19.625 cm2，實驗過程如圖4所示。

對于黏層乳化瀝青路用性能的評價，目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文中采用拉拔力實驗儀評價乳化瀝青作為黏層的層間黏結(jié)力。

圖4 拉拔實驗

(3) 實驗結(jié)果。經(jīng)過上述步驟，實驗溫度25 ℃時，得到實驗結(jié)果如表3所示。

表3 黏層用乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度

從表3可以看出，在同樣的用量情況下，不同的乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度沒有大的差異，都在1.7 MPa左右，乳化劑對瀝青黏結(jié)性質(zhì)沒有影響。幾種快/中裂乳化瀝青均能用于普通黏層油的噴灑。

2 現(xiàn)場實驗

2.1 實驗方案

本次黏層實驗采用乳化劑DF-42E型的自行研發(fā)的黏層油，灑布量為0.3～0.5 kg/m2。

2.2 施工過程

噴灑黏層油前應(yīng)遮擋防護(hù)路緣石及人工構(gòu)造物，避免污染。黏層油噴灑不均勻或有花白遺漏時補(bǔ)灑。施工過程如圖5所示。

圖5 黏層的施工灑布

根據(jù)實驗室前期實驗結(jié)果、黏層油品種及工地實際情況，現(xiàn)場確定黏層灑布量，應(yīng)使噴灑的黏層能夠充分均勻地覆蓋下臥層表面，但不得形成流淌，不得形成較厚油膜。

黏層的養(yǎng)生期在噴灑的乳化瀝青黏層水分蒸發(fā)破乳后(用濾紙或餐巾紙輕輕壓于表面無褐色斑點)結(jié)束，需要1～5 h；養(yǎng)生期養(yǎng)生成型后方可進(jìn)行上層施工，否則會造成層間黏接力大幅下降。

黏層瀝青灑布后，應(yīng)在乳化瀝青破乳且水分蒸發(fā)后，立即鋪筑瀝青層，以確保最佳黏結(jié)質(zhì)量[14]。施工完成后竣工效果如圖6所示。

圖6 黏層油灑布后的效果

2.3 現(xiàn)場檢測結(jié)果

對于高黏附性乳化瀝青的現(xiàn)場質(zhì)量檢測，通過現(xiàn)場鉆芯，檢測黏接強(qiáng)度?，F(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 現(xiàn)場拉拔強(qiáng)度數(shù)據(jù)

從表4可以看出，現(xiàn)場拉拔實驗檢測的平均值2.2 MPa，和室內(nèi)實驗結(jié)果1.7 MPa相比增加了29%。

現(xiàn)場抗拔數(shù)據(jù)比室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)還好是現(xiàn)場實驗取樣時間距離施工結(jié)束的時間較久，也就獲得了更加理想的抗拉拔效果。主要是因為乳化瀝青的特點，在壓路機(jī)的反復(fù)碾壓和環(huán)境溫度的綜合作用下，隨著水分的揮發(fā)其強(qiáng)度快速增長。經(jīng)過一段時間，水分揮發(fā)，并且混合料中水泥水化、硬化反應(yīng)后，其強(qiáng)度才能最終形成。時間長短對于抗拉強(qiáng)度增長至關(guān)重要。

由于本文未用普通瀝青進(jìn)行抗拔實驗，查閱文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)，使用亞星土木儀器有限公司與長安大學(xué)公路學(xué)院聯(lián)合研制的 JLN-I型拉拔實驗儀，對試件進(jìn)行拉拔實驗。盡管實驗方法有所不同，但是文獻(xiàn)[15]實驗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本文實驗數(shù)據(jù)。說明本文研制的高黏附性黏層乳化瀝青性能良好。

3 結(jié) 論

(1) 通過實驗對比，挑選出了高黏附性黏層乳化瀝青用的乳化劑，并通過丁苯膠乳的應(yīng)用，研發(fā)的高黏附性乳化瀝青提高了黏層的黏結(jié)強(qiáng)度。

(2) 現(xiàn)場拉拔檢測出來的結(jié)果的平均值2.2 MPa，和室內(nèi)實驗結(jié)果1.7 MPa基本一致，由于時間原因，現(xiàn)場抗拔實驗數(shù)據(jù)比室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)更好。

(3) 由于乳化瀝青黏層早期強(qiáng)度較低，不宜過早地開放交通，而且應(yīng)對早期交通荷載加以限制。

(4) 根據(jù)文獻(xiàn)[2]的數(shù)據(jù)，黏層油的噴灑使得層間剪切壽命得到了顯著提高，噴灑黏層油比不噴灑黏層油時剪切疲勞壽命增加了3～40倍。但是本文實驗路修建時間較短，沒有鋪筑黏層的路段目前也沒有明顯的病害，黏層對延長路面壽命方面的作用還有待于進(jìn)一步觀察和研究。

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Experimental Study on the Performance of Road Tack Coat of Emulsified Asphalt Material

WANGWen-qi1,2,LUOZhong-xian1,XIEYuan-xin3,4，TIANRong-yan5,WANGZe2,WANGChong-hui6

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610039, China;2. School of Architectural and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China;3. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China;4. Chongqing Pengfang Road Technology Research Institute, Chongqing 400030, China；5. School of Engineering, Tibet University, Lasa 850000, China;6. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

It is of great importance for the tack coat of the bituminous pavement to the road performance. Putting the emulsified asphalt as the adhesive layer material shows the advantage of materials technology. We research and develop the asphalt tack coat material for the bituminous pavement in order to reduce its disease. We took the material selection and mix design, then manufactured and incised the test material. Laboratory experiments and field tests were taken at the same time in order to examine the test material which we have developed. The Laboratory experiments result shows that six kinds of tack coat material whose bonding strength can reach 1.7 MPa, and meet the requirements of specification. The field tests showed even better results because of the increase of its age. The average value of pull-out test is 2.2 MPa. The excellent performance of the emulsified asphalt adhesive layer material by self-invention provide the technical support for material’s application and popularization in the pavement industry.

tack coat； emulsified asphalt； the indoor experiment; the outdoor experiment

2015-01-15

國家自然科學(xué)青年科學(xué)基金(51308476);西藏自治區(qū)科技廳重點科技計劃項目(Z2014A19G2-11);西華大學(xué)重點科研基金項目(THJ10-03);西華大學(xué)校內(nèi)科研項目(14206106)

王文奇(1980-)，男，遼寧朝陽人，博士生，講師，主要從事瀝青路面材料研究。Tel.:13880894554；E-mail:wwq1999@126.com

羅忠賢(1978-)，男，湖南邵東人，博士生，講師，主要從事瀝青路面材料研究。

Tel.:13540083563；E-mail：zxluo@home.swjtu.edu.cn

U 414.75

A

1006-7167(2015)10-0009-04