熱瀝青在不同界面間的層間粘結(jié)性能分析

劉 靖，張勁泉，郝庚任（.交通運輸部公路科學研究院，北京00088；.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海0804）

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熱瀝青在不同界面間的層間粘結(jié)性能分析

劉 靖1，張勁泉1，郝庚任2
（1.交通運輸部公路科學研究院，北京100088；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

摘要：為了評價熱瀝青層間粘結(jié)油的實際效果和最佳灑布用量，利用磚面粘結(jié)強度拉拔法和拉拔模具，對SBS改性瀝青，橡膠瀝青，TB瀝青，TB復合改性瀝青，ESSO70#基質(zhì)瀝青這5種熱瀝青在鋼-瀝青混凝土界面，瀝青混凝土-瀝青混凝土界面，水泥混凝土-瀝青混凝土界面間的層間粘結(jié)性能進行了對比分析。研究結(jié)果表明：5種熱瀝青在不同的界面上均有較好的粘結(jié)強度，其中SBS改性瀝青的粘結(jié)強度最佳，而且熱瀝青在不同界面上的最佳瀝青用量都介于0.6 ～ 0.8 kg·m-2。

關(guān)鍵詞：熱瀝青；層間粘結(jié)強度；拉拔試驗；鋼界面；瀝青路面；水泥混凝土路面

我國公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論進行計算[1]，彈性層狀體系理論有若干個基本假定，其中之一是層間接觸面應(yīng)完全連續(xù)[2]。若面層與面層，面層與基層之間的粘結(jié)狀態(tài)改變，則層底最大主拉應(yīng)變、最大剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)變會發(fā)生顯著改變，從而導致結(jié)構(gòu)層發(fā)生拉裂、剪切、壓密等破壞[3-4]，而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(jié)強度上的。層間粘結(jié)強度主要體現(xiàn)在兩個方面，即水平方向的抗剪切能力和豎直方向的抗拉拔能力。而目前多數(shù)研究對層間的抗剪強度指標做過詳細計算，并提出了相應(yīng)的強度指標[5]，但對于層間材料的粘結(jié)強度指標未提出明確要求，因此對層間豎向抗拉拔強度給出量化的計算分析很有必要。

粘層油在實際工程中應(yīng)用很廣泛：在鋼橋面鋪裝瀝青混凝土工程中，層間粘結(jié)是橋面鋪裝需要解決的諸多問題中的首要問題[6]；對于超薄瀝青混凝土罩面，粘結(jié)層的良好處理至關(guān)重要[7]；混凝土橋面瀝青鋪裝中的關(guān)鍵技術(shù)是鋪裝層與混凝土面板是否有良好的粘結(jié)性能[8]。而不同的界面情況必然會對粘層油種類和灑布量有不同的要求，但是現(xiàn)行的交通部公路瀝青路面設(shè)計、施工規(guī)范對不同種類的粘層油只有一個推薦的噴灑量：0.3～0.6 L·m-2或0.4 L·m-2[9]。為此本文通過拉拔試驗來評價5種常用的熱瀝青在鋼-瀝青混凝土、瀝青混凝土-瀝青混凝土、水泥混凝土-瀝青混凝土3種工程中常見界面上的層間粘結(jié)性能，從而提出了不同工況下粘油種類的選擇和最佳灑布量的確定。

1 材料與試驗

1.1 材料

本研究中選用的熱瀝青主要有SBS改性瀝青，橡膠瀝青，TB瀝青，TB復合瀝青，ESSO70#基質(zhì)瀝青。前4種改性瀝青都是在ESSO70#基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上，加入改性劑后，在實驗室制備而成。制備方法：SBS改性瀝青由ESSO70#外摻4.5%SBS在185℃高溫下拌合而成；橡膠瀝青由ESSO70#內(nèi)摻18%40目廢舊子午胎橡膠粉在185℃高溫下拌合而成；TB改性瀝青由內(nèi)摻20% 40目廢舊子午胎橡膠粉在200℃高溫反復剪切拌合而成；TB復合改性瀝青由所述TB瀝青外摻1.5%SBS在185℃高溫下拌合而成。

根據(jù)《JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對ESSO70#基質(zhì)瀝青和各改性瀝青進行指標檢測，其主要指標可見表1與表3。改性劑SBS的主要技術(shù)指標見表2。

表1 ESSO70#基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標Tab.1 Property index of ESSO70# basic asphalt

表2 SBS材料的主要技術(shù)指標Tab.2 property index of SBS polymer

表3 各改性瀝青的主要技術(shù)指標Tab.3 Property index of modified asphalt

1.2 試驗設(shè)備與試驗方法

目前還沒有評價材料的粘結(jié)強度的標準方法，大多數(shù)學者都是利用MTS進行混合料間的拉拔試驗拉檢測層間材料的粘結(jié)強度大小[10]，或者自行開發(fā)拉拔儀，如長安大學申愛琴教授提出的部分自行設(shè)計的試驗方法。本次試驗采用的是磚面粘結(jié)強度拉拔法，磚面粘結(jié)強度拉拔法中的試驗?zāi)Ｐ褪菍嶋H路面結(jié)構(gòu)粘結(jié)模型的一個簡化。主要設(shè)備如圖1、圖2所示。

1.3 試驗溫度的確定

在拉拔試驗中，層間破壞要么發(fā)生在界面間，要么發(fā)生在粘層間。界面間破壞屬于粘附性破壞，而粘層間破壞屬于內(nèi)聚力破壞。本文側(cè)重研究的是瀝青與不同界面間的粘附性破壞，因此要盡量保證層間破壞發(fā)生在界面間。在研究溫度變化對層間材料粘結(jié)強度的影響中發(fā)現(xiàn)：低溫條件下更易導致粘結(jié)材料從底面界面處斷裂。表4中給出的采用磚面粘結(jié)強度拉拔法測試的基于鋼板底面的不同5種瀝青材料在5℃水浴中的斷裂面發(fā)生情況。

圖1 磚面粘結(jié)強度拉拔儀與拉拔底座Fig.1 Instrument brick surface poll out test and base

圖2 3種底座Fig.2 Three kinds of base

由實驗數(shù)據(jù)得：5℃水浴中進行的拉拔試驗有18/26的拉拔斷裂面試發(fā)生在界面間，有4/26的斷裂面發(fā)生在半瀝青半界面處，另有4/26的斷裂面發(fā)生的瀝青自身。因此在5℃水浴條件下進行粘結(jié)強度拉拔試驗?zāi)鼙ＷC絕大多數(shù)破壞發(fā)生在界面間。綜上所述，實驗溫度確定為5℃。

表4 不同五種瀝青材料在5℃水浴中的斷裂面發(fā)生處Tab.4 Fracture place for 5 kinds of hot asphalt in water bath at 5℃

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼-瀝青混凝土界面粘結(jié)性能分析

試驗底面選取鋼面，成型前預先加熱鋼底面和拔頭，加熱鋼底面的加熱溫度為100℃，改性瀝青加熱溫度為180℃，基質(zhì)瀝青加熱溫度為150℃（選取不同的加熱溫度，一是便于熱瀝青攤鋪均勻，二是防止瀝青老化），成型模型，試驗環(huán)境為5℃水浴。5種熱瀝青在不同灑布量下的粘結(jié)強度曲線如圖3所示。

由圖3可知在鋼界面上SBS改性瀝青的整體粘結(jié)效果明顯優(yōu)于其余4種，而且層間粘結(jié)強度隨SBS改性瀝青灑布量的增加逐漸增大。但是當瀝青灑布量大于0.8 kg·m-2后，強度將不再增加。

2.2 瀝青混凝土-瀝青混凝土界面粘結(jié)性能分析

試驗選取AC-13瀝青混凝土作為底面，將成型好的AC-13混合料塊切割成10 cm×10 cm×5 cm的瀝青混合料塊。攤鋪熱瀝青前先將瀝青混凝土底面和拔頭加熱，混合料底面的加熱溫度為60℃，這樣便于熱瀝青能均勻的攤鋪在瀝青混凝土塊上，拔頭加熱溫度為120℃。改性瀝青加熱溫度為180℃，基質(zhì)瀝青加熱溫度為150℃，待瀝青能夠完全自由流淌再開始灑布瀝青成型模型。試驗環(huán)境為5℃水浴，由實驗所得數(shù)據(jù)可得5種類熱瀝青在不同灑布量下的粘結(jié)強度曲線如圖4所示。

圖3 在鋼界面上五種熱瀝青隨瀝青灑布量的不同粘結(jié)強度變化圖Fig.3 Five types of asphalt’s bond strength change with different asphalt spraying amount on steel surface

圖4 在瀝青混凝土界面上五種熱瀝青隨瀝青灑布量的不同粘結(jié)強度變化圖Fig.4 Five types of asphalt bond strength change with different asphalt spraying amount on bituminous surface

由圖4可知四種改性瀝青在瀝青混凝土界面上的粘結(jié)效果要明顯優(yōu)于ESSO70#基質(zhì)瀝青，而且當瀝青灑布量大于0.6 kg·m-2后層間粘結(jié)強度不再有明顯增加，因此可將0.6 kg·m-2作為該界面上的最佳瀝青灑布量。與此同時，相比在鋼界面，SBS改性瀝青在瀝青混凝土界面上并無十分明顯的優(yōu)勢。

2.3 水泥混凝土-瀝青混凝土界面間粘結(jié)性能分析

圖5 在水泥混凝土界面上灑布量為0.6 kg·m-2時五種熱瀝青的粘結(jié)強度變化圖Fig.5 Five types of asphalt bond strength change when the spraying amount of asphalt is 0.6 kg·m-2on concrete surface

由于五種熱瀝青在鋼底面和瀝青混合料底面上的最佳瀝青用量都介于0.6～0.8 kg·m-2。所以在水泥面上只選取0.6 kg·m-2灑布量對這五種熱瀝青進行了粘結(jié)強度評價。

試驗中先澆筑C35水泥混凝土試塊，然后切割成10 cm×10 cm×5 cm的混凝土塊。然后再將瀝青混凝土底面和拔頭加熱，混合料底面的加熱溫度為60℃，拔頭加熱溫度為120℃。改性瀝青加熱溫度為180℃，基質(zhì)瀝青加熱溫度為150℃，瀝青能夠完全自由流淌再開始灑布瀝青成型模型。待強度形成，采用磚面粘結(jié)強度拉拔法檢測，試驗環(huán)境為5℃水浴.由實驗數(shù)據(jù)得5種類熱瀝青在0.6 kg·m-2灑布量下的粘結(jié)強度如圖5所示。

由圖5可知瀝青灑布量為0.6 kg·m-2時5種熱瀝青在水泥混凝土面上的粘結(jié)強度強弱順序依次是：SBS改性瀝青>ESSO70#基質(zhì)瀝青>TB復合改性瀝青>橡膠瀝青>TB改性瀝青。SBS改性瀝青的粘結(jié)效果明顯優(yōu)于其余4種，且后面4種瀝青的粘結(jié)強度差別并不是很大。

2.4 熱瀝青在3種界面間的粘結(jié)強度對比

因為這5種熱瀝青在鋼底面和瀝青混合料底面上的最佳瀝青用量都介于0.6～0.8 kg·m-2，且本文在水泥面上只選取0.6 kg·m-2的灑布量進行實驗。所以此處選擇0.6 kg·m-2的灑布量下，不同界面上5種瀝青的粘結(jié)強度進行對比分析，如圖6所示。

由圖6分析可得：

圖6 0.6 kg·m-2灑布量下5種瀝青在不同界面上的粘結(jié)強度對比Fig.6 Five types of asphalt bond strength change when the spraying amount of asphalt is 0.6 kg·m-2on different surface

1）4種改性瀝青在不同的底面上的粘結(jié)強度具有一致性，粘結(jié)強度由強到弱順序依次是SBS改性瀝青>TB復合改性瀝青>橡膠瀝青>TB改性瀝青。而且無論在哪種界面上，SBS改性瀝青的粘結(jié)效果都是最好的。

2）總體看來，不同熱瀝青在瀝青混凝土界面上的平均粘結(jié)強度要高于其他兩個界面。這主要是由于熱瀝青能與原來瀝青混凝土表面的瀝青重新融合，從而增大了粘結(jié)強度。

3 結(jié)論

1）本文研究的5種熱瀝青中SBS改性瀝青在3種界面條件下的粘結(jié)效果都是最好的，因此實際工程中SBS改性瀝青的應(yīng)用范圍最廣。

2）在鋼界面和水泥混凝土界面上，SBS改性瀝青的粘結(jié)強度要明顯大于其他幾種瀝青，因此這兩種界面間選擇SBS改性瀝青做粘層油最合適。同時在這兩種界面間的最佳灑布量介于0.6～0.8 kg·m-2之間。

3）在瀝青混凝土界面，4種改性瀝青效果差異不大，可根據(jù)實際工程需要和經(jīng)濟性原則選取其中的一種作為粘層油，這4種改性瀝青在瀝青混凝土界面的最佳灑布量均為0.6 kg·m-2。

4）相同的瀝青種類和灑布量條件下，鋼界面和水泥混凝土界面下的平均粘結(jié)強度要小于瀝青混凝土界面，因此這兩種界面應(yīng)該是工程中重點關(guān)注的界面類型。

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(責任編輯 王建華)

Adhesive Property Evaluation of Hot Asphalt on Different Surface

Liu Jing1，Zhang Jinquan1，Hao Gengren2
(1. Highway Research Institute of the Ministry of Transport，Beijing 100088，China；2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：With cohesive force as the evaluation standard，drawing tests were carried out by using SBS modified asphalt，rubber asphalt，TB asphalt，TB compound modified asphalt and ESSO70# basic asphalt as tack coat oil to evaluate effects of the tack coat oil and the optimum asphalt content on steel surface，bituminous concrete surface and cement concrete surface. Results indicate that all kinds of hot asphalt exhibit excellent performance with SBS modified asphalt exhibiting the best adhesive performance. It finds out that the adhesive property of asphalt is improved greatly when the application amount ranges from 0.6 to 0.8 kg·m-2.

Key words：hot asphalt；adhesive property；drawing tests；steel surface；bituminous concrete surface；cement concrete surface

中圖分類號：U414

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）03-0034-06

收稿日期：2015－01-18

作者簡介：劉靖（1973—），女，高級工程師，博士，研究方向為瀝青與瀝青混合料。