不同摻量膠粉復(fù)合改性瀝青玻璃纖維防水黏結(jié)層力學(xué)性能研究

張永利，馬華寶

(1.中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050052； 2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050091；3.交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備研發(fā)中心，河北 石家莊 050091)

0 引 言

防水黏結(jié)層最早多用于橋面鋪裝，鋪裝在瀝青層和水泥混凝土之間，起防水和黏結(jié)的雙重作用。隨著瀝青路面對(duì)服役壽命要求的提升，一些省份開始將防水黏結(jié)層應(yīng)用于瀝青層與半剛性基層之間，或者應(yīng)用于瀝青面層之間，因此對(duì)防水黏結(jié)層材料產(chǎn)生了更高的要求，不僅要求防水，黏結(jié)性好，還要具備良好的抗剪和抗裂性能，面對(duì)這一需求，許多新型的防水黏結(jié)層材料應(yīng)運(yùn)而生。

目前常用的防水黏結(jié)層材料為SBS改性瀝青，隨著穩(wěn)定型膠粉復(fù)合改性瀝青的大面積推廣應(yīng)用，摻加20%膠粉的復(fù)合改性瀝青防水黏結(jié)層逐漸受到青睞。雖然其防水和黏結(jié)性能都很好，但是由于膠粉顆粒彈性內(nèi)核的獨(dú)立性，其空間網(wǎng)絡(luò)分布不如SBS改性瀝青均勻，因此抗裂能力還有待提升。提升途徑一般分為有2種，一是通過物理化學(xué)作用預(yù)先將膠粉降解，提高膠粉與瀝青的相容性；二是預(yù)先將膠粉熟化，打破膠粉的彈性內(nèi)核，進(jìn)一步提高膠粉的摻量。有學(xué)者通過Terminal Blending無攪拌潤濕工藝，制備了Terminal Blending膠粉改性瀝青，試驗(yàn)結(jié)果表明，TB工藝能夠促進(jìn)膠粉完全溶于瀝青，使得TB瀝青整體更加均勻。也有學(xué)者通過微波活化技術(shù)，首先對(duì)膠粉進(jìn)行了預(yù)處理，經(jīng)微波處理后的膠粉制備出的改性瀝青相對(duì)于普通膠粉改性瀝青，高溫性能、低溫性能、抗老化性能和熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性等都有所提高。[1-6]

此外，有研究證明，在瀝青中加入玻璃纖維，可通過加筋作用有效提高瀝青整體性，增加其韌性，從而提高抗裂能力。與此同時(shí)，新型自動(dòng)同步封層設(shè)備的應(yīng)用，也使膠粉復(fù)合改性瀝青玻璃纖維防水黏結(jié)層的工程應(yīng)用成為可能。利用纖維良好的應(yīng)力吸收和分散能力，以及高抗拉伸強(qiáng)度和高模量的特性，通過噴射無捻粗紗型玻璃纖維，可有效提高黏結(jié)層的抗拉、抗剪、抗壓和抗沖擊強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)中起到加筋的作用。此外，玻璃纖維對(duì)膠粉復(fù)合改性瀝青具有很好的吸附作用，可很容易地吸附瀝青中的油份，增強(qiáng)其黏度和黏附力，有效阻止瀝青的流動(dòng)。

基于膠粉復(fù)合改性瀝青玻璃纖維防水黏結(jié)層的優(yōu)異性能和廣闊前景，本文選取SBS改性瀝青、20%膠粉復(fù)合改性瀝青和40%膠粉復(fù)合改性瀝青，首先對(duì)其黏韌性和拉拔性能進(jìn)行了對(duì)比；然后根據(jù)瀝青類型和有無摻加玻璃纖維，劃分為了A/B/C/D/E共5個(gè)試驗(yàn)組，對(duì)不同瀝青小梁的低溫彎曲性能，以及防水黏結(jié)層的抗拉拔、抗剪切性能進(jìn)行了對(duì)比；最后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)建議。

1 試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 石料

石料采用9.5～13.2 mm單一粒徑石灰?guī)r碎石，具體技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

表1 碎石技術(shù)指標(biāo)要求

1.1.2 瀝青

試驗(yàn)用瀝青為SBS改性瀝青(摻量4%)、20%膠粉復(fù)合改性瀝青(以下簡(jiǎn)稱20%RA)和40%膠粉復(fù)合改性瀝青(以下簡(jiǎn)稱40%RA)，其中20%RA采用普通生膠粉制備，而40%RA采用熟化預(yù)處理膠粉制備，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

膠粉改性瀝青制備采用30目膠粉，技術(shù)指標(biāo)符合《廢輪胎橡膠瀝青及混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB13T 1013—2009)和《路用廢胎硫化橡膠粉》(JT/T 797—2011)的規(guī)定，70#基質(zhì)瀝青滿足A級(jí)道路石油瀝青技術(shù)要求，復(fù)合用SBS為星線混合型，摻量為1%±0.5%。

表2 膠粉復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 纖維

纖維采用2400Tex無堿玻璃纖維無捻粗砂，切割長度為3～6 cm，滿足《玻璃纖維無捻粗砂》(GB/T 18369—2008)的有關(guān)要求，具有良好的切割性和抗靜電性，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 瀝青性能試驗(yàn)

為了表征不同防水黏結(jié)層瀝青的力學(xué)性質(zhì)，分別進(jìn)行瀝青的黏韌性和拉拔試驗(yàn)，對(duì)比瀝青的黏韌性和抗拉強(qiáng)度。

表3 玻璃纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2.2 黏結(jié)層性能試驗(yàn)

進(jìn)行防水黏結(jié)層施工時(shí)，瀝青灑布量為1.8～2.0 kg·m-2，玻璃纖維撒布量為100～120 g·m-2，碎石撒布量為6～8 kg·m-2，撒布率為65%～70%，碎石需經(jīng)過加熱、除塵，宜采用0.3%～0.4%的瀝青預(yù)裹敷。室內(nèi)試驗(yàn)按照以上要求進(jìn)行摻配，通過靜置或靜壓成型的方式，制備小梁試件和圓柱形試件，分別用于低溫彎曲試驗(yàn)和拉拔、直剪試驗(yàn)。

根據(jù)瀝青類型和有無摻加玻璃纖維，將試驗(yàn)分為5組。A組采用SBS改性瀝青，作為對(duì)照組，B組采用40%RA，C組采用40%RA+玻璃纖維，D組采用20%RA，E組采用20%RA+玻璃纖維。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青黏韌性試驗(yàn)

黏韌性試驗(yàn)試樣按規(guī)范要求制備，主要試驗(yàn)參數(shù)如下：拉伸速率為500 mm·min-1，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)結(jié)束條件為拉至伸長300 mm或者斷裂，不同瀝青的黏韌性試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同瀝青的黏韌性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青的黏韌性最好，20%RA次之，40%RA相對(duì)較差。分析原因有以下兩點(diǎn)：一是在同等瀝青用量下，20%RA比40%RA富有更多的自由瀝青，因此黏性更大；二是由于20%RA采用的是普通生膠粉，保留了更多的膠粉彈性內(nèi)核，因此顆粒獨(dú)立性更強(qiáng)，而40%RA采用的是經(jīng)熟化預(yù)處理的膠粉，顆粒間更易形成整體，因此韌性更強(qiáng)。

通過表2常規(guī)指標(biāo)和表4黏韌性指標(biāo)綜合對(duì)比，可以總結(jié)如下幾點(diǎn)：隨著膠粉摻量的增加，一是膠粉復(fù)合改性瀝青的針入度增大，與之對(duì)應(yīng)，在黏韌性試驗(yàn)中材料的最大應(yīng)力降低；二是膠粉復(fù)合改性瀝青的黏韌性降低，韌性增加，韌性占黏韌性的比重逐漸增加，材料從硬質(zhì)彈性體向軟質(zhì)彈性體過渡；三是膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫延度增大，與之對(duì)應(yīng)，在黏韌性試驗(yàn)中材料的斷裂點(diǎn)伸長增加；四是膠粉復(fù)合改性瀝青的離析軟化點(diǎn)差逐漸降低，與之對(duì)應(yīng)，在黏韌性試驗(yàn)中，材料的斷裂方式從應(yīng)力集中斷裂向延性斷裂過渡。

2.2 瀝青拉拔試驗(yàn)

瀝青拉拔試驗(yàn)過程如下：將2個(gè)自制相同尺寸的圓形模具分別稱取質(zhì)量、測(cè)量直徑，放入160 ℃烘箱中預(yù)熱30 min；向其中1個(gè)模具中心處滴加一定質(zhì)量的瀝青，然后把另1個(gè)模具迅速與其中心對(duì)齊并按壓，直到模具四周有瀝青溢出，保持豎直狀態(tài)靜止24 h，用熱刮刀刮去溢出的瀝青，并用三氯乙烯擦拭干凈，放入25 ℃高低溫箱養(yǎng)護(hù)5 h，最后在拉力機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為5 mm·min-1。不同瀝青的拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同瀝青的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以看出，SBS改性瀝青的最大拉力和抗拉強(qiáng)度最大，20%RA次之，40%RA相對(duì)較差。隨著膠粉摻量的增加，膠粉復(fù)合改性瀝青的最大拉力和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，這說明瀝青的剛性隨著膠粉摻量的增加逐漸下降，這與黏韌性試驗(yàn)的結(jié)論是一致的。

2.3 小梁低溫彎曲試驗(yàn)

由于室內(nèi)很難模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過程并成型類似混合料試件，且相關(guān)研究證明，混合料的低溫性能主要與膠結(jié)料類型及用量有關(guān)，因此，本文制備的小梁試件僅由瀝青和纖維組成，不撒布石料，用瀝青小梁試件的低溫抗彎拉性能表征防水黏結(jié)層材料的低溫性能?？紤]到纖維尺寸和試件的均勻性，瀝青小梁尺寸定為300 mm×25 mm×25 mm，制備時(shí)，先在試模底部灑布1層10 mm厚的熱瀝青，然后按100 g·m-2的用量灑布玻璃纖維，待溫度降至室溫后，再灑布1層10 mm厚的熱瀝青，并撒布纖維，最后灑布剩余5 mm厚瀝青，封閉試件表層。

同1組試件制備至少3根，待完全冷卻后脫模，立即放入已達(dá)到-10 ℃的環(huán)境箱中保溫至少3 h，然后放置于試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，加載速率為50 mm·min-1。試驗(yàn)測(cè)得的5組防水黏結(jié)層材料在-10 ℃的彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同防水黏結(jié)層材料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，低溫彎曲最大荷載排序依次為C>A>E>B>D，其中“40%RA+玻璃纖維”最大，高于SBS改性瀝青，而20%RA最小。隨著玻璃纖維的摻入，膠粉改性瀝青的低溫彎曲最大荷載提升明顯，說明玻璃纖維可有效改善瀝青混合料的低溫性能。從試件破壞程度來看，SBS改性瀝青小梁發(fā)生脆斷，而采用膠粉復(fù)合改性瀝青的小梁，無論膠粉摻量多少，有無纖維，均未發(fā)生斷裂破壞，說明膠粉改性瀝青的低溫抗裂性能具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.4 黏結(jié)層拉拔與直剪試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)步驟如下：將試件用環(huán)氧樹脂將金屬拔頭粘牢，室溫下靜置不少于24 h。將試件置于25 ℃恒溫水浴中養(yǎng)生2 h后，迅速取出固定于拉拔夾具上，啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)，拉拔速率為50 mm·min-1，直至試件破壞，試驗(yàn)過程如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

圖1 拉拔試驗(yàn)

表7 不同防水黏結(jié)層材料拉拔試驗(yàn)結(jié)果

直剪試驗(yàn)試件及夾具如圖2所示，直剪試件由2半瀝青混合料試件夾裹黏結(jié)層材料組成，夾具由上下2個(gè)壓頭組成，上壓頭接壓力機(jī)的傳力桿，通過傳力桿將力施加到壓頭上，下壓頭固定試件。試驗(yàn)溫度為25 ℃，采用50 mm·min-1的剪切速率，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

圖2 直剪試驗(yàn)

表8 不同防水黏結(jié)層材料直剪試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，層間拉拔強(qiáng)度排序依次為A>E>D>B>C，其中SBS改性瀝青最大，而“40%RA+玻璃纖維”最小。雖然40%RA采用了預(yù)處理熟化膠粉，均勻性提升，瀝青膜厚度增大，但是仍然不如黏性占比較高的20%RA。玻璃纖維的摻入，對(duì)層間的拉拔強(qiáng)度無明顯改善，甚至?xí)档徒缑娴木鶆蛐?，造成拉拔?qiáng)度下降。

從表8中可以看出，采用圖2的直剪試驗(yàn)方法，由于試件由2半瀝青混合料試件組合完成，且加載速率較大，因此得到的剪切強(qiáng)度偏小且差別不大，但仍具有對(duì)比意義。層間剪切強(qiáng)度排序依次為C>A>B>E>D，其中“40%RA+玻璃纖維”與SBS改性瀝青相當(dāng)，而20%RA最小，這一方面說明，黏結(jié)層的抗剪切能力與瀝青本身的韌性有很大關(guān)系，因此韌性占比較高的40%RA表現(xiàn)要好于20%RA。另一方面，玻璃纖維的摻入，在一定程度上提升了黏結(jié)層的抗剪能力。

3 結(jié) 語

(1)從瀝青黏韌性指標(biāo)來看，SBS改性瀝青的黏韌性最好，20%RA次之，40%RA相對(duì)較差。隨著膠粉摻量的增加，膠粉復(fù)合改性瀝青的最大應(yīng)力降低，斷裂點(diǎn)伸長增加，黏韌性降低，韌性增加，韌性占黏韌性的比重逐漸增加。

(2)從瀝青拉拔試驗(yàn)結(jié)果來看，SBS改性瀝青的最大拉力和抗拉強(qiáng)度最大，20%RA次之，40%RA相對(duì)較差。隨著膠粉摻量的增加，膠粉復(fù)合改性瀝青的最大拉力和抗拉強(qiáng)度逐漸降低。

(3)從瀝青小梁低溫彎曲最大荷載來看，“40%RA+玻璃纖維”最大，高于SBS改性瀝青，而20%RA最小。隨著玻璃纖維的摻入，膠粉改性瀝青的低溫彎曲最大荷載提升明顯，說明玻璃纖維可有效改善瀝青混合料的低溫性能。

(4)SBS改性瀝青黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度最大，而“40%RA+玻璃纖維”最小。摻入玻璃纖維對(duì)黏結(jié)層的拉拔強(qiáng)度無明顯改善，甚至?xí)档徒缑娴木鶆蛐?，造成拉拔?qiáng)度下降。

(5)“40%RA+玻璃纖維”與SBS改性瀝青黏結(jié)層的層間剪切強(qiáng)度相當(dāng)，而20%RA最小。這說明黏結(jié)層的抗剪切能力與瀝青本身的韌性有很大關(guān)系，且玻璃纖維的摻入，在一定程度上提升了黏結(jié)層的抗剪能力。

(6)采用瀝青小梁測(cè)試低溫抗彎拉性能，需要注意以下兩點(diǎn)，一是瀝青由高溫冷卻至室溫過程中，會(huì)發(fā)生不同程度的收縮，可能導(dǎo)致試件厚度發(fā)生變化，因此灑布最后一層瀝青時(shí)，可適當(dāng)加量；二是在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，壓頭可能會(huì)略微陷入試件接觸部位，為避免對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，可在壓頭與試件接觸部位貼透明膠帶或纏繞薄膜予以隔離。

(7)摻加玻璃纖維的長度不宜過長，否則在試件制備過程中，易出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，在一定程度上會(huì)對(duì)黏結(jié)效果和試驗(yàn)結(jié)論造成影響。