關(guān)于復(fù)合道面層間粘結(jié)劑研究

孫建國(guó)，譚由容，陳玉潔，王秋云

(1.重慶交通職業(yè)學(xué)院路橋與建筑學(xué)院，重慶 402247；2.重慶交院和瑞檢測(cè)工程有限公司，重慶 402247)

0 引 言

隨著復(fù)合道面“白改黑”施工養(yǎng)護(hù)工藝的大量應(yīng)用，例如廣場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、廠區(qū)、小區(qū)等路面大量采用這種復(fù)合道面。復(fù)合道面通常是加鋪瀝青層，且針對(duì)復(fù)合道面的設(shè)計(jì)規(guī)范都是假定道路各層間是連續(xù)的前提條件下進(jìn)行，但實(shí)踐中，瀝青加鋪層與水泥路面層間往往是不連續(xù)的，故路面性能與設(shè)計(jì)預(yù)估存在較大偏差。水泥路面上加鋪瀝青層使得層間剪應(yīng)力和表層應(yīng)力增加，利用有限元軟件進(jìn)行瀝青混凝土面層力學(xué)分析可以得出，層間正好在剪應(yīng)力最大附近，且剪應(yīng)力隨軸重增加而增大。當(dāng)面層受較大水平荷載時(shí)，如層間粘結(jié)力較小，易出現(xiàn)疲勞裂縫，形成剪切性破壞；在長(zhǎng)大縱坡或交叉路口及廠區(qū)、校區(qū)路段，由于車(chē)輛頻繁制動(dòng)啟動(dòng)，復(fù)合路面結(jié)構(gòu)所承受的剪應(yīng)力較大，層間抗剪強(qiáng)度不足，引起的路面病害也相應(yīng)增多。因此，研究層間材料的性能，合理的選擇加鋪層層間粘接劑對(duì)于改善復(fù)合道路的抗剪能力、延長(zhǎng)道面的使用壽命具有重要意義。

工程上常用的層間粘結(jié)劑有以下幾種：乳化瀝青、改性乳化瀝青、環(huán)氧粘結(jié)劑等，馬強(qiáng)曾針對(duì)“白改黑”路面結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比不同復(fù)合試件層材料環(huán)氧改性乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青和普通瀝青，得出環(huán)氧改性乳化瀝青的層間抗剪性能最好，本項(xiàng)目正就此基礎(chǔ)進(jìn)行研究，通過(guò)調(diào)試水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青的類(lèi)型及摻配量找到最適宜的復(fù)合道面層間粘結(jié)劑，以提高復(fù)合道面面層的抗剪能力。

1 新型層間粘結(jié)劑的性能研究

選擇瀝青作為基礎(chǔ)粘結(jié)劑，通過(guò)配制合適比例的水性環(huán)氧樹(shù)脂、乳化劑及改性劑，同時(shí)加入性能可控的穩(wěn)定劑，采用滲透錨固的方法將合成好的層間粘結(jié)劑(環(huán)氧改性乳化瀝青類(lèi))固化在水泥混凝土面層上。待其上鋪設(shè)高溫的瀝青混合料后能使粘結(jié)劑在高溫條件下(100～150 ℃)充分固結(jié)，同時(shí)因環(huán)氧樹(shù)脂是熱固性材料，鋪設(shè)后瀝青混合物的熱量可促進(jìn)樹(shù)脂的硬化，使其性能發(fā)揮得更快，加快加固了無(wú)機(jī)層和有機(jī)層的層間粘結(jié)的效果。因此，本研究以互溶固化的方法將配制好的層間粘結(jié)劑使下層水泥混凝土與上層瀝青路面緊密結(jié)合，增強(qiáng)水泥混凝土基層和瀝青路面有機(jī)層間的整體連續(xù)性，從而避免層間剝離、面層推移的問(wèn)題。

本研究首先對(duì)某種水性環(huán)氧樹(shù)脂、改性乳化瀝青性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，再用摻加0、4%、6%和8%的水性環(huán)氧樹(shù)脂與改性乳化瀝青對(duì)摻，并進(jìn)行不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下粘結(jié)劑的拉拔試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)等驗(yàn)證，獲得不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量下粘結(jié)劑使用性能變化規(guī)律。

1.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂性能評(píng)價(jià)

(1)材料固化時(shí)間

常溫下初凝1 mm厚為16 h左右，2 mm為24 h左右；常溫下完全固化時(shí)間1 mm厚為20 h左右，2 mm為30 h左右；

高溫時(shí)固化迅速，140 ℃左右1 mm厚固化時(shí)間為15 min左右，2 mm為20 min左右。

圖1 水性環(huán)氧樹(shù)脂合成

(2)粘結(jié)性能檢測(cè)

通過(guò)拉拔試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn)研究了水性環(huán)氧的粘結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧具有良好的粘結(jié)性。

①常溫下性能測(cè)試

水性環(huán)氧20 h基本完成固化，強(qiáng)度達(dá)到后期強(qiáng)度的80%。將涂抹均勻的拉拔試件及抗剪試件置于常溫中固化，其性能測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 常溫下水性環(huán)氧基本固化后性能測(cè)試

②高溫固化后性能測(cè)試

將涂抹均勻的拉拔試件及抗剪試件置于140 ℃左右環(huán)境中固化后，其性能測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 高溫下水性環(huán)氧基本固化后性能測(cè)試

通過(guò)對(duì)比常溫和高溫下的拉拔試驗(yàn)及抗剪試驗(yàn)，說(shuō)明高溫固化后的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較常溫下的強(qiáng)度有所提高。厚度2 mm比1 mm各性能效果略有增加。

1.2 改性乳化瀝青性能評(píng)價(jià)

丁苯SBR膠乳改性乳化瀝青是在乳化瀝青的基礎(chǔ)上摻入丁苯SBR改性劑、改性偶合劑和其他助劑形成的復(fù)合材料，其保持了SBR改性瀝青的良好溫度穩(wěn)定性、乳化瀝青的良好施工性能和對(duì)結(jié)合面較強(qiáng)的粘結(jié)能力。故SBS改性瀝青有較高的抗剪性能，使其低溫抗裂性也比較好。本次試驗(yàn)采用丁苯SBR膠乳改性乳化瀝青比單一采用乳化瀝青做粘結(jié)劑抗剪強(qiáng)度提高10%～20%，拉拔試驗(yàn)強(qiáng)度提高15%左右。

1.3 水性環(huán)氧-改性乳化瀝青粘結(jié)性能評(píng)價(jià)

本研究?jī)?yōu)選了幾種瀝青及A、B、C三種乳化劑進(jìn)行配對(duì)實(shí)驗(yàn)，并以丁苯SBR膠乳進(jìn)行改性。經(jīng)試驗(yàn)，選取市面上某品牌瀝青，分別在40%水與60%瀝青、45%水與55%瀝青、50%水與50%瀝青組合下加入上述三種A、B、C三種乳化劑，A、C兩種效果較為良好，其中A效果較穩(wěn)定。在參入一定量的消泡劑、穩(wěn)定劑后與某種水性環(huán)氧樹(shù)脂溶液進(jìn)行比例調(diào)配，優(yōu)選最佳水性環(huán)氧-改性乳化瀝青(以下簡(jiǎn)稱新型層間粘結(jié)劑)配比。新型層間粘結(jié)劑固化時(shí)間，見(jiàn)表3。

表3 新型層間粘結(jié)劑固化時(shí)間表

1.4 新型層間粘結(jié)劑粘結(jié)性能檢測(cè)

隨著層間厚度的增加，抗拉拔性能及剪切性能效果改善不明顯，同時(shí)節(jié)約成本等情況，本次試驗(yàn)將水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青試驗(yàn)的厚度控制在1 mm。

表4 水性環(huán)氧基本固化后性能測(cè)試

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，常溫(10～38 ℃)條件下試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定；當(dāng)溫度升高，乳化效果、破乳速度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性等效果比低溫時(shí)好。同時(shí)在較高溫(60～75 ℃)條件下拉拔強(qiáng)度及抗剪輕度比常溫下要低0.1～0.2 mP不等。

2 新型層間粘結(jié)劑與傳統(tǒng)層間粘結(jié)劑性能比對(duì)分析

采用混合乳化法制備水性環(huán)氧-改性乳化瀝青的新型層間粘結(jié)劑，通過(guò)微觀形貌觀察、固化成膜試驗(yàn)探究了水性環(huán)氧-改性乳化瀝青的相容性，并對(duì)其在不同水性環(huán)氧摻量條件下進(jìn)行基本性能測(cè)試。結(jié)果表明：6%水性環(huán)氧摻量下改性乳化瀝青能較大幅提高了乳化瀝青的粘結(jié)性能；在6%水性環(huán)氧摻量下的改乳化瀝青貯存時(shí)間在25～45 min之間，共混乳液成膜相容性好，無(wú)明顯顆粒析出。通過(guò)測(cè)試改性乳化瀝青在不同水性環(huán)氧摻量下的力學(xué)性能，結(jié)果表明：改性乳化瀝青在8%以上的水性環(huán)氧摻量時(shí)粘結(jié)性能提高不明顯，且摻量越大貯存穩(wěn)定時(shí)間越短。

同時(shí)，針對(duì)工程上常用的幾種層間粘結(jié)劑：乳化瀝青、改性乳化瀝青、環(huán)氧粘結(jié)劑，分別在不同用量下試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比粘結(jié)性能，結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 不同粘結(jié)劑抗剪強(qiáng)度對(duì)比

圖3 不同粘結(jié)劑抗拉強(qiáng)度對(duì)比

實(shí)驗(yàn)表明采用此種新型粘結(jié)層材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，可以改善水泥混凝土面板與瀝青混合料之間的粘結(jié)，有效抵抗道路交通的影響，提高加鋪質(zhì)量。同時(shí)層間接觸質(zhì)量對(duì)復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的彎沉影響很大，連續(xù)的層間粘結(jié)狀態(tài)對(duì)減小路面彎沉也起著重要作用。為了提高加鋪層的使用壽命，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)確保舊水泥混凝土路面板與地基之間的層間粘結(jié)條件。研究表明，系統(tǒng)的控制瀝青、乳化劑、改性劑、水性環(huán)氧樹(shù)脂等材料的選擇及配比等參數(shù)，可有效改良和提高“白改黑”路面面層的結(jié)合狀態(tài)和力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)，并且對(duì)進(jìn)一步指導(dǎo)瀝青混凝土加鋪層施工有實(shí)踐應(yīng)用意義。

3 小 結(jié)

(1)綜合試驗(yàn)結(jié)果得出新型水性環(huán)氧-改性乳化瀝青粘結(jié)劑的抗撥和抗剪強(qiáng)度大于乳化瀝青及改性乳化瀝青類(lèi)，與改性瀝青相比也具有更好的粘結(jié)性能。

(2)水性環(huán)氧-改性乳化瀝青的最終粘結(jié)強(qiáng)度隨水性環(huán)氧摻量的增加而提高，但在8%以上的水性環(huán)氧摻量時(shí)粘結(jié)性能提高不明顯且貯存穩(wěn)定降低。

(3)本研究也中對(duì)粘結(jié)性能檢測(cè)只采用了拉拔試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)，稍顯不周，且本研究所選用的改性乳化瀝青和水性環(huán)氧樹(shù)脂相容性并不最優(yōu)，水性環(huán)氧樹(shù)脂在高摻量不能理想的形成穩(wěn)定物，后續(xù)需進(jìn)一步對(duì)此進(jìn)行分析研究與改良。