高黏乳化瀝青層間黏結(jié)材料設(shè)計(jì)與性能研究

張 秋 瑞，劉 亞 敏，韓 森，夏 金 平，楊 振，梁 建

( 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064 )

0 引 言

目前，霧封層、微表處、薄層罩面、超薄功能層等公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)已較多地用于我國(guó)的高速公路養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目中[1]．在進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)時(shí)，很多時(shí)候都需要在層間噴撒黏結(jié)材料，層間黏結(jié)材料將上下層黏結(jié)成一個(gè)整體，很多時(shí)候黏結(jié)材料的性能好壞對(duì)養(yǎng)護(hù)效果有著直接的影響[2]．當(dāng)層間黏結(jié)效果較好時(shí)，路面形成一個(gè)連續(xù)狀的結(jié)構(gòu)，其耐久性較好；當(dāng)層間黏結(jié)效果較差時(shí)，層間發(fā)生剪切破壞，路面結(jié)構(gòu)極易發(fā)生層間剪切病害[3-7]．

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)層間黏結(jié)材料及性能做了大量的研究．Hu等[8]研究了層間黏結(jié)材料種類(lèi)、用量及溫度對(duì)OGFC-5層間剪切強(qiáng)度的影響；Hakim[9]、Kruntcheva等[10]研究了層間黏結(jié)狀況對(duì)路面使用壽命的影響，發(fā)現(xiàn)層間黏結(jié)狀況不好會(huì)顯著降低路面的使用壽命；West等[11]、Zhang等[12]通過(guò)試驗(yàn)得出溫度對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度有重大影響；Du 等[13]、Wei等[14]研制了一種高滲透乳化瀝青層間黏結(jié)材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該層間黏結(jié)材料具有良好的黏結(jié)性能；Zhong等[15]通過(guò)層間拉拔試驗(yàn)研究乳膠改性水泥砂漿瀝青混凝土界面和水泥界面的黏結(jié)強(qiáng)度；Hu等[16]為了評(píng)估瀝青層和半剛性基層之間的黏結(jié)強(qiáng)度，對(duì)不同界面條件下的復(fù)合試件進(jìn)行了層間拉拔試驗(yàn)；Chen等[17]為了評(píng)估冰層和瀝青路面之間的黏結(jié)以更好地實(shí)現(xiàn)除冰效果，進(jìn)行了層間拉拔試驗(yàn)．

張秋福[18]以SBS改性乳化瀝青作為層間黏結(jié)材料，通過(guò)層間剪切試驗(yàn)研究了層間黏結(jié)性能；李晶[19]研究了日本TPS高黏改性劑作為層間黏結(jié)材料的層間黏結(jié)效果；李一鳴[20]研究了SBS改性乳化瀝青層間黏結(jié)材料的層間抗拉拔性能；曾同[21]研發(fā)了一種能實(shí)測(cè)黏結(jié)作用下層間剪切力和剪切位移關(guān)系的夾具．針對(duì)層間黏結(jié)材料存在的抗拉拔、剪切強(qiáng)度不足的問(wèn)題，本文研究制備一種高黏乳化瀝青作為層間黏結(jié)材料，并對(duì)其層間拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究．

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所需的主要材料有乳化劑、基質(zhì)瀝青、改性劑、穩(wěn)定劑、水．

(1)乳化劑

本研究所用乳化劑為陰離子乳化劑，易溶于熱水，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1．

表1 乳化劑的物理性質(zhì)

(2)基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青為GS90#瀝青，其基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2．

表2 基質(zhì)瀝青基本性能

(3)改性劑

改性劑為陰離子改性劑，其在外力的作用下容易拉伸結(jié)晶，使得分子間不易滑脫，具有物理力學(xué)性能、阻燃性、耐熱老化性能、黏結(jié)性能優(yōu)異的特點(diǎn)．經(jīng)它改性后的瀝青，可以降低其脆性溫度，改善低溫屈撓性，增大彈性，提高延伸性和強(qiáng)韌性，尤其提高瀝青與其他材料之間的黏著性．

(4)穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑為羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)，它屬于陰離子型纖維素醚．

(5)水性環(huán)氧改性乳化瀝青

本研究所用水性環(huán)氧改性乳化瀝青購(gòu)自某廠家，水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑按照使用說(shuō)明自行配制而成．

(6)SBR改性乳化瀝青

本研究所用SBR改性乳化瀝青是使用陽(yáng)離子乳化劑、陽(yáng)離子SBR膠乳在試驗(yàn)室自制而成．

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

試驗(yàn)設(shè)備和儀器有BEM-L型乳化瀝青試驗(yàn)?zāi)ァ㈦娮犹炱?、恒溫循環(huán)水浴箱、針入度儀、瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀、瀝青延度試驗(yàn)儀、溫度計(jì)、恒溫烘箱、MOD-NCX-205HE型鉆芯機(jī)、LGZ-1型結(jié)構(gòu)層材料強(qiáng)度拉拔儀、HS-SSⅠ型直剪儀等．

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.3.1 高黏乳化瀝青的制備 先將CMC-Na緩慢均勻地撒到具有攪拌裝置的配料缸內(nèi)，并不斷攪拌，使其形成穩(wěn)定的糊狀膠液備用；把基質(zhì)瀝青放入145 ℃的烘箱中備用；將乳化劑、改性劑、穩(wěn)定劑和水(65 ℃左右)按一定比例拌制成皂液(乳化劑用量2%，改性劑用量23%，穩(wěn)定劑用量0.4%)備用．同時(shí)打開(kāi)乳化瀝青試驗(yàn)?zāi)ヮA(yù)熱1 min 左右，把調(diào)配好的皂液緩慢勻速地倒入試驗(yàn)?zāi)ブ胁⑦M(jìn)行攪拌，然后把一定質(zhì)量的瀝青(瀝青與皂液的質(zhì)量比為6∶4)緩慢勻速地倒入試驗(yàn)?zāi)ブ?邊倒邊攪拌)，倒入后再攪拌2 min左右．

1.3.2 高黏乳化瀝青性能測(cè)試 對(duì)制得的高黏乳化瀝青進(jìn)行篩上剩余量、蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)試驗(yàn)、5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)和黏度試驗(yàn)，并和水性環(huán)氧改性乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青進(jìn)行對(duì)比．

1.3.3 混合料配合比設(shè)計(jì) 上面層混合料類(lèi)型選用超薄磨耗層(ultra-thin friction layer，UTFL，該種類(lèi)型的混合料既可用于舊路面表面功能的恢復(fù)，又可用于新建路面的抗滑層，多與用作層間黏結(jié)材料的乳化瀝青結(jié)合使用)瀝青混合料，礦料級(jí)配見(jiàn)表3．按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行最佳油石比試驗(yàn)，最終確定油石比為5.0%．

表3 UTFL-13礦料級(jí)配

1.3.4 層間拉拔試驗(yàn) 制作上下各5 cm厚的復(fù)合試件，中間噴撒一定量的層間黏結(jié)材料(用量分別為0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2)并進(jìn)行鉆芯取樣，鉆芯所用儀器見(jiàn)圖1，得到直徑為10 cm的復(fù)合試件．為了在試驗(yàn)室條件下模擬實(shí)際路面的不同構(gòu)造深度，下面層的混合料分別為AC-13級(jí)配的瀝青混合料、AC-10級(jí)配的瀝青混合料、普通水泥混凝土，其級(jí)配分別見(jiàn)表4～6．

圖1 鉆芯儀器

表4 AC-13礦料級(jí)配

表5 AC-10礦料級(jí)配

表6 水泥混凝土級(jí)配

把得到的復(fù)合試件分別在25 ℃和60 ℃的烘箱里保溫一段時(shí)間，得到相應(yīng)溫度下的試件，并在該溫度下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉拔儀器采用長(zhǎng)安大學(xué)自主研發(fā)的LGZ-1型結(jié)構(gòu)層材料強(qiáng)度拉拔儀，拉拔試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表7，在不同的試驗(yàn)條件下測(cè)得層間拉拔強(qiáng)度．

1.3.5 層間剪切試驗(yàn) 試驗(yàn)所用試件同層間拉拔試件，儀器采用長(zhǎng)安大學(xué)自主研發(fā)的HS-SSⅠ型直剪儀[22]，剪切試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表8，分別在25 ℃和60 ℃的條件下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)后的試件見(jiàn)圖2．

表7 拉拔試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

表8 剪切試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

圖2 層間剪切試驗(yàn)后的試件

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高黏乳化瀝青性能測(cè)試結(jié)果

表9為3種不同乳化瀝青的各種性能測(cè)試結(jié)果，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果差異不大，在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，故在此選擇3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值．

由表9可知：與SBR改性乳化瀝青、水性環(huán)氧改性乳化瀝青相比，高黏乳化瀝青的針入度變化不大，但軟化點(diǎn)和延度明顯增大，說(shuō)明高黏乳化瀝青的耐熱性和塑性較好，并且它的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性也滿(mǎn)足要求，因此，相對(duì)于SBR改性乳化瀝青和水性環(huán)氧改性乳化瀝青，高黏乳化瀝青更適宜用作層間黏結(jié)材料．

2.2 層間拉拔試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同類(lèi)型層間黏結(jié)材料測(cè)試結(jié)果 圖3是25 ℃和60 ℃條件下(下面層混合料為AC-13、上面層混合料為UTFL-13)，層間黏結(jié)材料分別是SBR改性乳化瀝青、高黏乳化瀝青和水性環(huán)氧改性乳化瀝青時(shí)的層間拉拔試驗(yàn)結(jié)果．

表9 不同乳化瀝青的各種性能測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，不同層間黏結(jié)材料的層間拉拔試驗(yàn)結(jié)果在25 ℃和60 ℃呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即隨著層間黏結(jié)材料用量的增加拉拔強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并且層間黏結(jié)材料用量相同時(shí)，拉拔強(qiáng)度的大小為高黏乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>水性環(huán)氧改性乳化瀝青．

2.2.2 不同級(jí)配類(lèi)型的層間拉拔試驗(yàn)結(jié)果 圖4是25 ℃和60 ℃溫度條件下(層間黏結(jié)材料為高黏乳化瀝青)，復(fù)合試件上面層是UTFL-13瀝青混合料，下面層分別是AC-13、AC-10瀝青混合料和水泥混凝土?xí)r的層間拉拔試驗(yàn)結(jié)果．

由圖4可知，在25 ℃和60 ℃的環(huán)境條件下：

(1)復(fù)合試件上面層是UTFL-13時(shí)，復(fù)合試件下面層無(wú)論是AC-13、AC-10還是水泥混凝土，層間拉拔強(qiáng)度均隨著層間黏結(jié)材料用量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；

(2)下面層為AC-13時(shí)，層間黏結(jié)材料用量為1.0 kg/m2時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值，下面層為AC-10時(shí)用量0.8 kg/m2時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值，下面層為水泥混凝土?xí)r用量0.8 kg/m2時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值；

(3)其他條件均相同的條件下，試驗(yàn)溫度由25 ℃變成60 ℃層間拉拔強(qiáng)度明顯降低，且下面層是水泥混凝土?xí)r的拉拔強(qiáng)度小于下面層是瀝青混凝土的拉拔強(qiáng)度．

為了更進(jìn)一步確定層間黏結(jié)材料的最佳用量，在上述試驗(yàn)最佳用量左右加密用量取值范圍，做進(jìn)一步的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5．

進(jìn)一步的拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明AC-13瀝青混合料在層間黏結(jié)材料高黏乳化瀝青的用量為1.05 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值，即為考慮拉拔試驗(yàn)的最佳用量；AC-10混合料在高黏乳化瀝青的用量為0.85 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值，水泥混凝土在高黏乳化瀝青的用量為0.75 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值．

2.3 層間剪切試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 不同類(lèi)型層間黏結(jié)材料測(cè)試結(jié)果 圖6是25 ℃和60 ℃條件下(下面層混合料為AC-13、上面層混合料為UTFL-13)，層間黏結(jié)材料分別是SBR改性乳化瀝青、高黏乳化瀝青和水性環(huán)氧改性乳化瀝青時(shí)的層間剪切試驗(yàn)結(jié)果．

由圖6可知，不同層間黏結(jié)材料的層間剪切試驗(yàn)結(jié)果在25 ℃和60 ℃呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即隨著層間黏結(jié)材料用量的增加剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并且層間黏結(jié)材料用量相同時(shí)，剪切強(qiáng)度的大小為高黏乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>水性環(huán)氧改性乳化瀝青．

2.3.2 不同級(jí)配類(lèi)型的層間剪切試驗(yàn)結(jié)果 圖7是25 ℃和60 ℃溫度條件下(層間黏結(jié)材料為高黏乳化瀝青)，復(fù)合試件上面層是UTFL-13瀝青混合料，下面層分別是AC-13、AC-10瀝青混合料和水泥混凝土?xí)r的剪切試驗(yàn)結(jié)果．

由圖7可知，在25 ℃和60 ℃的環(huán)境條件下：

(1)當(dāng)復(fù)合試件上面層是UTFL-13瀝青混合料時(shí)，復(fù)合試件下面層無(wú)論是AC-13、AC-10還是水泥混凝土，剪切強(qiáng)度均隨著層間黏結(jié)材料用量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)．

(2)25 ℃和60 ℃這兩種溫度條件下，剪切強(qiáng)度在不同的層間黏結(jié)材料用量時(shí)取得最大值，但由于實(shí)際路面處于60 ℃的時(shí)間相對(duì)較短，故以25 ℃時(shí)的剪切結(jié)果為主，即AC-13的最佳用量為1.0 kg/m2，AC-10的最佳用量為0.8 kg/m2，水泥混凝土的最佳用量為1.0 kg/m2；考慮到本文的目的是綜合分析拉拔和剪切的試驗(yàn)結(jié)果確定一個(gè)最佳用量，前面的拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明水泥混凝土的最佳用量為0.8 kg/m2，故在下文進(jìn)一步分析水泥混凝土剪切強(qiáng)度最佳用量時(shí)在0.8 kg/m2的基礎(chǔ)上進(jìn)行．

(3)其他條件均相同的條件下，試驗(yàn)溫度由25 ℃變成60 ℃層間剪切強(qiáng)度明顯降低，且下面層是水泥混凝土?xí)r的剪切強(qiáng)度小于下面層是瀝青混凝土的剪切強(qiáng)度．

為了更進(jìn)一步確定層間黏結(jié)材料的最佳用量，在上述試驗(yàn)最佳用量左右加密用量取值范圍，做進(jìn)一步的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖8．

進(jìn)一步的剪切試驗(yàn)結(jié)果表明AC-13瀝青混合料在層間黏結(jié)材料高黏乳化瀝青用量為1.05 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值，即為考慮剪切試驗(yàn)的最佳用量；AC-10混合料在高黏乳化瀝青用量為0.85 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值，水泥混凝土在高黏乳化瀝青用量為0.75 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值．

3 結(jié) 論

(1)相較于水性環(huán)氧改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，高黏乳化瀝青的軟化點(diǎn)更高，延度更大，因而耐熱性和塑性更好，在滿(mǎn)足工藝要求的同時(shí)黏性也更大，所以更適合作為層間黏結(jié)材料．

(2)經(jīng)過(guò)拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的試驗(yàn)條件下層間拉拔/剪切強(qiáng)度順序?yàn)楦唣と榛癁r青>SBR改性乳化瀝青>水性環(huán)氧改性乳化瀝青．

(3)層間黏結(jié)材料的黏結(jié)效果受溫度影響很大，25 ℃時(shí)具有良好的抗拉拔和剪切能力，但當(dāng)層間溫度上升至60 ℃時(shí)，層間拉拔/剪切強(qiáng)度明顯降低，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮溫度對(duì)層間黏結(jié)材料層間黏結(jié)效果的影響．

(4)拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)表明，在不同的界面條件下，層間黏結(jié)材料的最佳用量不同，但隨著層間黏結(jié)材料用量的增加，拉拔/剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；考慮拉拔和剪切試驗(yàn)結(jié)果，下面層是AC-13時(shí)層間黏結(jié)材料的最佳用量是1.05 kg/m2，下面層是AC-10時(shí)層間黏結(jié)材料的最佳用量是0.85 kg/m2，下面層是水泥混凝土?xí)r層間黏結(jié)材料的最佳用量是0.75 kg/m2．