溫度和水分對多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能的影響

李 俊， 陸海珠， 李明亮

(1.交通運輸部公路科學研究院， 北京 100088； 2.江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 211100)

0 引言

瀝青路面層間粘結(jié)不良將會導致瀝青面層在車輛荷載和環(huán)境因素綜合作用下發(fā)生推移、擁包等病害，層間接觸狀態(tài)也會對路面結(jié)構(gòu)力學響應和車轍病害發(fā)展產(chǎn)生一定的影響，進一步影響路面使用壽命[4-5]。瀝青路面層間粘結(jié)性能受到面層類型、粘層油種類及用量、溫度、荷載、水分等影響，國內(nèi)學者對此開展了大量的研究工作[6-9]。為了提高瀝青路面的層間粘結(jié)性能，改善瀝青路面對高溫重載多雨地區(qū)的環(huán)境適應性，橡膠瀝青碎石封層、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧改性乳化瀝青等新型粘層材料逐漸被用于瀝青路面粘層[10-12]。也有學者針對薄層罩面與瀝青路面的層間粘結(jié)問題，分析了表面粗糙化方式、粘層油類型和環(huán)境溫度等對層間粘結(jié)性能的影響[13]。由于瀝青路面層間接觸部位的空隙率、構(gòu)造深度會對粘層油用量、層間粘結(jié)效果產(chǎn)生影響[14-15]，吳少鵬[16]、田小革[17]等對大空隙特征的多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能開展了相關(guān)研究，段寶東[18]等系統(tǒng)研究了改性乳化瀝青、改性瀝青碎石封層等粘層材料對多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能的影響，并推薦了不同粘層適宜的材料參數(shù)。

多孔瀝青路面大空隙特征導致其與下承層具有獨特的層間接觸狀態(tài)，所表現(xiàn)的層間粘結(jié)性能也與密級配路面不同。由于層間粘結(jié)性能受到溫度、水分的影響，而目前相關(guān)學者主要對比分析了不同粘層材料下多孔瀝青路面的層間粘結(jié)強度，因此本文重點研究了溫度、水分等環(huán)境條件對多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能耐久性的影響。

1 試驗方案

選取SBS改性乳化瀝青、SBS改性瀝青碎石封層、橡膠瀝青碎石封層作為多孔瀝青路面代表性防水粘結(jié)層材料，3種防水粘結(jié)層的材料參數(shù)如表1所示。

表1 3種防水粘結(jié)層的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of three kinds of waterproof bonding layers防水粘結(jié)層類型瀝青用量/(kg·m-2)碎石參數(shù)碎石粒徑/mm碎石撒布面積/%SBS改性乳化瀝青0.4——SBS改性瀝青碎石封層1.25～1060橡膠瀝青碎石封層1.55～1060

通過成型直徑100 mm、高100 mm 的復合圓柱體試件，開展層間粘結(jié)性能試驗。復合圓柱體試件中多孔層和下承層的結(jié)構(gòu)形式為PAC-13和AC-20，厚度均為50 mm，防水粘結(jié)層不計厚度。采用層間剪切試驗和層間拉拔試驗評價多孔瀝青路面的層間粘結(jié)性能，剪切和拉拔速率均為50 mm/min。具體試驗方案如下所述。

a.選取5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃作為防水粘結(jié)層使用環(huán)境中低溫、常溫、普通高溫和極端高溫的模擬條件，分別測試復合圓柱體試件在不同溫度條件下的層間剪切強度和層間拉拔強度，分析溫度對多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能的影響。

b.將復合圓柱體試件置于25 ℃水浴箱中浸水48 h，立即開展層間剪切試驗和層間拉拔試驗，并與未浸水試件進行對比，分析水分對多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能的影響。

c.采用“-5 ℃干燥環(huán)境下放置16 h+60 ℃水浴環(huán)境下放置8 h”作為一次循環(huán)，在25 ℃溫度條件下，分別測試循環(huán)0、3、9次后的層間剪切強度和層間拉拔強度，分析溫度和水分循環(huán)作用對多孔瀝青路面層間粘結(jié)性能的影響。

1.3 神經(jīng)功能評價 (1)NIHSS：分別在入院時、溶栓24 h及入院7 d時進行評估；總分0～42分，小于1分為趨于正常或正常，1～4分為輕度神經(jīng)功能缺損，5～15分為中度神經(jīng)功能缺損，>15分為重度神經(jīng)功能缺損。(2)改良Rankin量表評分(mRS)：在患者出院時及發(fā)病90 d時進行神經(jīng)功能恢復狀況評估，分為5級，其中0～2級為預后良好，3～5級為預后不良及死亡。(3)溶栓結(jié)果評價：出血事件、發(fā)病90 d死亡率、發(fā)病90 d mRS評分。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對層間粘結(jié)性能的影響

a.溫度對SBS改性乳化瀝青層間粘結(jié)性能的影響。

與無粘層試件進行對比，分別在5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃條件下對SBS改性乳化瀝青粘層試件進行層間剪切試驗和層間拉拔試驗，試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同溫度下SBS改性乳化瀝青層間抗剪強度Figure 1 Interlayer shear strength of SBS modified emulsified asphalt at different temperatures

圖2 不同溫度下SBS改性乳化瀝青層間抗拉強度Figure 2 Interlayer tensile strength of SBS modified emulsified asphalt at different temperatures

由圖1、圖2可知，對于SBS改性乳化瀝青，溫度對層間粘結(jié)強度的影響顯著，層間抗剪強度和層間抗拉強度均隨著溫度的升高而大幅下降。以25 ℃常溫條件為基準，對于層間抗剪強度，有粘層試件在40 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的50%，65 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的11%；對于層間抗拉強度，有粘層試件在40 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的39%，65 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的9%。

高溫條件下由于瀝青軟化、粘度降低，導致SBS改性乳化瀝青層間粘結(jié)強度的大幅衰減，表明其溫度敏感性很高。此外，與無粘層試件相比，有粘層試件在4個溫度條件下的層間抗剪強度和層間抗拉強度均大于無粘層試件，表明使用SBS改性乳化瀝青后，層間粘結(jié)強度雖有所降低，但是相比之下對環(huán)境溫度的適應性仍有所提高。

b.溫度對SBS改性瀝青碎石封層層間粘結(jié)性能的影響。

與無粘層試件進行對比，分別在5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃條件下對SBS改性瀝青碎石封層粘層試件進行層間剪切試驗和層間拉拔試驗，試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同溫度下SBS改性瀝青碎石封層層間抗剪強度Figure 3 Interlayer shear strength of SBS modified asphalt chip seal at different temperatures

圖4 不同溫度下SBS改性瀝青碎石封層層間抗拉強度Figure 4 Interlayer tensile strength of SBS modified asphalt chip seal at different temperatures

由圖3、圖4可知，對于SBS改性瀝青碎石封層，以25 ℃常溫條件為準，對于層間抗剪強度，有粘層試件在40 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的58%，65 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的20%；對于層間抗拉強度，有粘層試件在40℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的45%，65 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的13%。

溫度升高導致粘層材料中瀝青發(fā)生軟化，粘度也因此減小，但是由于碎石封層的存在，SBS改性瀝青碎石封層的層間粘結(jié)強度大于SBS改性乳化瀝青。此外，與無粘層試件相比，有粘層試件在4個溫度條件下的層間抗剪強度和層間抗拉強度均大于前者，而且相比SBS改性乳化瀝青，層間粘結(jié)強度提升的幅度也更大。

c.溫度對橡膠瀝青碎石封層層間粘結(jié)性能的影響。

與無粘層試件進行對比，分別在5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃條件下對橡膠瀝青碎石封層粘層試件進行層間剪切試驗和層間拉拔試驗，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同溫度下橡膠瀝青碎石封層層間抗剪強度Figure 5 Interlayer shear strength of rubber asphalt chip seal at different temperatures

圖6 不同溫度下橡膠瀝青碎石封層層間抗拉強度Figure 6 Interlayer tensile strength of rubber asphalt chip seal at different temperatures

由圖5、圖6可知，對于橡膠瀝青碎石封層，以25 ℃常溫條件為準，對于層間抗剪強度，有粘層試件在40 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的64%，65 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的24%；對于層間抗拉強度，有粘層試件在40 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的51%，65 ℃條件下的層間抗剪強度只占25 ℃時的16%。

與SBS改性瀝青碎石封層相比，在相同的溫度條件下由于橡膠瀝青粘度大于SBS改性瀝青，導致橡膠瀝青碎石封層的溫度敏感性降低，對環(huán)境溫度的適應性進一步提高，因此其層間粘結(jié)強度不僅大于SBS改性瀝青碎石封層，相比無粘層試件，其層間抗剪強度和層間抗拉強度的提升幅度更加顯著。

本文以25 ℃常溫條件為準，分別對SBS改性乳化瀝青、SBS改性瀝青碎石封層、橡膠瀝青碎石封層的3種粘層材料在40 ℃、65 ℃高溫條件下的層間粘結(jié)強度衰減比例進行計算，匯總?cè)绫?所示。

表2 不同粘層材料高溫條件下層間粘結(jié)強度衰減比例Table 2 Attenuation ratio of interlayer bonding strength at high temperature for different kinds of bonding ma-terials粘層材料不同溫度(℃)下層間抗剪強度衰減比例/%不同溫度(℃)下層間抗拉強度衰減比例/%40654065無粘層58907291SBS改性乳化瀝青50896191SBS改性瀝青碎石封層42805587橡膠瀝青碎石封層36764984

由表2可知，多孔瀝青層與下承層的層間灑布粘層可以提高對環(huán)境溫度的適應性，3種粘層材料在高溫條件下層間粘結(jié)強度的衰減比例均較未灑布粘層時有所減小。相比之下，3種粘層材料的衰減比例滿足SBS改性乳化瀝青>SBS改性瀝青碎石封層>橡膠瀝青碎石封層，這與3種粘層材料的瀝青粘度大小有關(guān)，同時層間撒布碎石提高了多孔瀝青層與下承層之間的摩阻力，也有利于改善粘層的溫度敏感性。

2.2 水分對層間粘結(jié)性能的影響

對改性瀝青碎石封層進行碾壓成型，有利于碎石與瀝青之間嵌擠穩(wěn)固，提高層間粘結(jié)強度。本文開展水分對層間粘結(jié)性能影響的研究工作時，在2種改性瀝青碎石封層灑布之后對其進行了碾壓。此外，在3種粘層材料取芯之前增加了復合車轍板碾壓次數(shù)，進一步提高了層間粘結(jié)強度。3種粘層試件浸水養(yǎng)生前后的層間粘結(jié)強度測試結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同粘層材料浸水前后層間抗剪強度Figure 7 Interlayer shear strength with/without water immersion for different kinds of bonding materials

圖8 不同粘層材料浸水前后層間抗拉強度Figure 8 Interlayer tensile strength with/without water immersion for different kinds of bonding materials

由圖7、圖8可知，3種粘層試件的層間粘結(jié)強度在浸水48 h后均出現(xiàn)了一定程度的衰減，但是相比之下，橡膠瀝青碎石封層試件的層間粘結(jié)強度始終最大，SBS改性瀝青碎石封層試件次之，SBS改性乳化瀝青試件最小。另一方面，從層間粘結(jié)強度的衰減比例來看，SBS改性乳化瀝青試件的衰減比例達到10%～30%，而SBS改性瀝青碎石封層和橡膠瀝青碎石封層試件的衰減比例均在10%以下。

2.3 溫度和水分循環(huán)作用對層間粘結(jié)性能的影響

在溫度和水分循環(huán)作用0次、3次、9次后，3種粘層試件的層間粘結(jié)強度測試結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同循環(huán)次數(shù)下各粘層試件的層間抗剪強度Figure 9 Interlayer shear strength after different cyclic action numbers for each bonding layer sample

圖10 不同循環(huán)次數(shù)下各粘層試件的層間抗拉強度Figure 10 Interlayer tensile strength after different cyclic action numbers for each bonding layer sample

由圖9、圖10可知，經(jīng)溫度和水分循環(huán)作用后，3種粘層試件的層間粘結(jié)強度均出現(xiàn)了一定程度的衰減，但是相比之下，橡膠瀝青碎石封層試件的層間粘結(jié)強度始終最大，SBS改性瀝青碎石封層試件次之，SBS改性乳化瀝青試件最小。另一方面，從層間粘結(jié)強度的衰減比例來看，經(jīng)溫度和水分循環(huán)作用9次之后，SBS改性乳化瀝青試件的衰減比例達到40%～50%，而SBS改性瀝青碎石封層和橡膠瀝青碎石封層試件的衰減比例均在40%以下，尤其是橡膠瀝青碎石封層試件的衰減比例平均只有30%左右，對溫度和水分的耦合作用具有最佳表現(xiàn)。

3 結(jié)論

a.高溫和長時間浸水作用對多孔瀝青路面層間粘結(jié)強度造成不利影響，層間抗剪強度和層間抗拉強度均出現(xiàn)不同程度的衰減。但是相比無粘層試件，有粘層試件的層間粘結(jié)強度衰減比例明顯減小。

b.溫度和水分循環(huán)作用下多孔瀝青路面層間粘結(jié)強度的衰減比例更加顯著，SBS改性乳化瀝青的衰減比例達到40%～50%，SBS改性瀝青碎石封層在40%以下，而橡膠瀝青碎石封層只有30%左右。

c.綜合對比3種粘層材料，橡膠瀝青碎石封層對溫度和水分的敏感性最小，在溫度和水分耦合作用下，多孔瀝青路面層間粘結(jié)強度無論是絕對值，還是衰減比例，均優(yōu)于SBS改性瀝青碎石封層和SBS改性乳化瀝青。