隧道路面超薄磨耗層層間黏結(jié)效果研究

傅 勵

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015； 2.交通建設(shè)工程湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410015)

0 引言

截止2020年底，我國公路隧道超2.1萬處，總里程約2.2萬km，我國已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜的國家。公路隧道空間狹小、相對封閉、環(huán)境潮濕，其路面的建設(shè)與一般路段相比，對抗滑性、噪聲、耐久性、廢氣排放等都有較高要求。由于我國早期隧道路面技術(shù)相對薄弱，有相當(dāng)多的路面為水泥混凝土路面，存在抗滑性差、噪聲大、易斷板等問題，安全性也較差。即使設(shè)計為瀝青路面，也存在廢氣排放大、抗水損害性差等問題[1-4]。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，高性能瀝青混凝土路面相比于水泥混凝土路面可有效提升抗滑性[5]。多空隙瀝青混凝土和小粒徑超薄瀝青混凝土可有效降低噪聲[6-7]。高黏度改性瀝青可有效提升瀝青混合料抗水損害能力和抗老化能力，并具有一定降噪效果[8]。溫拌技術(shù)可明顯減少施工排放，改善施工環(huán)境[9-10]。針對目前隧道路面結(jié)構(gòu)與材料現(xiàn)狀，瀝青混凝土路面加鋪采用溫拌技術(shù)施工的高黏度改性瀝青大空隙超薄磨耗層是一種有效可行的方法。超薄磨耗層作為一種新型加鋪技術(shù)，一種廣泛使用的預(yù)養(yǎng)護手段，在抗滑、降噪等方面有優(yōu)異表現(xiàn)，但是因為厚度僅為1.5～2.5 cm，受荷載作用極容易出現(xiàn)剝落等問題，因而加鋪超薄磨耗層與瀝青路面的層間黏結(jié)效果是保證超薄磨耗層質(zhì)量的關(guān)鍵之一，而超薄磨耗層材料、黏層材料和用量則是影響層間黏結(jié)效果的主要因素[11-12]。

為研究隧道路面超薄磨耗層與下臥層層間黏結(jié)效果，本文以層間抗剪性能為主要研究指標(biāo)，通過室內(nèi)試驗，研究了開級配OGFC-13混合料、半開級配NovaChip?Type C混合料、密級配AC-13C混合料3種不同磨耗層瀝青混合料，SBS 改性乳化瀝青和Nova BondTM改性乳化瀝青2種黏層材料與0.4、0.7、1.0、1.3 L/m2共4種不同黏層油用量對隧道路面磨耗層與下臥層層間抗剪性能的影響，為隧道路面超薄磨耗層的推廣應(yīng)用提供了支撐。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

本文考慮隧道路面實際工程情況，采用了4種不同類型的混合料，包括用作超薄磨耗層的OGFC-13混合料、Nova Chip?Type C混合料、AC-13C混合料和用作下面層的AC-20C混合料。瀝青膠結(jié)料、礦物集料、礦物填料類型如表1所示，均滿足相關(guān)規(guī)范或設(shè)計要求。黏層材料采用SBS 改性乳化瀝青和Nova BondTM改性乳化瀝青進行對比，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]或Nova Chip?超薄磨耗層系統(tǒng)設(shè)計要求。

表1 瀝青混合料原材料Table 1 Asphalt mixture raw materials混合料類型瀝青膠結(jié)料礦物集料礦物填料技術(shù)要求OGFC-13殼牌高黏度改性瀝青玄武巖礦粉JTG F40NovaChip Type CNovaBinderTM改性瀝青玄武巖礦粉NovaChip 超薄磨耗層系統(tǒng)設(shè)計要求AC-13CSBS I-D 聚合物改性瀝青玄武巖礦粉JTG F40AC-20CSBS I-D 聚合物改性瀝青石灰?guī)r礦粉JTG F40

1.2 級配設(shè)計

本文設(shè)置的3種磨耗層級配為密級配、半開級配、開級配，AC-13C、OGFC-13C、AC-20C級配設(shè)計參照相關(guān)規(guī)范[14]， Nova Chip?Type C級配采用Type C型半開級配，級配曲線如圖1所示。

由圖1可知，密級配AC-13C、半開級配Nova Chip?Type C 和開級配OGFC-13共3種超薄磨耗層瀝青混合料的級配在4.75 mm 篩孔通過率有明顯區(qū)別，通過率依次減少，造成3種瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)形態(tài)有較大差別。密級配AC-13C 為骨料懸浮型結(jié)構(gòu)；半開級配Nova Chip?Type C 類似SMA 瀝青混合料，為骨架密實型結(jié)構(gòu)；而瀝青混合料OGFC-13 為骨架空隙型結(jié)構(gòu)。瀝青混合料的使用性能與其級配組成密切相關(guān)，選擇粗型級配有利于瀝青混合料的高溫抗車轍性能，能夠有更好的降噪效果，但是層間接觸面積減少，黏結(jié)效果會變?nèi)酢?/p>

圖1 級配曲線

1.3 最佳瀝青含量

AC-13C混合料和AC-20C混合料通過制作馬歇爾試件，根據(jù)試件密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值、瀝青飽和度、礦料間隙率與瀝青用量的變化情況確定最佳瀝青含量，分別為5.0%、4.4%。OGFC-13混合料由于馬歇爾試驗與用油量的關(guān)系曲線不存在峰值，故通過析漏試驗與飛散試驗確定最佳瀝青含量為5.4%，空隙率為19.5%。Nova Chip?Type C混合料基于Nova Chip?超薄磨耗層系統(tǒng)Nova Chip?體積特性的建議要求和油膜厚度指標(biāo)(油膜厚度最優(yōu)為10 μm)，以及析漏試驗、水穩(wěn)定性試驗、凍融劈裂強度比驗證，確定最佳瀝青含量為4.8%，見表2。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1試驗方案

試驗方案設(shè)計如表3所示。共設(shè)置了3個變量，包括磨耗層混合料類型、黏層材料種類、黏層材料用量3個影響層間黏結(jié)效果的最主要因素。其中磨耗層混合料采用密級配AC-13C、半開級配Nova Chip?Type C 和開級配OGFC-13作為3個水平，黏層材料采用SBS 改性乳化瀝青，Nova BondTM改性乳化瀝青作為2個水平，黏層材料用量則有0.4、0.7、1.0、1.3 L/m2共4個水平。

表2 最佳瀝青用量Table 2 Optimum asphalt content混合料類型瀝青膠結(jié)料最佳瀝青含量/%OGFC-13殼牌高黏度改性瀝青5.4Nova Chip Type CNovaBinderTM改性瀝青4.8AC-13CSBS I-D 聚合物改性瀝青5.0AC-20CSBS I-D 聚合物改性瀝青4.4

表3 試驗方案Table 3 Test scheme變量磨耗層混合料黏層材料黏層材料用量/(L·m-2)水平OGFC-13,No-vaChip Type C, AC-13CSBS 改性乳化瀝青,NovaBondTM 改性乳化瀝青0.4,0.7,1.0,1.3

1.4.2試件成型

成型過程依據(jù)規(guī)范[14]中T0703-2011相關(guān)規(guī)定，采用10 cm 車轍模具成型試件。成型步驟如圖2所示，針對2種不同乳化瀝青，成型方式有所區(qū)別。

圖2 試件成型步驟

1.4.3試驗參數(shù)

采用直剪儀進行直剪試驗，采用常溫 25 ℃作為試驗溫度，剪切加載速率為5 cm/min。參照規(guī)范[13]中T0719-2011瀝青混合料車轍試驗，試件在恒溫室中保溫 5 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨耗層類型對層間抗剪強度的影響

本文設(shè)置了3種不同類型的磨耗層進行對比，3種磨耗層的主要區(qū)別是級配和瀝青膠結(jié)料。對比相同條件下3種不同類型磨耗層(OGFC-13、Nova Chip?Type C和AC-13C磨耗層)對抗剪強度的影響，如圖3所示。

圖3 不同磨耗層對抗剪強度的影響

OGFC-13磨耗層與AC-13C磨耗層對抗剪強度的影響規(guī)律類似，并且AC-13C磨耗層表現(xiàn)更優(yōu)。Nova Chip?Type C磨耗層的表現(xiàn)相對于OGFC-13磨耗層較優(yōu)，并且在特定條件下存在明顯優(yōu)勢。很顯然，不同磨耗層類型對抗剪強度的影響存在明顯差異，這主要是因為混合料級配類型存在差異。如圖4所示，進行層間抗剪試驗時，由于OGFC-13屬于開級配瀝青混合料，空隙率較大，與下面層接觸面較少，故抗剪性能表現(xiàn)較差。而AC-13C屬于密級配瀝青混合料，與下面層接觸面較大，故抗剪性能表現(xiàn)相對較優(yōu)。但同時AC-13C屬于懸浮-密實結(jié)構(gòu)，缺乏骨架支撐，剪切力增加到一定程度時，磨耗層本身容易發(fā)生變形。因而雖然NovaChip?TypeC混合料屬于半開級配，空隙率較高，但有骨架支撐，在特定條件下抗剪性能表現(xiàn)出更高的上限。

圖4 層間剪切受力示意圖

2.2 黏層材料對層間抗剪強度的影響

本文設(shè)置了2種不同類型黏層材料，一種是常用的SBS改性乳化瀝青，另一種是Nova Chip?Type C磨耗層專用的Nova BondTM改性乳化瀝青，對比相同條件下2種不同類型黏層材料對抗剪強度的影響，如圖5所示。

圖5 不同黏層材料對抗剪強度的影響

2種黏層材料對抗剪強度的影響規(guī)律類似，但總體來說Nova BondTM改性乳化瀝青抗剪性能要優(yōu)于SBS改性乳化瀝青，抗剪強度峰值出現(xiàn)于Nova BondTM改性乳化瀝青與Nova Chip?Type C磨耗層的組合。但值得注意的是，當(dāng)用量大于0.4 L/m2時，相較于SBS改性乳化瀝青，Nova BondTM改性乳化瀝青對OGFC-13和AC-13C磨耗層層間抗剪強度的提升十分顯著。但作為Nova Chip?Type C磨耗層的專用黏層材料，其對抗剪強度的提升卻并不明顯。

2.3 黏層材料用量對層間抗剪強度的影響

如圖6所示，根據(jù)以往經(jīng)驗，本文設(shè)置了4種不同黏層材料用量(0.4，0.7，1.0，1.3 L/m2)，并針對4種不同黏層材料用量進行了6組對照試驗。

如圖6所示，6組對照試驗中有5組抗剪強度隨黏層材料用量增加先增加后減小，即用量在0.4～1.3 L/m2范圍內(nèi)存在最優(yōu)用量。AC-13C磨耗層與SBS改性乳化瀝青的組合下，抗剪強度隨黏層材料用量的增加而減小，說明該組合最優(yōu)用量小于等于0.4 L/m2。如圖7所示，磨耗層級配、黏層材料性能都會直接影響?zhàn)佑妥罴延昧?。黏層材料會在上?層接觸界面形成1層油膜，該油膜需要一定的厚度保證黏結(jié)效果，但不宜過厚，過厚時在剪切力的作用下油膜內(nèi)部也可能發(fā)生變形。另外，可以看出，無論采用何種黏層材料，OGFC-13磨耗層最優(yōu)用量在0.7 L/m2附近，Nova Chip?Type C磨耗層最優(yōu)用量在1.0 L/m2附近，這說明黏層材料的最佳用量與磨耗層類型相關(guān)。而AC-13C磨耗層使用SBS改性乳化瀝青時的最優(yōu)用量小于等于0.4 L/m2，使用Nova BondTM改性乳化瀝青的最優(yōu)用量為0.7 L/m2，說明不同黏層材料也會影響?zhàn)硬牧献顑?yōu)用量。

圖6 不同黏層材料用量對抗剪強度的影響

圖7 黏層材料作用示意圖

3 結(jié)論

a.在相同黏層材料類型和相同黏層材料用量條件下，Nova Chip?Type C磨耗層抗剪性能上限最高，但與AC-13C磨耗層互有優(yōu)劣，OGFC-13磨耗層抗剪性能表現(xiàn)最差。在黏層材料類型和黏層材料用量均為最優(yōu)條件下，Nova Chip?Type C磨耗層抗剪性能>AC-13C磨耗層抗剪性能>OGFC-13磨耗層抗剪性能。說明Nova Chip?Type C磨耗層作為1種新型磨耗層技術(shù)，有著較為優(yōu)異的層間抗剪性能。而級配也會對層間抗剪性能有顯著影響，空隙率越高，層間抗剪強度下降越明顯。

b.相同條件下，灑布Nova BondTM改性乳化瀝青抗剪性能總體要優(yōu)于灑布SBS改性乳化瀝青，但低用量時(0.4 L/m2)例外。一定用量下(0.7～1.3 L/m2)，相對于灑布SBS改性乳化瀝青，灑布Nova BondTM改性乳化瀝青對OGFC-13磨耗層和AC-13C磨耗層提升顯著，對Nova Chip?Type C磨耗層提升不明顯。

c.灑布黏層材料存在最優(yōu)用量，最優(yōu)用量值與磨耗層類型和黏層材料類型有關(guān)。最優(yōu)用量集中在0.7 ～1.0 L/m2左右，其中Nova Chip?Type C磨耗層最優(yōu)用量>AC-13C磨耗層最優(yōu)用量>OGFC-13磨耗層最優(yōu)用量。