材料組成優(yōu)化的開普封層黏結(jié)性能

李海濱，趙瓊陽，張成雪，劉 慧，趙桂娟，李 艷，郭 平，馬慶偉

（1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安眾力瀝青有限公司，陜西 西安 710024；3.西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

開普封層由碎石封層與微表處2層結(jié)構(gòu)組合而成，2層結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，受到了道路研究者廣泛關(guān)注[1-4]。開普封層上層微表處可以減少路表水的下滲，降低路表水對結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性減弱的影響，下層碎石封層可以提高車輛輪胎對路面的摩擦力，提高抗滑性。開普封層中碎石封層對路面反射裂縫有一定抑制作用，微表處能夠改善路面表面功能，并保護(hù)碎石封層減少碎石脫落[5-7]。道路工程中會出現(xiàn)開普封層與下承層層間黏結(jié)力不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滑移的問題，嚴(yán)重影響路面使用情況。因此，通過對開普封層材料選擇、用量方面進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更優(yōu)的路用性能。

張俊等通過對不同地區(qū)開普封層的實(shí)際應(yīng)用狀況進(jìn)行研究，提出合適的開普封層施工參數(shù)[8]。區(qū)仕權(quán)采用加速加載設(shè)備對橡膠瀝青開普封層的性能進(jìn)行評價，對材料類型選擇，生產(chǎn)和工藝進(jìn)行了優(yōu)化[9]。姜鋒等在2種不同粒徑下對開普封層的抗滑、抗?jié)B等物理性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過高溫試驗(yàn)優(yōu)化不同粒徑碎石灑布量與橡膠瀝青用量的配合比，并依托試驗(yàn)路進(jìn)行驗(yàn)證[10]。道路運(yùn)營過程中，由于受到車輛反復(fù)行駛及外部環(huán)境造成的路表水下滲等影響，路面結(jié)構(gòu)層間的黏結(jié)力將會減弱，發(fā)生剪切破壞[11-13]，從而出現(xiàn)坑槽、車轍波浪、路面變形等病害現(xiàn)象[14-16]?；趶U舊材料循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展理念，許多學(xué)者對RAP用于開普封層進(jìn)行充分研究。李濤將RAP用在微表處混合料中，發(fā)現(xiàn)對城市道路使用RAP微表處混合料可以降低噪音影響[17]。樊尚志等將RAP摻入微表處混合料中，研究分析混合料水穩(wěn)定性及高低溫性能，發(fā)現(xiàn)RAP摻量影響著微表處混合料的性能[18]。任麗娜通過Zeta激光粒度電位儀試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入RAP超過90 min后，微表處的粘聚力可滿足強(qiáng)度要求[19]。李楊梅通過一系列試驗(yàn)研究RAP摻量對路用性能的影響，提出RAP摻量應(yīng)控制在30%以內(nèi)，此時路用性能滿足規(guī)范要求[20]。SSGHAFI等采用濕磨耗試驗(yàn)（WTAT）和負(fù)荷輪粘砂試驗(yàn)（LWT），研究RAP摻入稀漿封層后的材料性能，試驗(yàn)結(jié)果表明含RAP的稀漿封層的可行性與經(jīng)濟(jì)性[21]。

筆者以開普封層為研究對象，選擇不同碎石撒布量，用RAP集料減少對新集料的使用，對上下層的配伍性及不同裹覆程度，采用路面層間黏結(jié)性能測試儀和掃刷試驗(yàn)，對層間抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及扭矩進(jìn)行分析，優(yōu)化開普封層材料組成，通過研究開普封層層間黏結(jié)性能，驗(yàn)證RAP集料預(yù)裹覆在開普封層中的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

采用的主要材料有4種瀝青、3種集料和2種瀝青混合料，90#基質(zhì)瀝青（90#BA）、SBS改性瀝青（SBSMA）、橡膠瀝青（AR）、SBR改性乳化瀝青（SBRMA）、玄武巖、石灰?guī)r、花崗巖、新瀝青混合料與RAP集料。

1.1.1 90#基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為中海90#BA，25 ℃針入度、15 ℃延度、軟化點(diǎn)及閃點(diǎn)性能測試值均符合規(guī)范要求[22]（表1）。

1.1.2 SBS改性瀝青

將4.5% SBS改性劑加入90#BA中，制備得到SBSMA，通過試驗(yàn)得到材料主要性能測試值（表2）。

1.1.3 橡膠瀝青

將20%的40目膠粉摻入90#BA中，制備得到AR，通過試驗(yàn)得到材料主要性能測試值（表3）。

表1 90#基質(zhì)瀝青材料性能

表2 SBS改性瀝青材料性能

表3 橡膠瀝青材料性能

1.1.4 SBR改性乳化瀝青

以SBR作為改性劑加入90#BA中，制備得到SBRMA，通過試驗(yàn)得到材料主要性能測試值（表4）。

表4 SBR改性乳化瀝青材料性能

1.1.5 集料

3種類型的集料均為強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)、干凈無雜質(zhì)，形狀呈立方體或錐體，具有較好的表面紋理，主要性能指標(biāo)測試結(jié)果均符合規(guī)范要求[23]（表5）。

表5 集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.6 瀝青混合料

新瀝青混合料由當(dāng)?shù)氐臑r青混合料攪拌站提供，RAP由G312藍(lán)田段回收獲得，通過試驗(yàn)得到主要性能指標(biāo)結(jié)果（表6）。

表6 不同瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)

1.2.1 掃刷試驗(yàn)

碎石是開普封層中一種主要組成部分，粒徑大小和巖石性質(zhì)直接影響著開普封層的抗滑性和使用壽命。黏結(jié)性能是影響集料脫落的主要因素，對開普封層質(zhì)量至關(guān)重要。若集料與瀝青不能良好黏結(jié)，在不斷的車輛行駛荷載和雨水沖刷聚集作用下，碎石易發(fā)生剝落。脫石率可反應(yīng)集料與瀝青的黏結(jié)性能，選用脫石率作為評價集料與瀝青的黏附性能的指標(biāo)。采用不同類型瀝青制備碎石封層試件，對比分析脫石率試驗(yàn)前后變化，得出各材料的適宜類型、用量和粒徑范圍。試件模具面積為606.7 cm2，掃刷直徑為18 cm。

1.2.2 拉拔、直剪和扭剪試驗(yàn)

開普封層層間最大拉拔力、最大剪切力及最大扭矩直接影響該層的使用壽命[24-25]。通過3種試驗(yàn)對開普封層試件進(jìn)行拉拔、直剪和扭剪等試驗(yàn)（圖1）。試驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行，拉拔試驗(yàn)最大拉力為10 kN，拉拔速度為6 mm/min；扭剪試驗(yàn)最大剪力為200 N·m，剪切速度為0.05 r/min。開普封層層間黏結(jié)性以強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析與評價。

圖1 開普封層試件拉拔、直剪與扭剪試驗(yàn)Fig.1 Pull-out，direct shear and torsional shear tests of cape seal specimens

2 開普封層材料組成優(yōu)化

2.1 下層碎石封層

2.1.1 瀝青用量及類型

《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）對封層中各種瀝青的使用僅給定了推薦范圍，并未給出明確的推薦用量。文中采取上述掃刷試驗(yàn)，參考實(shí)際情況，根據(jù)4種瀝青的材料性質(zhì)，結(jié)合既有經(jīng)驗(yàn)，瀝青灑布量選用0.8～2.4 kg/m2，其中90#BA和SBSMA范圍選定為0.8～1.4 kg/m2，AR和SBRMA為1.6～2.4 kg/m2，碎石封層粒徑范圍選用4.75～9.5 mm進(jìn)行試驗(yàn)（圖2）。

圖2 不同瀝青與灑布量的碎石脫石率Fig.2 Stone removal rate of different asphalt with different spreading quantity

在同類型瀝青中，脫石率隨瀝青用量的增加均降低，隨著灑布量增大，90#BA，SBSMA，AR，SBSMA的碎石脫石率下降幅度分別在28.0%～48.8%，33.6%～46.0%，39.2%～50.6%和6.8%～46.9%之間，這是因?yàn)闉r青灑布量增加大量瀝青裹覆于集料上，兩者之間黏附性增強(qiáng)。不同材料組成下各試件瀝青灑布量與脫石率的關(guān)系變化類似，在相同瀝青灑布量時，由于各種瀝青的強(qiáng)度、黏度不同，SBSMA的脫石率最小，為3.7%，AR與90#BA次之，分別為3.9%和4.2%，SBRMA最大，為8.6%。說明SBSMA由于自身黏度較大，與集料的黏結(jié)性最優(yōu)。

瀝青灑布量為1.2 kg/m2時，90#BA已裹覆集料粒徑的2/3，灑布量為1.4 kg/m2時，開普封層試件表面出現(xiàn)瀝青外溢，說明此灑布量超過適宜瀝青用量。但在制作試件時，由于車轍板表面凹凸不光滑，使得瀝青實(shí)際裹覆高度不足集料粒徑的2/3。綜合試驗(yàn)所得，90#BA與SBSMA用量相同，均為1.2～1.4 kg/m2，AR與SBRMA用量分別為2.2～2.4 kg/m2和2.0～2.2 kg/m2。

2.1.2 碎石粒徑及巖性

對不同粒徑范圍的玄武巖、石灰?guī)r和花崗巖集料進(jìn)行掃刷試驗(yàn)，得到脫石率結(jié)果（圖3）。

圖3 不同巖性和粒徑碎石的脫石率Fig.3 Stone removal rate of different lithology with particle size

隨著集料粒徑的不斷增大，3種集料脫石率均升高。這是由于在相同瀝青用量下，集料粒徑越大，集料與瀝青之間的裹附效果越差，粘附性降低，且集料受到輪胎摩擦力越大，集料與瀝青粘附面積越小，從而引起脫石率增大，推薦碎石封層使用4.75～9.5 mm粒徑范圍的集料。在上述碎石推薦粒徑范圍內(nèi)，玄武巖、石灰?guī)r和花崗巖均表現(xiàn)出最小脫石率，分別為4.5%，9.3%，13.2%。同一粒徑下，由于各種集料的粘附性、強(qiáng)度不同，呈堿性的玄武巖脫石率最小，石灰?guī)r次之，呈酸性的花崗巖脫石率最大，說明呈堿性性質(zhì)的集料和瀝青黏結(jié)效果優(yōu)于呈酸性性質(zhì)的集料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，4.75～9.5 mm呈堿性的玄武巖脫石率最小，與瀝青黏結(jié)效果最好。在實(shí)際工程施工中，如果需要使用酸性集料時，必須進(jìn)行一些碎石抗脫落工作以降低碎石集料的脫石率。

2.2 上層微表處

微表處作為開普封層上層表面結(jié)構(gòu)，對開普封層性能有重要影響。主要影響在于瀝青用量的多少，超過適宜用量時，微表處表面發(fā)生瀝青溢流，不足適宜用量時，混合料將無法成型，均會對施工造成不利影響。微表處的材料用量需要進(jìn)行試驗(yàn)測試，以得到適當(dāng)?shù)挠昧俊?/p>

不同粒徑的粗細(xì)集料與礦粉等摻配成為微表處。目前微表處多采用MS-Ⅱ和MS-Ⅲ這2種類型，根據(jù)《瀝青路面微表處設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DB61/T 1154—2018）中微表處的級配推薦范圍及礦料原級配，文中確定了2種混合料級配（表7、圖4、圖5）。粗集料均為堅實(shí)耐磨損、表面粗糙無雜質(zhì)、干燥的集料，具有較強(qiáng)抗脫落性的堿性集料，干凈無雜質(zhì)機(jī)制砂作為細(xì)集料。

表7 微表處混合料級配

圖4 MS-Ⅱ型微表處混合料級配曲線Fig.4 Grading curves of MS-Ⅱ micro-surface

圖5 MS-Ⅲ型微表處混合料級配曲線Fig.5 Grading curves of MS-Ⅲ micro-surface

規(guī)范DB61/T 1154—2018中推薦MS-Ⅱ型微表處混合料級配采用5～10,3～5,0～3 mm，MS-Ⅲ微表處混合料采用4.75～9.5,2.36～4.75,0～2.36 mm這3種規(guī)格組成的集料及礦料[26]。通過拌和、濕輪磨耗和負(fù)荷車輪粘砂試驗(yàn)，優(yōu)化材料用量。MS-Ⅲ微表處混合料最終級配：5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm=20∶10∶70，水泥用量和油石比分為1.5%和6.2%。4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm=5∶7∶88為MS-Ⅱ微表處混合料最終級配，水泥用量和油石比分別為1.5%和6.3%，SBRMA蒸發(fā)殘留物含量在MS-Ⅱ型和MS-Ⅲ型2種微表處的混合料中均為64.0%。

3 開普封層黏結(jié)性能分析

將不同碎石用量下（覆蓋率）制成的開普封層試件，通過拉拔、直剪和扭剪3種力學(xué)性能試驗(yàn)，得出試件的抗拉、剪切強(qiáng)度與最大扭矩，以評價結(jié)構(gòu)間的黏結(jié)性。根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)分析優(yōu)化碎石用量。

3.1 碎石覆蓋率對層間黏結(jié)性能影響

3.1.1 試驗(yàn)條件

按照優(yōu)化的開普封層材料組成，分別制作碎石覆蓋率為70%,80%,90%,100%，碎石撒布溫度50 ℃，碎石撒布量1.2 kg/m2，瀝青灑布溫度150 ℃的開普封層試件，微表處為MS-Ⅲ型。

3.1.2 試驗(yàn)過程

為更準(zhǔn)確模擬開普封層結(jié)構(gòu)，開普封層下承層以5 cm水泥混凝土作為墊板，并加鋪開普封層約2 cm進(jìn)行試件成型。將試件進(jìn)行首次養(yǎng)生，達(dá)到脫模條件后進(jìn)行脫模。脫模時易出現(xiàn)試件樣本斷裂等現(xiàn)象，為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，參照稀漿封層試件養(yǎng)生方法，將開普封層試件置于120 ℃烘箱中烘干至恒重，放置時間不小于5 h，此后對開普封層車轍板試件進(jìn)行鉆芯取樣，隨即進(jìn)行剪切拉拔試驗(yàn)。

圖6 開普封層試件成型過程Fig.6 Specimen forming process of cape seal

3.1.3 結(jié)果分析

不同碎石覆蓋率下開普封層試件的拉拔、直剪、扭剪等層間黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析如圖7所示。

圖7 不同碎石覆蓋率下層間黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Interlayer bonding test results under different gravel coverage rates

隨著碎石覆蓋率增加，抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和最大扭矩的變化呈一致趨勢，碎石覆蓋率在90%時出現(xiàn)最大值，分別為0.357,0.833 MPa和100.7 N·m，說明開普封層結(jié)構(gòu)在90%碎石覆蓋率下，碎石用量達(dá)到了最優(yōu)值，瀝青與集料之間取得較好的裹覆效果，結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性達(dá)到最優(yōu)。

90%碎石覆蓋率下，試件抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和最大扭矩較70%覆蓋率分別提高了70.8%，34.0%和38.5%。在70%碎石覆蓋率下對試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，開普封層兩結(jié)構(gòu)界面處產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象（圖8）。說明在此碎石覆蓋率下，開普封層未達(dá)到最佳性能，原因是微表處混合料不能與碎石形成密實(shí)的嵌擠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏結(jié)性整體較差。

圖8 碎石封層與微表處的層間斷裂Fig.8 Interlayer fracture between the crushed sealing layer and the micro-surface

當(dāng)碎石覆蓋率超過90%時，3種評價指標(biāo)的測試值開始減小。碎石覆蓋率為100%下的試件抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和最大扭矩較90%覆蓋率分別降低了34.2%，4.1%和21.2%。說明碎石覆蓋率過高時，瀝青不能對碎石進(jìn)行有效裹覆，微表處混合料與碎石之間黏結(jié)程度降低。

碎石覆蓋率過大時，微表處與碎石接觸面積和嵌擠程度均減小，黏結(jié)性減弱；碎石覆蓋率過小時，微表處將在碎石上懸浮，無法形成穩(wěn)定嵌擠結(jié)構(gòu)，效果亦較差。碎石覆蓋率在80～90%范圍內(nèi)，開普封層整體結(jié)構(gòu)與下承層之間的黏結(jié)效果較優(yōu)，且在90%時達(dá)到最佳效果。

3.2 上下層配伍性對層間黏結(jié)性能的影響

采用路面層間黏結(jié)性能測試儀對微表處和碎石封層的配伍性進(jìn)行測試。試驗(yàn)對不同粒徑范圍碎石與不同類型微表處進(jìn)行組合試驗(yàn)，以分析開普封層上下層配伍性對黏結(jié)性能的影響，選取碎石粒徑范圍為4.75～9.5 mm與9.5～13.2 mm，微表處類型為MS-Ⅱ，MS-Ⅲ型（圖9）。

采用同一類型微表處時，下層碎石封層中4.75～9.5 mm較9.5～13.2 mm碎石撒布粒徑，層間拉拔力、直剪力和扭矩均有較大提高，說明較小粒徑4.75～9.5 mm的碎石封層與上層微表處嵌擠更為緊密，結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性能較強(qiáng)。

注：4.75～9.5 mm粒徑范圍碎石封層組合MS-Ⅱ型、MS-Ⅲ型微表處分別表示為A-1和A-3；9.5～13.2 mm粒徑范圍碎石封層組合MS-Ⅱ型、MS-Ⅲ型微表處分別表示為A-2和A-4圖9 不同配伍性層間黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.9 Analysis of interlayer bonding tests results with different compatibility

采用同一類型碎石封層時，MS-Ⅲ型微表處的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度與最大扭矩均大于MS-Ⅱ型微表處，說明級配較粗的微表處與碎石封層配伍性更好，兩結(jié)構(gòu)層間的結(jié)合更為密實(shí)，形成更穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到更好的黏結(jié)效果。

MS-Ⅲ混合料和碎石粒徑4.75～9.5 mm組合為開普封層時，抗拉、剪切強(qiáng)度與最大扭矩評價指標(biāo)均取得最高值，上下層配伍性為最佳組合，黏結(jié)效果最優(yōu)。

碎石封層中碎石與微表處混合料粒徑大小在很大程度上影響結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性，前者粒徑過大或后者粒徑過小均會導(dǎo)致材料之間混合不均勻，不能構(gòu)成穩(wěn)固的嵌擠結(jié)構(gòu)，黏結(jié)性能降低。應(yīng)增大骨料之間的嵌擠程度，以增強(qiáng)開普封層層間黏結(jié)性能。

3.3 RAP預(yù)裹覆對開普封層黏結(jié)性能影響

為循環(huán)利用RAP集料，實(shí)現(xiàn)替代部分新集料，文中對RAP集料進(jìn)行預(yù)裹覆，增大熱瀝青對碎石表面的黏結(jié)強(qiáng)度，提高開普封層質(zhì)量。采用碎石覆蓋率為88%～92%的試件，4.75～9.5 mm碎石封層+MS-Ⅲ型微表處的組合方式，對無裹覆、常規(guī)預(yù)裹覆和RAP集料預(yù)裹覆3種類型開普封層試件進(jìn)行拉拔、直剪和扭剪試驗(yàn)，分析RAP集料預(yù)裹覆對開普封層黏結(jié)性能的影響。

3.3.1 預(yù)裹覆材料制備條件

制備預(yù)裹覆RAP集料，將足量預(yù)熱好2 kg粒徑4.75～9.5 mm碎石與0.2%～0.4%的BA（質(zhì)量百分比）在150 ℃下拌和90 s，制備預(yù)裹覆RAP集料。90%碎石覆蓋率下，預(yù)熱2組4.75～9.5 mm的碎石，基于確定的碎石質(zhì)量，摻入30%RAP集料，在150 ℃下拌和90 s后進(jìn)行攤鋪。

3.3.2 結(jié)果分析

不同裹覆程度的開普封層試件拉拔、直剪、扭剪層間黏結(jié)性試驗(yàn)結(jié)果分析如圖10所示。

圖10 不同裹覆技術(shù)層間黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.10 Analysis of interlayer bonding test results with different coating technologies

采用RAP集料預(yù)裹覆的開普封層相比于無裹覆的開普封層，層間抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和最大扭矩分別提高了58%，23%和13%，且都接近常規(guī)預(yù)裹覆開普封層，說明在開普封層中對RAP集料進(jìn)行預(yù)裹覆，能夠滿足開普封層黏結(jié)性能要求，在開普封層中可行。

RAP集料預(yù)裹覆后與新集料在一定溫度下進(jìn)行拌和，RAP中的部分瀝青裹覆于新集料表面，黏結(jié)性能得到提高。再次灑布瀝青后，由于RAP中的舊瀝青與新瀝青存在黏度差異，黏度較小的新瀝青向集料及舊瀝青流動融合。瀝青與碎石之間形成一個穩(wěn)定的嵌擠體系，黏附效果明顯提高，有效減小層間剪切滑移破壞，減少路面病害。

4 結(jié) 論

1）較小的集料粒徑和較大的瀝青灑布量使得瀝青與集料之間粘附性增強(qiáng)，脫石率減小；堿性集料和膠結(jié)料的黏結(jié)效果較優(yōu)，SBS改性瀝青由于自身黏度較大，與集料黏結(jié)性能最優(yōu)。

2）碎石覆蓋率為90%時，開普封層與下承層的黏結(jié)性能達(dá)到最佳狀態(tài)，開普封層的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和最大扭矩分別達(dá)到0.357，0.833 MPa，100.7 N·m。

3）MS-Ⅲ型微表處配合4.75～9.5 mm碎石粒徑形成的開普封層的配伍性最優(yōu)，具備較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與下承層層間黏結(jié)性最好。

4）RAP集料預(yù)裹覆開普封層較無裹覆開普封層黏結(jié)性能得到有效提高，抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、最大扭矩分別提高58%，23%和13%，對RAP集料進(jìn)行預(yù)裹覆可應(yīng)用于開普封層中，且實(shí)現(xiàn)了廢舊材料的循環(huán)利用。