基于層間抗剪性能的黏層材料研究

王東浩，史 偉，王劍倫，王晨宇

（黑龍江省交通投資集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

依據(jù)我國規(guī)范規(guī)定，瀝青路面結(jié)構(gòu)視作層間完全連續(xù)的多層彈性體系[1]。但在實際施工過程中，瀝青路面大多采用分層施工的方法，不同層位的瀝青面層材料的模量和強度不盡相同，導致瀝青路面結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)層間滑移、變形不協(xié)調(diào)的問題，最終導致路面病害的出現(xiàn)。為了增強面層之間的黏結(jié)，通過在層間設(shè)置黏結(jié)層，可有效延長瀝青路面的使用壽命。

瀝青路面中常采用乳化瀝青作為黏層材料，包括普通乳化瀝青和SBR 乳化瀝青等。但現(xiàn)有的乳化瀝青類黏粘層材料仍存在層間抗剪能力不足的問題，黏結(jié)性能有待提高[2]。為改善黏層材料的性能，已有研究通過多種方式探索制備各種改性乳化瀝青。朱俊等[3]制備了一種SBS 改性乳化瀝青，并分析了層間抗剪強度與黏層材料類型及用量的關(guān)系，結(jié)果表明，SBS 改性乳化瀝青的性能明顯優(yōu)于普通乳化瀝青。王文峰等[4]通過同時改變SBS 改性劑的摻量和乳化劑的種類，制得了四種不同的改性瀝青，對比分析其性能指標后得出，采用摻量為3.5%的SBS 加上JS-2 乳化劑制得的乳化瀝青黏結(jié)強度最高。王晶等[5]通過改變SBS 摻量制備了高黏度改性乳化瀝青，并依托實體工程對其黏結(jié)性能開展研究，結(jié)果表明，高溫時SBS 改性乳化瀝青抗剪切強度接近混合料自身強度，且具有良好的層間黏結(jié)性能。

路面在行車荷載的重復(fù)作用下，層間黏結(jié)材料不僅應(yīng)具有足夠的黏結(jié)強度，同時還應(yīng)具備優(yōu)良的抗剪切疲勞性能，而已有研究鮮見綜合考慮黏層材料的抗剪性能和剪切疲勞性能。鑒于此，本文針對自主研發(fā)的一種高黏改性乳化瀝青，開展直接剪切試驗和直接剪切疲勞試驗評價，并與工程常用的幾種粘層材料進行對比分析，旨在提出性能優(yōu)良的層間粘結(jié)材料，為改善瀝青路面整體性能提供技術(shù)途徑。

1 原材料

自主研發(fā)的高黏改性乳化瀝青技術(shù)指標見表1。

表1 自主研發(fā)的高黏改性乳化瀝青性能指標

直接剪切和剪切疲勞性能試驗中對比分析的三種黏層材料技術(shù)指標見表2。

表2 三種對比粘層材料的技術(shù)指標

2 試驗方案及評價方法

2.2.1 試件成型

成型300 mm×300 mm×50 mm 水泥混凝土板，在其上均勻涂抹黏層油，參考規(guī)范要求以及相關(guān)研究，灑布量定為0.6 kg/m2。將涂抹黏層材料的水泥混凝土板裝入300 mm×300 mm×100 mm 車轍板試模中，在其上成型第二層瀝青混凝土板（兩層板碾壓方向一致），再用鉆芯機鉆取高100 mm、直徑10 mm 的芯樣，用于黏層材料的抗剪性能分析。

2.2.2 抗剪性能評價方法

針對工程常用的一種普通乳化瀝青、一種SBR改性乳化瀝青、一種硬質(zhì)乳化瀝青和自主研發(fā)制備的高黏改性乳化瀝青，采用直剪試驗夾具安裝在電液同服疲勞試驗機（MTS）上，對不同粘層材料進行抗剪強度及剪切疲勞性能的對比分析。其中，直剪試驗在25℃和60℃兩個溫度下進行；直剪疲勞試驗采用應(yīng)力控制模式，加載頻率5 Hz，正弦波形，疲勞試驗溫度為25℃，為研究疲勞壽命在不同應(yīng)力水平下的變化，以0.1 為分級，采用3～5 個應(yīng)力比進行試驗分析。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同黏層材料直剪強度

涂刷上述高黏改性乳化瀝青和用于對比的三種乳化瀝青黏層材料的復(fù)合圓柱體試件在25℃、60℃兩個溫度下的直剪試驗結(jié)果見表3。同時，定義兩個溫度下的抗剪強度之比為衰減率，見式（1），表征不同黏層材料隨溫度升高的抗剪強度衰減程度，衰減率結(jié)果也列于表3 中?？梢钥闯?，兩個溫度下，高黏改性乳化瀝青黏層的抗剪強度均最高，其后依次為硬質(zhì)乳化瀝青、SBR 改性乳化瀝青、普通乳化瀝青。表3 同時列出了各種黏層材料60℃抗剪強度相對于25℃的衰減率，衰減程度從大到小的順序為SBR 改性乳化瀝青＞普通乳化瀝青＞硬質(zhì)乳化瀝青＞高黏改性乳化瀝青，說明SBR 改性乳化瀝青粘層油的溫度敏感性最高，而高黏改性乳化瀝青具有較高的粘度，SBS 改性劑的加入也降低了材料的溫度敏感性，實際工程中高溫地區(qū)更加適用。

表3 不同粘層材料直剪試驗結(jié)果

式中：τ60℃為60℃抗剪強度；τ25℃為25℃抗剪強度。

3.2 不同黏層材料剪切疲勞性能

涂刷四種黏層材料的圓柱體試件25℃直剪疲勞試驗結(jié)果見表4?？梢钥闯?，四種黏層材料的疲勞壽命都隨應(yīng)力水平的增加而急劇減小。應(yīng)力水平從0.2變化到0.3 時，疲勞壽命減小了86%～51%，說明疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化非常敏感。車輛急剎車會引起路面剪應(yīng)力的增加，從而會顯著縮短黏層材料的疲勞壽命，可能對路面產(chǎn)生破壞性的影響。從絕對數(shù)值而言，高黏改性乳化瀝青疲勞壽命最長，硬質(zhì)乳化瀝青其次，SBR 改性乳化瀝青與普通乳化瀝青的疲勞壽命遠低于高黏改性乳化瀝青。剪切疲勞壽命的排序與前述直剪試驗結(jié)果規(guī)律一致。

表4 不同應(yīng)力水平下四種粘層材料直剪疲勞試驗結(jié)果

采用式（2）對四種黏層材料不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命進行回歸分析，結(jié)果見圖1。可見，應(yīng)力比和疲勞壽命的對數(shù)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，將不同黏層材料對應(yīng)的n 值從大到小排序為：SBR 改性乳化瀝青＞普通乳化瀝青＞高黏改性乳化瀝青＞硬質(zhì)乳化瀝青。說明SBR 改性乳化瀝青隨應(yīng)力水平的變化最敏感，高黏改性乳化瀝青和硬質(zhì)乳化瀝青對應(yīng)力水平的變化敏感性最小。相比一般黏層材料，本項目開發(fā)的高黏改性乳化瀝青更能耐受車輛荷載的反復(fù)作用，抗剪性能更加優(yōu)良。

圖1 不同黏層材料應(yīng)力比與疲勞壽命關(guān)系曲線

式中：lgNf為對數(shù)疲勞壽命；k 為截距；n 為斜率；σ/s為應(yīng)力比。

4 結(jié)語

本文針對自主研發(fā)的一種高黏改性乳化瀝青以及工程常用的普通乳化瀝青、SBR 改性乳化瀝青和硬質(zhì)乳化瀝青，進行不同黏層材料的直接剪切試驗和直接剪切疲勞試驗，得到如下結(jié)論。

（1）25℃、60℃兩個溫度下，四種黏層材料的直剪強度排序為：高黏改性乳化瀝青＞硬質(zhì)乳化瀝青＞SBR 改性乳化瀝青＞普通乳化瀝青；根據(jù)直剪強度的衰減率，高黏改性乳化瀝青粘層油的溫度敏感性最低。

（2）四種黏層材料直剪疲勞壽命的排序為：高黏改性乳化瀝青＞硬質(zhì)乳化瀝青＞SBR 改性乳化瀝青＞普通乳化瀝青，且高黏改性乳化瀝青直剪疲勞壽命對應(yīng)力水平變化的敏感性最小。

（3）自主研發(fā)的高黏改性乳化瀝青作為黏層材料性能優(yōu)異。