超薄磨耗層層間粘結(jié)效果影響因素研究

楊 易，陳華鑫，宋莉芳，劉 好

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710064;2.天津市市政工程研究院，天津300074)

0 引 言

超薄磨耗層技術(shù)是一種針對交通負(fù)荷大、路面性能要求較高的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，具有抗滑、抗磨耗、防水降噪等優(yōu)點(diǎn)［1］?？捎糜谔幹渭扔新访孑p微病害，同時(shí)又可作為新建路面的表面磨耗層［2］。

超薄磨耗層層間粘結(jié)效果的好壞是影響路面使用壽命的重要因素之一［3］。受外界因素作用影響，瀝青路面常常因?yàn)閷娱g粘結(jié)不足，難以抵御輪載產(chǎn)生的剪切力而發(fā)生層間破壞，造成各種病害，使瀝青路面的使用性能急劇下降。影響超薄磨耗層層間粘結(jié)效果的因素很多，包括粘層材料自身的性質(zhì)、瀝青路面層的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、外界環(huán)境和施工條件等［4］。彭良清［8］通過制作車轍試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，對比了三種不同結(jié)構(gòu)磨耗層的層間抗剪強(qiáng)度，優(yōu)選出最佳粘層乳化瀝青類型。劉好等［5］選用三種粘層材料，選擇不同灑布量及溫度制作復(fù)合型試件，進(jìn)行直接剪切和拉拔試驗(yàn)，證明了SBS(熱塑性丁苯橡膠)改性乳化瀝青更適合作超薄磨耗層NovaChip 的粘結(jié)層材料。

本文根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，采用SBS(熱塑性丁苯橡膠)改性乳化瀝青作為層間粘結(jié)材料，分別以NovaChip、AC-13、SMA-13、OGFC-13 四種級配混合料作為超薄磨耗層，以密級配AC-13 混合料模擬原路面，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，分別研究了混合料類型、乳化瀝青灑布量及溫度對瀝青路面層間粘結(jié)效果的影響，初步得到了規(guī)律，并對其原因進(jìn)行了分析。

1 原材料與礦料級配

1.1 試驗(yàn)原材料

根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，推薦選用高固含量和較高軟化點(diǎn)的乳化瀝青作為層間粘結(jié)材料［9］。粘層瀝青選用自制的中裂快凝SBS(熱塑性丁苯橡膠)改性乳化瀝青。相關(guān)性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 SBS(熱塑性丁苯橡膠)改性乳化瀝青性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of SBS(styrene butadiene styrene block copolymer)modified emulsified asphalt

本研究選用的超薄磨耗層粗集料是玄武巖，細(xì)集料是玄武巖磨細(xì)得到的人工砂，填料采用石灰?guī)r等憎水性石料磨細(xì)得到的礦粉［7］。

1.2 礦料級配

綜合考慮超薄磨耗層的級配要求，同時(shí)為了便于比較不同類型混合料對超薄磨耗層層間粘結(jié)性能的影響，本研究選用具有相同最大公稱粒徑的AC-13、SMA-13、OGFC-13 和NovaChip C 型做為超薄磨耗層級配。四種級配的匯總?cè)鐖D1。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

①試驗(yàn)溫度的選擇

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，瀝青混合料一般不容易出現(xiàn)層間剪切破壞［6］，因此本文著重研究在常溫和高溫環(huán)境下瀝青混合料層間抗剪切性能。參照SHRP(美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃)的相關(guān)規(guī)范，選擇25 ℃作為常溫試驗(yàn)溫度;我國幅員遼闊，各地區(qū)氣溫差距很大，無法進(jìn)行綜合評定，根據(jù)AASHTO(美國國家高速公路和交通運(yùn)輸協(xié)會(huì))規(guī)范建議，選擇45 ℃作為高溫試驗(yàn)溫度。

②結(jié)構(gòu)類型

上面層(磨耗層)選用四種不同類型結(jié)構(gòu)瀝青混合料，分別為AC-13、SMA-13、OGFC-13、Nova-Chip C 型，下面層都選用密級配瀝青混合料AC-13。

③乳化瀝青灑布量

根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)［5］，本試驗(yàn)選用0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2五種不同的乳化瀝青灑布量。

2.2 試件成型方法

本試驗(yàn)所用復(fù)合型試件采用馬歇爾擊實(shí)法成型［10］。首先成型下面層AC-13 瀝青混合料試件。成型時(shí)單面擊實(shí)110 次，擊實(shí)高度為60 mm;待試件完全冷卻后脫模，常溫下靜置24 h;然后在下面層試件上表面均勻涂抹一定量的粘層乳化瀝青后放入試模中，同時(shí)立即將剛拌合好的上面層瀝青混合料裝入試模。注意應(yīng)在乳化瀝青破乳前完成裝模。再單面擊實(shí)110 次，擊實(shí)高度為60 mm，冷卻后脫模，最終制得復(fù)合型試件。每組試驗(yàn)條件分別制作3 個(gè)試件。

2.3 剪切試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用具有豎向荷載作用的多功能層間力測試儀對試件進(jìn)行加載，通過測定試件層間破壞時(shí)的最大剪切力與剪切變形來評價(jià)試件的抗剪性能［11］。參考國內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，確定加載速率為1.2 mm/min。試件在水平方向剪切荷載作用下沿層間接觸面發(fā)生破壞，電腦自動(dòng)記錄剪切過程中的荷載—變形情況，并計(jì)算出抗剪強(qiáng)度［12］。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 四種超薄磨耗層級配曲線Fig.1 Grading curve of four ultra-thin wearing layers

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過直接剪切試驗(yàn)，分別研究了路面結(jié)構(gòu)、乳化瀝青灑布量及溫度與抗剪切性能的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從表2 中可以看出，混合料類型、粘層瀝青灑布量以及溫度均對超薄磨耗層層間剪切強(qiáng)度存在不同程度的影響。

表2 不同路面類型與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系(25 ℃和45 ℃)Tab.2 The relation between pavement type and shear strength(25 ℃and 45 ℃)

3.2 路面結(jié)構(gòu)類型的影響

圖2 反映出不同類型路面的層間抗剪強(qiáng)度隨著乳化瀝青灑布量的變化趨勢，可知瀝青混合料類型對層間抗剪強(qiáng)度存在影響，經(jīng)計(jì)算，NovaChip 型層間抗剪強(qiáng)度最大，在兩種不同溫度、五種乳化瀝青灑布量下的平均抗剪強(qiáng)度為1.261 MPa;SMA-13 和AC-13 次之，分別為1.100 MPa 和1.053 MPa;OGFC-13 最小，僅為1.020 MPa。

這種變化可以歸結(jié)于瀝青混合料組織結(jié)構(gòu)的影響。NovaChip 和SMA 為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，嵌擠鎖結(jié)作用使面層間不容易發(fā)生層間破壞，因此抗剪性能較好［13］;AC 是懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩阻力較小，在剪切力作用下面層間容易發(fā)生破壞，從而對其抗剪性能造成影響;OGFC 為骨架空隙結(jié)構(gòu)，雖然具有一定的骨架嵌擠作用，但由于其空隙率較大，致使不同面層間粗集料無法實(shí)現(xiàn)良好的接觸，造成層間抗剪能力的降低［17］。綜合分析可知，采用NovaChip C 型瀝青混合料的抗剪性能最優(yōu)。

圖2 25 ℃與45 ℃時(shí)不同路面結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度隨乳化瀝青灑布量的變化Fig.2 Tendency chart of the bonding shear strength in different pavement type with the increase of emulsified asphalt spraying dosage in 25 ℃and 45 ℃

3.3 乳化瀝青灑布量的影響

超薄磨耗層層間抗剪強(qiáng)度受粘層乳化瀝青灑布量的影響。當(dāng)灑布量過高時(shí)，層間接觸面間粘附自由瀝青相對較多，即形成一層富油層。當(dāng)溫度較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致層間滑移，對抗剪強(qiáng)度反而造成不利影響。反之，當(dāng)乳化瀝青灑布量過低時(shí)，接觸面層間的摩擦力比較大，粘層材料不能提供足夠的粘結(jié)力，同樣會(huì)降低超薄磨耗層層間抗剪切強(qiáng)度。因此，每種路面結(jié)構(gòu)類型必須確定最佳的乳化瀝青灑布量。

通過不同溫度下不同路面結(jié)構(gòu)的瀝青混合料層間剪切強(qiáng)度隨著乳化瀝青灑布量的變化圖(圖2)可以看出，每種路面結(jié)構(gòu)在不同溫度下，其層間抗剪強(qiáng)度在開始階段都隨著乳化瀝青灑布量的增加而逐漸增大。但當(dāng)抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值后，繼續(xù)增加乳化瀝青灑布量，層間抗剪強(qiáng)度反而呈下降趨勢。該峰值對應(yīng)的乳化瀝青灑布量，即最佳乳化瀝青灑布量［3］。

由圖2 可以看出，不同溫度下NovaChip 結(jié)構(gòu)所需的最佳乳化瀝青灑布量均高于其他類型混合料。同時(shí)，25 ℃條件下，AC、SMA、OGFC 和NovaChip 四種路面類型對應(yīng)的最佳乳化瀝青灑布量分別為0.6 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2和1.0 kg/m2，普遍高于45 ℃條件下四種路面類型對應(yīng)的最佳乳化瀝青灑布量0.6 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2。這說明常溫環(huán)境下超薄磨耗層的最佳層間粘結(jié)料用量比高溫環(huán)境下的最佳用量要略大一點(diǎn)。

3.4 溫度的影響

根據(jù)表2 的試驗(yàn)結(jié)果得到同一路面結(jié)構(gòu)分別在25 ℃和45 ℃環(huán)境條件下層間抗剪強(qiáng)度隨乳化瀝青灑布量的變化趨勢，如圖3 所示。

溫度對超薄磨耗層層間抗剪強(qiáng)度存在很大影響。由圖3 可知，四種不同類型的瀝青混合料溫度從25 ℃上升到45 ℃之后，層間抗剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降，其平均抗剪切強(qiáng)度由原來的1.082 MPa、1.171 MPa、1.110 MPa、1.372 MPa 降至1.023 MPa、1.029 MPa、0.929 MPa、1.149 MPa。這是因?yàn)闉r青粘度隨著溫度的升高而下降，此時(shí)當(dāng)瀝青混合料受到剪切荷載作用，低粘度瀝青不能提供給集料間足夠的粘滯阻力，使瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度急劇降低［5］。且在四種不同類型混合料中，NovaChip C 型層間抗剪強(qiáng)度受溫度升高影響最大，平均降低幅度為0.223 MPa，即溫度敏感性最高;AC 結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度受溫度升高影響較小，平均降低幅度為0.059 MPa，即溫度敏感性較低。分析其原因可能是由于NovaChip C 型混合料空隙率較大，溫度的升高使得粘層瀝青的粘度下降，加之自由瀝青受熱膨脹而進(jìn)入混合料孔隙內(nèi)部，使起粘結(jié)作用的乳化瀝青相對減少，因而采用NovaChip 結(jié)構(gòu)磨耗層的層間抗剪強(qiáng)度受溫度敏感性較高。

圖3 不同路面結(jié)構(gòu)在不同溫度下層間抗剪強(qiáng)度隨乳化瀝青灑布量變化Fig.3 Tendency chart of bonding shear strength of different pavement type in different temperature with the increasing spraying dosage of emulsified asphalt

4 結(jié) 論

通過本研究可以得出以下結(jié)論:

①采用馬歇爾擊實(shí)成型復(fù)合型試件，模擬實(shí)際路面結(jié)構(gòu)。通過設(shè)定合理的試驗(yàn)條件，采用層間力測試儀對試件施加荷載，模擬車輪的剪切作用，使試驗(yàn)更貼近實(shí)際路面情況。

②本試驗(yàn)分別采用AC-13、SMA-13、OGFC-13 和NovaChip C 作為磨耗層混合料。試驗(yàn)結(jié)果表明，超薄磨耗層層間粘結(jié)力大小受混合料類型的影響;且層間抗剪強(qiáng)度由大到小依次為:NovaChip C ＞SMA-13 ＞AC-13 ＞OGFC-13。

③每種路面結(jié)構(gòu)的層間抗剪切強(qiáng)度都會(huì)出現(xiàn)峰值，該峰值所對應(yīng)的乳化瀝青灑布量即是乳化瀝青的最佳灑布量。NovaChip 結(jié)構(gòu)所需最佳乳化瀝青灑布量相比其他類型混合料較高;同一種路面結(jié)構(gòu)在不同溫度下的最佳乳化瀝青灑布量亦有不同。且隨著溫度的升高，乳化瀝青的最佳灑布量均變低，降幅在0.2 kg/m2左右。這說明常溫情況下層間粘層乳化瀝青的最佳灑布量比高溫時(shí)要略大一些。

④超薄磨耗層層間抗剪強(qiáng)度受溫度變化的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度升高，超薄磨耗層層間抗剪強(qiáng)度降低。且NovaChip 結(jié)構(gòu)磨耗層層間抗剪強(qiáng)度受溫度升高影響最大，當(dāng)從25 ℃升溫至45 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度降低了0.223 MPa，即溫度敏感性最高;AC 結(jié)構(gòu)的溫度敏感性則相對最低，僅降低了0.059 MPa。

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