一SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能研究

孫華東, 范維玉, 時(shí)敬濤, 李玉環(huán),趙品暉, 梁 明, 劉樹(shù)俊, 李 軍

(1.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580; 2.大連環(huán)資科技有限公司,遼寧大連 116100;3.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院,北京 100142)

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一SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能研究

孫華東1,2, 范維玉1, 時(shí)敬濤3, 李玉環(huán)3,趙品暉1, 梁 明1, 劉樹(shù)俊1, 李 軍1

(1.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580; 2.大連環(huán)資科技有限公司,遼寧大連 116100;3.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院,北京 100142)

針對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料的特點(diǎn),建立基于斷裂能理論的黏附性能評(píng)價(jià)方法,考察不同黏附性助劑對(duì)灌縫料黏附性能的影響,并探討其作用機(jī)制。研究結(jié)果表明:水性丙烯酸樹(shù)脂類助劑(AR)和丁苯膠乳類助劑(SBR)能夠顯著提高灌縫料與原路面間的拉伸斷裂能和剪切斷裂能,且隨著助劑用量的增加斷裂能增加;AR通過(guò)提高灌縫料與原路面間的極限力值對(duì)斷裂能產(chǎn)生影響,且AR的加入主要提高了瀝青組分的極限拉伸力值和水泥砂漿組分的極限剪切力值;SBR通過(guò)提高灌縫料與原路面間的極限位移對(duì)斷裂能產(chǎn)生影響,且SBR的加入主要提高了瀝青組分的極限拉伸和剪切位移。

灌縫材料; 黏附性能; 助劑; 斷裂能; 極限位移; 極限力值

裂縫是瀝青路面普遍存在的病害形式[1-2]。及時(shí)處理裂縫能降低道路養(yǎng)護(hù)成本、延長(zhǎng)道路使用壽命,而且能夠提高行車(chē)的舒適性和安全性[3-5]。裂縫的處理方法有稀漿封層、微表處、罩面、灌縫、貼縫等[6-8],其中灌縫處理由于操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等,應(yīng)用最為廣泛[9]?，F(xiàn)有的灌縫材料普遍存在價(jià)格昂貴、施工復(fù)雜、環(huán)境污染、自身強(qiáng)度差和黏結(jié)性差等問(wèn)題[10-13]。范維玉等[14-17]開(kāi)發(fā)了一種以乳化瀝青和無(wú)機(jī)膠結(jié)料為主要成分的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合灌縫料-SAC型瀝青路面冷灌縫材料,具有價(jià)格低廉、施工便捷、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。筆者在前期研究工作的基礎(chǔ)上,建立灌縫料黏附性能評(píng)價(jià)方法,選取8種黏結(jié)力改性助劑,考察助劑的種類和用量對(duì)灌縫料黏結(jié)性能的影響,并探討不同黏結(jié)性助劑對(duì)灌縫料黏附性改善機(jī)制。

1 試 驗(yàn)

1.1 試劑材料

SAC型瀝青路面冷灌縫材料主要原料:乳化瀝青(陽(yáng)離子慢裂快凝型乳化瀝青,其制備方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17]);無(wú)機(jī)膠結(jié)料(水泥、石英砂、膨脹劑等);功能性助劑(減水劑、消泡劑、早強(qiáng)劑)。

黏結(jié)力改性助劑。硅烷偶聯(lián)劑類:KH-1,氨基官能團(tuán)硅烷,相對(duì)分子質(zhì)量221; KH-2,環(huán)氧基官能團(tuán)硅烷,相對(duì)分子質(zhì)量236;KH-3,甲基丙烯酰氯基硅烷,相對(duì)分子質(zhì)量248。水性環(huán)氧樹(shù)脂類:ER-1,環(huán)氧當(dāng)量190～220 g/eq,含量(50±2)%;ER-2,環(huán)氧當(dāng)量480～520 g/eq,含量(45±2)%;ER-3,環(huán)氧當(dāng)量1 600～2 000 g/eq,含量(40±2)%。水性丙烯酸樹(shù)脂類:AR,pH=4～5,含量63%～65%。丁苯膠乳類:SBR,pH=10,含量69%。以上材料均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 試驗(yàn)方法

SAC型瀝青路面冷灌縫材料的制備。按照文獻(xiàn)[17]中的流程制備SAC型瀝青路面冷灌縫材料,首先將助劑加入到液體材料中拌合均勻后再與固體材料一起拌合制成SAC型瀝青路面冷灌縫材料。除了助劑之外其他材料的配比為:瀝青與水泥(骨料)比為0.80～0.95;減水劑、消泡劑、膨脹劑和早強(qiáng)劑等助劑的用量為水泥和砂子總量0.1‰～5%。在考察黏結(jié)助劑影響時(shí),其他組分配比不變。

2 結(jié)果分析

2.1 裂縫處灌縫材料受力分析及斷裂評(píng)價(jià)

2.1.1 裂縫處灌縫材料實(shí)際受力分析及斷裂判斷標(biāo)準(zhǔn)

灌縫材料在服役過(guò)程中,在裂縫處主要受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用[6],其受力作用如圖1所示。其中,由于氣候溫度的持續(xù)變化,路面裂縫隨著路面的熱脹冷縮產(chǎn)生縮小和擴(kuò)大,使得處于裂縫處的灌縫材料受到拉應(yīng)力作用(圖1(a));而隨著交通荷載的變化,如汽車(chē)駛近或駛離裂縫時(shí),處于裂縫處的灌縫材料隨著裂縫兩邊產(chǎn)生的錯(cuò)臺(tái)變化受到剪應(yīng)力作用(圖1(b)),因此可以用拉伸黏附性能和剪切黏附性能作為灌縫材料黏附性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[18-19]。

圖1 裂縫處灌縫材料受力分析

此外,SAC型冷灌縫料在固化成型服役過(guò)程中屬于具有一定強(qiáng)度和黏彈性的固體材料,因此可以利用固體材料的斷裂力學(xué)對(duì)灌縫材料與原路面間的黏附力學(xué)進(jìn)行研究,目前對(duì)固體材料有不同的判斷斷裂的準(zhǔn)則[20-24],主要包括能量釋放率G和應(yīng)力強(qiáng)度因子K等。但是,研究發(fā)現(xiàn),用G和K作為固體材料斷裂的判斷依據(jù)往往需要起裂準(zhǔn)則,對(duì)于黏彈性的材料并不適用。Dugdale和Barrenblatt等[25-26]提出了適用于黏彈性材料且不需要起裂準(zhǔn)則的內(nèi)聚力模型(CZM),提出判斷斷裂的3個(gè)重要參數(shù),即極限位移δsep、極限力值σc和斷裂能GF:

(1)

由式(1)可知,斷裂能由δsep和σc決定。劉敬輝[27]研究發(fā)現(xiàn),基于能量法的內(nèi)聚力模型能較好地模擬裂縫,解釋了預(yù)裂縫技術(shù)的本質(zhì)機(jī)制。

2.1.2 裂縫處灌縫材料斷裂能評(píng)價(jià)體系的建立

對(duì)于一些灌縫料尤其是柔性灌縫料黏附性能的評(píng)價(jià)主要是基于拉伸循環(huán)后是否斷裂,并未進(jìn)行極限位移δsep、極限力值σc和剪切黏結(jié)力的測(cè)試[28-30]。結(jié)合SAC型冷灌縫材料的特點(diǎn),建立拉伸、剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),見(jiàn)圖2和3。其中,以水泥塊模擬原有瀝青路面,灌縫料填充在兩個(gè)水泥塊之間,將加入不同助劑材料制備的灌縫料灌注到水泥試塊中間,養(yǎng)護(hù)28 d,形成最終強(qiáng)度,進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)。其中,極限拉伸力值σcT和極限剪切力值σcS為伺服萬(wàn)用試驗(yàn)機(jī)以5 mm/min的速度進(jìn)行測(cè)試時(shí)得到的極限力值;極限拉伸位移δsepT和極限剪切位移δsepS為力值產(chǎn)生到減小為0時(shí)的位移差,通過(guò)式(1)計(jì)算分別得到拉伸斷裂能GFT和極限剪切斷裂能GFS。

圖2 拉伸黏附性能測(cè)試模具、試塊及測(cè)試

圖3 剪切黏附性能測(cè)試模具、試塊及測(cè)試

2.2 助劑類型對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能的影響

在其他條件一定,且助劑摻量為乳化瀝青2.5%的情況下,考察助劑的類型對(duì)灌縫料黏附性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,在相同的助劑摻加量下,助劑的類型對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料與原路面間的極限位移δsep、極限力值σc、斷裂能GF的影響程度不同,水性丙烯酸樹(shù)脂類助劑(AR)和丁苯膠乳類助劑(SBR)能夠顯著提高灌縫料與原路面間的拉伸斷裂能GFT和剪切斷裂能GFS。添加助劑AR的SAC型瀝青路面冷灌縫材料與不添加黏結(jié)助劑的空白組相比,其與原路面間的拉伸斷裂能和剪切斷裂能分別提高了151.84%和46.06%;而添加助劑SBR后灌縫料與原路面間的拉伸斷裂能和剪切斷裂能分別提高了185.74%和35.92%。同時(shí),與其他黏附性助劑相比,助劑AR和SBR的價(jià)格更為便宜,因此這兩種助劑作為提高SAC型瀝青冷灌縫材料的黏附性具有很好的可行性。

圖4 助劑類型對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能的影響

2.3 助劑AR用量對(duì)冷灌縫材料黏結(jié)性能的影響及機(jī)制分析

在其他條件一定的情況下,考察助劑AR摻量在0～4.5%變化時(shí)對(duì)拉伸黏附性能和剪切黏附性能的影響。結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,隨著AR摻加量逐漸增大,SAC型瀝青路面冷灌縫材料與原路面之間的極限拉伸力值σcT、拉伸斷裂能GFT和極限剪切力值σcS、剪切斷裂能GFS均逐漸增大;而極限拉伸位移和極限剪切位移變化幅度較小。當(dāng)AR摻加量為4.5%時(shí),極限拉伸力值、極限剪切力值、極限拉伸位移、極限剪切位移分別增加了266%、82%、6%和9%。表明增加助劑AR的用量可以明顯增大SAC型瀝青路面冷灌縫材料的拉伸和剪切斷裂能,從而有效地提高材料與原路面間的抗裂性能。從AR的摻加量對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料極限位移和極限力值的影響,并結(jié)合式(1)看出,AR對(duì)斷裂能的影響主要是通過(guò)其提高極限力值而不是通過(guò)

提高其極限位移來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？赡艿脑蚴?黏結(jié)劑AR屬于丙烯酸樹(shù)脂類材料,材料中含有一定量的不飽和羧酸,其結(jié)構(gòu)中的酸性基團(tuán)與水泥試塊接觸界面處的堿性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成牢固的結(jié)合面,從而提高SAC型瀝青路面灌縫材料與原路面間的拉伸黏附性能[31]和剪切黏附性能;同時(shí)由于酸堿反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體的釋放(如CO2等)導(dǎo)致灌縫材料自身孔隙率增大造成了接觸界面處粗糙度增大。

圖5 助劑AR用量對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能的影響

SAC型瀝青路面冷灌縫材料成型后屬于一種由瀝青、水泥及骨料組成的具有三維網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)構(gòu)的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料[32],其與原路面接觸界面處既存在瀝青等有機(jī)材料也存在水泥砂漿等無(wú)機(jī)材料。

助劑AR摻加量對(duì)瀝青組分、水泥砂漿組分與原路面間黏附性能的影響見(jiàn)圖6。由圖6看出,隨著助劑AR摻加量的逐漸增大,乳化瀝青蒸發(fā)殘留物(摻加助劑的乳化瀝青水分蒸干且固化后的物質(zhì))與原路面之間的拉伸斷裂能GFT有明顯增大趨勢(shì),極限拉伸力值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)但變化不明顯,其他參數(shù)基本保持不變;摻加AR的水泥砂漿固化成型后(養(yǎng)護(hù)28 d)與原路面之間的極限剪切力值σcS和剪切斷裂能GFS均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì),而其他的參數(shù)基本保持不變。

綜上所述,AR的加入能夠顯著提高SAC型瀝青路面冷灌縫材料與原路面之間黏附性能,其中對(duì)于拉伸黏附性能的影響主要通過(guò)提高瀝青(乳化瀝青破乳后的殘留物)與原路面之間的極限拉伸黏附力值實(shí)現(xiàn);對(duì)于拉伸黏附性能的影響主要通過(guò)提高水泥砂漿與原路面之間的極限剪切力值實(shí)現(xiàn)[33]。

圖6 助劑AR用量對(duì)瀝青組分、水泥砂漿組分黏附性能的影響

2.4 助劑SBR用量對(duì)冷灌縫材料黏結(jié)性能的影響及機(jī)制分析

助劑SBR摻加量對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能的影響見(jiàn)圖7。

圖7 助劑SBR用量對(duì)SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能的影響

從圖7看出,隨著SBR摻加量的增加(0～4.5%),拉伸斷裂能和剪切斷裂能顯著增加,從而有效地提高材料與原路面間的抗裂性能;隨著SBR摻加量的增加,極限拉伸位移和極限剪切位移明顯增大,但極限拉伸力值和極限剪切力值基本保持不變。由式(1)可知,斷裂能主要由極限力值和極限位移兩個(gè)參數(shù)決定,所以在極限力值變化幅度不大的情況下,極限位移的增大導(dǎo)致斷裂能的提高,因此SBR提高拉伸和剪切斷裂能的根本原因在于提高了拉伸和剪切黏結(jié)測(cè)試時(shí)的極限位移。這是由于SBR膠乳屬于橡膠,分子中不含有極性分子結(jié)構(gòu),所以不能與原路面界面處的水泥形成化學(xué)反應(yīng)影響兩者之間的力值,可能主要對(duì)瀝青起作用。瀝青用SBR膠乳改性時(shí)能夠明顯提高其韌性,提升延度(位移)[34]。

助劑SBR的摻加量對(duì)瀝青類有機(jī)組分和水泥砂漿類無(wú)機(jī)組分單獨(dú)成型后與原路面之間黏附性能的影響結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 助劑SBR用量對(duì)瀝青組分、水泥砂漿組分黏附性能的影響

從圖8看出,助劑SBR的加入對(duì)瀝青組分與原路面之間的拉伸、剪切位移及拉伸、剪切斷裂能的影響較大,而對(duì)極限拉伸力值和極限剪切力值影響較小;SBR的加入對(duì)水泥砂漿與原路面間的極限斷裂力值、極限位移及斷裂能有一定的影響但影響不大。SBR膠乳屬于橡膠類材料,該類材料在瀝青中的主要作用是改善瀝青延度、提升瀝青的韌性,從而使得加入助劑SBR后的乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的拉伸、剪切位移顯著增加。

3 結(jié) 論

(1)灌縫料在服役過(guò)程中主要受拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用,由此建立基于內(nèi)聚力模型的灌縫料黏附性能評(píng)價(jià)體系和方法。

(2)助劑的類型對(duì)灌縫料黏附性能的影響較大,水性丙烯酸樹(shù)脂類助劑(AR)和丁苯膠乳類助劑(SBR)能夠顯著提高灌縫料與原路面間的拉伸斷裂能和剪切斷裂能,且隨著助劑用量的增加斷裂能增加。

(3)助劑AR提高SAC型瀝青路面冷灌縫材料的拉伸斷裂能和剪切斷裂能通過(guò)提高極限力值得以實(shí)現(xiàn),AR的加入提高了瀝青組分的極限拉伸力值,同時(shí)提高了水泥砂漿組分的極限剪切力值。

(4)助劑SBR提高SAC型瀝青路面冷灌縫材料的拉伸斷裂能和剪切斷裂能通過(guò)提高極限位移實(shí)現(xiàn),對(duì)極限力值沒(méi)有明顯影響,SBR的加入提高了瀝青組分的極限拉伸位移和極限剪切位移。

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(編輯 劉為清)

Study on adhesive property of SAC-sealant for cracks in asphalt pavement

SUN Huadong1, 2, FAN Weiyu1, SHI Jingtao3, LI Yuhuan3,ZHAO Pinhui1, LIANG Ming1, LIU Shujun1, LI Jun1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessinginChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.DalianHuanziTechnologyLimited,Dalian116100,China;3.PetroChinaFuelOilCompanyLimitedResearchInstitute,Beijing100142,China)

On the basis of the characteristics of SAC-sealant, an adhesion performance evaluation method based of the fracture energy theory was established. The effects of different additives on the adhesive performance of sealant were investigated, and mechanism was studied as well. The results indicate that the tensile and shear fracture energy between SAC-sealant and the original pavement can be greatly improved by the addition of AR and SBR compared to other additives. And there is a positive correlation between the fracture energy and the amount of AR or SBR. The fracture energy between SAC-sealant with AR and the original pavement is mainly affected by the improvement of ultimate bond value. The addition of AR improves the ultimate tensile value of asphalt component and the ultimate shear value of cement mortar component. The fracture energy between SAC-sealant with SBR and the original pavement is mainly affected by the improvement of the ultimate displacement. The addition of SBR improves the ultimate tensile and shear displacement of asphalt components.

filling material; adhesive performance; additive; fracture energy; ultimate displacement; ultimate value

2016-03-25

中石油燃料油公司項(xiàng)目(ZYRLY-YJY-2014-JS-21);山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目(BS2014NJ010)

孫華東(1984-),男,博士,研究方向?yàn)榈缆窞r青材料。E-mail:sunhuadong2004@163.com。

趙品暉(1985-),男,博士后,研究方向?yàn)榈缆窞r青材料、瀝青基微納米碳材料。E-mail:zhaopinhui08@163.com。

1673-5005(2016)05-0159-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.05.020

TE 626.86

:A

孫華東,范維玉,時(shí)敬濤,等.SAC型瀝青路面冷灌縫材料黏附性能研究 [J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(5):159-165.

SUN Huadong, FAN Weiyu, SHI Jingtao, et al. Study on adhesive property of SAC-sealant for cracks in asphalt pavement[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2016,40(5):159-165.