瀝青路面養(yǎng)護層層間粘結(jié)材料試驗方法設(shè)計

惠致富，拾方治，呂建偉，張 恒，李秀君

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.嘉興市高新交通技術(shù)測評研究院，嘉興 314001；

3.杭州市公路管理局，杭州 310009）

瀝青路面中各類養(yǎng)護層由于厚度較薄，在環(huán)境因素和行車荷載的作用下容易發(fā)生層間損壞。為防止其在使用過程中出現(xiàn)推移擁包、脫皮剝落等病害，部分養(yǎng)護工藝在施工時，通過灑布高性能乳化瀝青作為粘層油來提高層間粘結(jié)性能。但應(yīng)用時缺乏對應(yīng)的評價手段和材料使用要求，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中給出粘層油宜采用快裂或中裂乳化瀝青的要求，且所使用的基質(zhì)瀝青標(biāo)號宜與主層瀝青混合料相同，并以試灑的方式確定瀝青的種類和用量[1]，具有較大的主觀性。

關(guān)于上述問題，眾多學(xué)者普遍采用層間剪切強度和拉拔強度作為評價指標(biāo)進行分析。劉細軍等[2]提出以直剪試驗來評價層間粘結(jié)性，此方法后來被廣泛應(yīng)用；文獻[3-5]以施加法向荷載的直剪試驗綜合分析了層間粘結(jié)作用的影響因素；汪水銀[6]對剪切試驗方法作了進一步研究，并比較了直剪試驗和斜剪試驗的區(qū)別；劉紅坡等[7]以施加水平力的拉拔強度來評價粘結(jié)作用，并研究了溫度、水平推力和粘層油用量的影響效果；王亞玲等[8]通過剪切試驗和拉拔試驗綜合分析了橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)性。從研究內(nèi)容來看，目前相關(guān)文獻主要進行層間粘結(jié)性的影響因素研究，尚缺乏統(tǒng)一的試驗方法進行粘層油設(shè)計。

本文根據(jù)室內(nèi)試驗經(jīng)驗，著眼于粘層油的性能設(shè)計，綜合試驗方式和試件成型方法進行分析，旨在提出簡便可靠的乳化瀝青層間粘結(jié)性評價方法，進而確立材料的使用性能要求，使粘層油的應(yīng)用可以有效改善瀝青路面養(yǎng)護層的層間粘結(jié)性能。

1 試驗分析

參考瀝青混合料結(jié)構(gòu)強度理論，可認為層間粘結(jié)性反映了瀝青與礦料之間的交互作用，并主要受瀝青內(nèi)聚力、用量及粘附性的影響。通過抗剪強度和拉拔強度來表征，兩種試驗方法均能反映層間粘結(jié)性，并具有一定的相關(guān)性[9]。在進行室內(nèi)試驗設(shè)計時，剪切試驗較拉拔試驗更易進行試件處理及加載控制，從而減少了影響因素，具有更好的數(shù)據(jù)可靠性[6]。粘附性反映了瀝青對石料的附著能力，在粘層油作用初期，由于粘附作用大于材料的內(nèi)聚力，一般不加考慮。但隨著時間的增長，當(dāng)粘附界面受水分的影響而發(fā)生剝離時，在層間會出現(xiàn)粘結(jié)性能薄弱區(qū)域，使病害在荷載及外部影響因素作用下進一步發(fā)展擴大，層間抗剪能力亦會逐漸喪失。因此，進行粘層油性能分析時應(yīng)當(dāng)同時考慮其抗水剝落能力，以保證層間具備良好的耐久性，可通過水煮粘附性試驗對其進行評價。

2 剪切試驗

2.1 試驗方式

剪切試驗可分為斜剪試驗和直剪試驗，直剪試驗又包含施加法向力與不施加法向力的情況。依據(jù)摩爾庫侖理論，層間抗剪強度分別由物理嵌擠作用和膠結(jié)料粘結(jié)作用兩部分組成，相關(guān)研究多采用斜剪試驗或施加法向力荷載的直剪試驗，認為可較好地模擬原路面的受力情況。但是，室內(nèi)成型的試件模量較低，受豎向壓力作用會發(fā)生形變，吸收部分能量，使試驗結(jié)果受試件本身結(jié)構(gòu)類型的影響。并且在進行高溫剪切試驗時，由于膠結(jié)料的粘聚力顯著降低，法向力作用下將導(dǎo)致剪切結(jié)果以顆粒嵌擠作用為主，難以體現(xiàn)膠結(jié)料的層間作用效果。因此，在分析粘層油的性能時，宜以無法向荷載的直剪試驗進行評價，其層間抗剪強度通過式（1）進行計算。

式中：τ 為抗剪強度，MPa；F 為最大剪力，N；S 為受剪面積，mm2。

剪切試驗加載速率宜采用50 mm/min。有研究表明，采用快速加載測定的層間抗剪強度大于慢速加載，這是由于較快的加載速率可以降低瀝青混合料蠕變的影響[6]。并且在車輛行駛過程中，輪胎對路面接觸點的作用時間很短，因而采用快速加載是合理的。

2.2 試件用料分析

為降低層間接觸面的嵌擠作用，通過調(diào)整混合料級配來改變試件表面構(gòu)造，使剪切試驗結(jié)果更能反映粘結(jié)材料的特性，因而宜以密級配細粒式混合料成型剪切試件?？刹捎肁C?13 型瀝青混合料成型復(fù)合試件進行試驗分析，級配曲線如圖1所示，其標(biāo)準試件的構(gòu)造深度平均值為0.47 mm。

在剪切試驗中，粘層油涂抹量通過影響層間界面上瀝青與集料的交互作用而使抗剪強度發(fā)生變化，瀝青含量由少到多的變化過程中，隨著結(jié)構(gòu)瀝青膜的形成，層間粘結(jié)力逐漸增大，進一步增加瀝青含量則會使層間出現(xiàn)自由瀝青，對層間滑移起潤滑作用，并使層間內(nèi)摩阻角減小，粘結(jié)力下降。

由于剪切試件一般為新拌混合料成型，試件自身的油膜厚度亦需要加以考慮，并消除其影響，但層間瀝青膜厚度難以測定且無合適的計算方法，因而以瀝青用量來表征。為分析混合料自身油膜的影響效果，首先根據(jù)馬歇爾設(shè)計法得到圖1 級配類型的混合料最佳油石比為5.0%，進而以0.5%為間隔調(diào)整油石比，進行粘層油用量分別為0 和0.6 kg/m2的復(fù)合試件直剪試驗，試件采用復(fù)合馬歇爾試件法成型。直剪試驗結(jié)果如圖2 所示，可以看出，層間瀝青膜厚度存在最優(yōu)值使得直剪強度最大，雖然混合料依靠自身基質(zhì)瀝青的粘結(jié)使其在油石比為5.5%時達到最佳抗剪強度，但粘層油的作用在相對貧油時才能充分體現(xiàn)，宜以油石比為4.5%進行直剪試件成型。從而可以得出結(jié)論：為避免新拌瀝青混合料表面瀝青膜對層間粘結(jié)性的影響，應(yīng)當(dāng)降低混合料的油石比，以小 于最佳油石比0.5%作為參考。

圖1 AC-13 型混合料級配曲線Fig.1 AC-13 mixed material grading curve

圖2 復(fù)合剪切試件油石比分析Fig.2 OAC analysis of composite shearing test piece

2.3 試件成型方法

復(fù)合剪切試件是一種夾層試件，通過上下層逐次成型，以涂抹粘層油的方式進行層間粘結(jié)，在確定涂抹量時，以乳液固含量為準可使不同乳化瀝青之間具有可比性。剪切試件根據(jù)成型方式的不同主要分為復(fù)合車轍板取芯試件及復(fù)合馬歇爾試件。

復(fù)合車轍板取芯試件：依據(jù)《瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》中輪碾法制作瀝青混合料試件（T0703）的方法進行雙層復(fù)合板成型，步驟如下：

a.以5 cm 高度的試模成型下層車轍試件，試件冷卻后涂抹一定量的乳化瀝青靜置至乳液破乳，并使試件在常溫下養(yǎng)生不少于12 h；

b.更換為10 cm 高度的車轍試模，以同樣的方法成型上層車轍試件，不脫模養(yǎng)生2 d；

c.拆除試模底板進行取芯操作，一塊復(fù)合車轍試件一般取4 個芯樣；

d.將取芯過程中被水浸濕的芯樣在60℃通風(fēng)烘箱中烘至恒重。

復(fù)合馬歇爾試件：由于瀝青混合料試件成型的厚度一般不小于（2.5～3）d，d 為公稱最大粒徑，根據(jù)標(biāo)準馬歇爾試模尺寸及混合料級配類型，將試件厚度確定為上下層各32 mm。為使調(diào)整厚度后的復(fù)合試件達到標(biāo)準馬歇爾試件的密實度，需要對試件的擊實次數(shù)進行修正，使調(diào)整厚度前后試件的單位擊實功相等，經(jīng)過計算式的化簡，以式（2）進行擊實次數(shù)的計算。由于在成型上層試件時，下層試件的密實度已經(jīng)達到穩(wěn)定，因而上下層試件的擊實次數(shù)可單獨進行計算。

式中：N，h，V 分別為修正馬歇爾試件的擊實次數(shù)、擊實高度、體積；N0，h0，V0分別為標(biāo)準馬歇爾試件的擊實次數(shù)、擊實高度、體積。

結(jié)合擊實儀參數(shù)與試件設(shè)計高度計算得到下層試件和上層試件的擊實次數(shù)分別近似為70 次和75 次。

復(fù)合馬歇爾試件的成型過程如下：

a.雙面35 次擊實成型下層馬歇爾試件，并在試件冷卻后涂抹一定量的乳化瀝青靜置至乳液破乳，試件在室溫下養(yǎng)生不少于12 h，養(yǎng)生后不脫模；

b.單面75 次擊實成型上層試件，并在室溫下靜置12 h 后脫模；

c.脫模后的試件在室溫下靜置2 d，復(fù)合試件在養(yǎng)生過程中均需要豎直放置。

以圖1 所示的AC–13 型混合料成型試件，驗證修正擊實次數(shù)后試件的體積參數(shù)，結(jié)果如表1所示，其結(jié)果與標(biāo)準馬歇爾試件基本一致，其中，下層馬歇爾試件的吸水率較高，這是由于其比表面積相對較大，開口空隙占比較多。

表1 不同成型方式的試件體積參數(shù)對比Tab.1 Comparison of specimen volume parameters of different forming methods

對比兩種成型過程，顯然，車轍試件的成型較為繁雜，且試驗周期較長。通過數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定性對兩者進行進一步分析，以自制夾具作為直剪裝置，分別成型復(fù)合車轍板取芯試件和復(fù)合馬歇爾試件，采用萬能試驗機進行直剪試驗，以抗剪強度的變異系數(shù)進行評價，如表2 所示。

表2 不同試件成型方式的抗剪強度及穩(wěn)定性分析Tab.2 Tensile strength and stability analysis of different specimens MPa

通過表2 的結(jié)果可以看出，采用復(fù)合車轍板取芯試件和復(fù)合馬歇爾試件進行直剪試驗，抗剪強度的變異系數(shù)分別為9%和5%左右，表明后者具有更好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。同時，對比兩種粘結(jié)條件的試驗結(jié)果可以看出，試驗數(shù)據(jù)離散性與粘層油使用與否不存在必然關(guān)系，主要受試件成型方式的影響，以復(fù)合車轍板為單位取得的4 個芯樣，其試驗結(jié)果的變異系數(shù)可達到10%。這是由于車轍板試件在取芯過程中存在兩個外部影響因素：一為切割時受冷卻水的浸潤，使結(jié)果可能受水分的影響，具有較大的不確定性；二為取芯操作中的擾動易導(dǎo)致試樣側(cè)面出現(xiàn)局部撓曲，在進行試件的安裝時可能因粘結(jié)面傾斜而產(chǎn)生法向分量，從而影響結(jié)果的穩(wěn)定性。

綜合考慮試件的成型方式、試驗周期及體積特征，以復(fù)合馬歇爾試件進行直剪試驗較為合適。

3 粘附試驗

3.1 試驗分析

乳化瀝青與集料的粘附性用于表征集料表面瀝青膜受水侵蝕后的粘結(jié)穩(wěn)定程度，以評價膠結(jié)料的抗水剝落能力，是路面得以保持長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)行規(guī)范中，乳化瀝青與礦料的粘附性通過水煮試驗（T0654）來確定，以水煮后石料表面的瀝青面積裹覆率進行評價，并規(guī)定面積裹覆率不小于2/3。根據(jù)實際工程應(yīng)用情況，此指標(biāo)難以滿足層間粘附性的要求，養(yǎng)護后的部分路面仍然可能存在較為嚴重的剝落情況，且難以依靠主觀數(shù)據(jù)準確地進行粘附性分析。因而需要確定粘附試驗的量化指標(biāo)。

有學(xué)者采用光電比色法[10]和圖像處理法[11]來測定裹覆率，其中，光電比色法根據(jù)石料裸露部分對染料的吸附能力，通過測定染料溶液浸泡石料后的濃度變化來推算裹覆率；圖像處理法通過采集石料表面圖像，進行二值處理后統(tǒng)計像素數(shù)量得到裹覆率。前者對試驗條件要求較高，后者通過采集不規(guī)則集料顆粒的平面圖像作為確定依據(jù)，在進行圖像采集時容易產(chǎn)生較大的誤差。

本文通過對水煮試驗進行分析，發(fā)現(xiàn)不同于基質(zhì)瀝青的水煮試驗條件，乳化瀝青浸潤集料顆粒后，會在集料顆粒表面形成較薄的瀝青膜。雖然顆粒底部的瀝青膜相對上部較厚，但在水煮過程中這部分瀝青不會因軟化而發(fā)生滴落，水煮后瀝青的損失均是由粘附性不足的瀝青剝落造成的。以殘留瀝青質(zhì)量與初始裹覆瀝青質(zhì)量的比值計作質(zhì)量裹覆量，可作為粘附性量化指標(biāo)代替面積裹覆率進行粘附性評價。

3.2 試驗方法

應(yīng)用水煮試驗來確定乳化瀝青與原路面的粘附性時，需要預(yù)處理集料顆粒，通過對集料裹覆瀝青膜來模擬原路面集料顆粒的表面材質(zhì)特點。

參考規(guī)范步驟，調(diào)整后的試件準備及試驗過程如下：

a.將集 料 過 篩，取19.0～31.5 mm 的顆粒洗凈，并置于105±5℃的烘箱中烘干3 h；

b.冷卻至室溫后逐個用細線或金屬絲系好，懸掛于支架上；

c.將集料顆粒浸入預(yù)熱至135℃的瀝青中進行完全裹覆，隨后懸掛于135℃的烘箱中直至顆粒表面瀝青膜不再滴落，從烘箱中取出并冷卻至室溫，在微沸水中浸煮3 min，干燥后稱取質(zhì)量m1；

d.將瀝青裹覆處理后的集料顆粒在乳化瀝青中浸泡1 min，在室溫下懸掛24 h，干燥后稱取質(zhì)量m2；

e.在微沸水中浸煮3 min，干燥后稱取質(zhì)量m3。

質(zhì)量裹覆率通過式（2）計算。

式中：a 為瀝青質(zhì)量裹覆率；m1為預(yù)處理后顆粒的質(zhì)量；m2為裹覆乳化瀝青后顆粒的質(zhì)量；m3為水煮后顆粒的質(zhì)量。

進行集料顆粒的預(yù)處理時，先后通過烘箱加熱及水煮處理來去除表面多余瀝青，消除其對乳化瀝青試驗結(jié)果的影響，通過對預(yù)處理試件進行二次水煮檢驗發(fā)現(xiàn)，前后試件的質(zhì)量基本無變化，表明這種處理方式是有效的。乳化瀝青對石灰?guī)r顆粒的粘附試驗結(jié)果如表3 所示，從兩組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)可以看出，試驗結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性，且粘附性越好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也越好。研究表明，集料顆粒尖銳的棱角較難被瀝青裹覆，使得棱角處的瀝青膜很薄，從而成為抗水損剝落的薄弱點[12]。所以，當(dāng)瀝青的粘附性能提高時，棱角處易發(fā)生剝落的區(qū)域縮小，進而使得粘附性結(jié)果的波動區(qū)間也減小，數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。

表3 修正水煮法進行乳化瀝青裹覆集料顆粒的粘附性試驗結(jié)果Tab.3 Modified experimental results of the adhesion tests of emulsion asphalt coated aggregates by using water boiling method

4 結(jié) 論

a.進行層間粘結(jié)性分析時，應(yīng)當(dāng)以層間抗剪性能為主要評價方法，直剪試驗可以有效地反映粘層油的粘結(jié)作用，適宜用于粘層油性能設(shè)計，同時以粘附性進行層間耐久性評價；

b.剪切試件的油石比應(yīng)當(dāng)小于最佳油石比0.5%，以避免試件自身油膜對層間粘結(jié)作用的影響，并突出表現(xiàn)粘層油的特性；

c.剪切試件的成型方式對試驗結(jié)果也有一定的影響，通過對比復(fù)合車轍板取芯試件和復(fù)合馬歇爾試件的剪切結(jié)果，后者具有更好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，且成型方法更為簡便；

d.乳化瀝青的抗水剝落性能通過影響粘層耐久性而成為層間粘結(jié)性的重要影響因素，通過修正水煮法進行粘附試驗，試驗對集料顆粒進行裹覆瀝青膜的預(yù)處理可模擬養(yǎng)護過程中乳化瀝青與路面的實際接觸形式，并以瀝青質(zhì)量裹覆率作為量化指標(biāo)評價粘附性，表明此試驗結(jié)果具有良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，可依此進行粘層油性能設(shè)計；

e.乳化瀝青性能對養(yǎng)護層層間粘結(jié)性的影響尚缺乏統(tǒng)一的評價方法，本文設(shè)計的試驗方法仍存在不足。在養(yǎng)護層使用過程中，乳化瀝青與道路原有基質(zhì)瀝青產(chǎn)生的交互作用會使層間性能逐漸產(chǎn)生變化，為對層間粘結(jié)性進行長期耐久性分析，仍需進行進一步研究，以期建立粘層乳化瀝青的使用標(biāo)準。