環(huán)氧瀝青超薄罩面層間抗剪強度的影響因素研究

牟壓強，郭大進，馬 永，張林艷，趙雁賓，郭榮鑫

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南省土木工程防災(zāi)重點實驗室，云南 昆明 650500；2.云南賓南高速公路有限公司，云南 大理 671000；3.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650504)

目前，國內(nèi)高速公路的瀝青面層一般分為三層，中上面層多采用6+4 cm的結(jié)構(gòu)組合形式，這種結(jié)構(gòu)組合技術(shù)比較成熟[1]，但存在路表功能性能(抗滑、降噪等)衰減快、結(jié)構(gòu)使用壽命短的現(xiàn)象[2].為解決這一問題，筆者所在的課題組在經(jīng)過一系列理論分析及材料性能研究的基礎(chǔ)上，提出了6 cm中面層+2 cm環(huán)氧瀝青超薄罩面的新型中上面層結(jié)構(gòu)組合體系.該組合體系中瀝青混凝土中面層與超薄罩面的牢固黏結(jié)是需要解決的主要技術(shù)問題之一，它對延長路面使用壽命、避免滑移、剪切等病害至關(guān)重要.

在行車荷載作用下，瀝青混凝土中面層與環(huán)氧瀝青超薄罩面的層間會產(chǎn)生較大的水平應(yīng)力[3]，且超薄罩面厚度相對較薄，夏季高溫時，路面層間溫度也相對較高[4]，常規(guī)的黏結(jié)材料如乳化瀝青、橡膠瀝青等無法滿足高溫與重載耦合作用下的受力要求[5].環(huán)氧瀝青作為一種熱固性長壽命材料，具有優(yōu)異的黏結(jié)、抗剪切、高溫及耐疲勞性能[6-7]，充分彌補了瀝青類黏結(jié)材料的不足，已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合式路面的防水粘結(jié)層中[8-10]，故本文選用環(huán)氧瀝青作為該路面結(jié)構(gòu)的層間黏結(jié)材料.

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對影響復(fù)合式路面層間黏結(jié)性能因素(結(jié)構(gòu)組合形式、層間界面處理方式、黏結(jié)材料類型及撒布量等)的研究已經(jīng)取得較為豐碩的成果[11-18]，但現(xiàn)有的研究成果主要是針對一般路面結(jié)構(gòu)組合及黏結(jié)材料，很少有針對普通瀝青混凝土、環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料以及環(huán)氧瀝青超薄罩面相結(jié)合的復(fù)合路面層間黏結(jié)性能的研究.

普通瀝青混凝土是一種溫度敏感性材料[19]，在高溫條件下具有較好的可塑性，如果在中面層碾壓后，在瀝青混合料溫度沒有嚴重下降的情況下，緊跟著進行環(huán)氧瀝青超薄罩面的攤鋪及碾壓施工(熱粘結(jié))，對不同路面結(jié)構(gòu)組合形成的層間界面，與中面層瀝青混合料溫度已降低到常溫狀態(tài)，再撒布環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料，最后進行罩面層攤鋪及碾壓施工(冷粘結(jié))的處理措施相比，哪種處理措施更有利于增強層間的抗剪強度，尚不清楚.

基于以上考慮，本研究選擇了施工過程中影響環(huán)氧瀝青超薄罩面層間黏結(jié)性能的3種因素(路面結(jié)構(gòu)組合、粘結(jié)方式、黏結(jié)材料)，以層間抗剪強度為評價指標，通過正交試驗、直觀分析與方差分析，研究了三個因素及其交互作用對瀝青混凝土路面環(huán)氧瀝青超薄罩面鋪裝層層間黏結(jié)性能影響的主次順序及顯著性.以期為類似工程設(shè)計及施工提供參考.

1 試驗方案設(shè)計

針對不同路面結(jié)構(gòu)組合形成的界面，為了分析熱粘結(jié)施工工藝對瀝青混凝土路面環(huán)氧瀝青超薄罩面鋪裝層層間抗剪性能的影響情況和確定路面結(jié)構(gòu)組合(A)、粘結(jié)方式(B)、黏結(jié)材料(C)及三種因素的交互作用(A×B、A×C、B×C)對環(huán)氧瀝青超薄罩面鋪裝層層間抗剪性能影響的主次順序及其顯著性，以層間最大抗剪強度為評價指標，利用正交試驗方法，設(shè)計試驗方案，具體考察的因素及水平見表1.

表1 因素水平表

本試驗為考慮交互作用的三因素不等水平正交試驗，為全面了解因素A對層間抗剪強度影響的顯著性，采用了部分追加法進行試驗設(shè)計[20].設(shè)計試驗方案時先不考慮A3，這樣每個因素均變成2個水平，便可把A1，A2同B、C因素及其交互作用安排在L8(27)正交表中，然后將水平A1替換為A3進行追加試驗，每個試驗方案設(shè)置4次重復(fù)試驗，表頭設(shè)計如表2所示.

表2 表頭設(shè)計

2 試件制備

2.1 原材料

下面層AC-20混合料的膠結(jié)料為殼牌基質(zhì)SBS I-D型改性瀝青，其技術(shù)指標測試結(jié)果見表3；上面層加鋪超薄罩面混合料的膠結(jié)料及層間黏結(jié)材料均為FY環(huán)氧瀝青[21]，其中環(huán)氧瀝青A/B組分質(zhì)量比例為100∶705，密度為1.081 g·cm-3，斷裂伸長率為246%，具體技術(shù)參數(shù)見文獻[22].

表3 殼牌基質(zhì)SBS Ι-D型改性瀝青技術(shù)指標

高速公路中面層通常采用連續(xù)型密級配AC-20瀝青混合料作為鋪裝材料，故選擇AC-20瀝青混合料作為復(fù)合試件的下面層.超薄罩面作為一種功能性材料，需要具備良好的抗滑和降噪功能，中斷型多碎石SAC系列瀝青混合料的表面具有較大的構(gòu)造深度，能提供較好的抗滑效果，故選擇SAC-13和SAC-10作為復(fù)合試件的上面層，同時選擇連續(xù)型密級配AC-10瀝青混合料做對比.

下面層AC-20瀝青混合料的粗細集料均使用石灰?guī)r，礦粉使用石灰?guī)r礦粉；上面層SAC-13、SAC-10、AC-10混合料的粗集料選用玄武巖，細集料選用石灰?guī)r，礦粉選用石灰?guī)r礦粉，粗細集料和礦粉的技術(shù)性能均能滿足《規(guī)范》(JTG F40-2004)[23]要求.其中混合料SAC-13、SAC-10、AC-10及AC-20的最佳油石比分別為5.0%、5.5%、5.8%、4.2%.路面結(jié)構(gòu)組合1、2、3形成層間界面對應(yīng)的最佳黏結(jié)材料撒布量分別為0.97、0.86、0.65 kg/cm2.四種瀝青混合料級配及馬歇爾試驗結(jié)果見表4、5.

表4 四種瀝青混合料級配

由表5可知，自主研制環(huán)氧瀝青混合料的穩(wěn)定度是SBS改性瀝青混合料的幾倍或幾十倍且其受礦料級配的影響很小.這主要是因為環(huán)氧瀝青不同于熱塑性的SBS改性瀝青，其表現(xiàn)為熱固性，在高溫養(yǎng)生過程中，固化劑與環(huán)氧樹脂發(fā)生固化反應(yīng)，形成致密三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，瀝青作為分散相均勻地填充于交聯(lián)結(jié)構(gòu)中，因而其具有更優(yōu)異的力學(xué)性能；瀝青混合料的穩(wěn)定度由膠結(jié)料的黏結(jié)力和集料嵌擠力組成，通過對劈裂試驗后環(huán)氧瀝青馬歇爾試件破壞界面圖圖1進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青馬歇爾試件受力面上的礦料均被拉裂(而普通瀝青混合料的破壞形式為從膠結(jié)料處被拉裂)，說明環(huán)氧瀝青在養(yǎng)生結(jié)束后，具有極強的黏結(jié)力[24]，因而礦料級配對其穩(wěn)定度影響較小.

表5 四種瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

圖1 環(huán)氧瀝青馬歇爾試件破壞界面圖

2.2 復(fù)合試件制備

目前國內(nèi)沒有出臺關(guān)于制備用于測試路面層間抗剪強度復(fù)合試件的規(guī)范，現(xiàn)行規(guī)范《規(guī)程》(JTG E20-2011)[25]中評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法為：首先成型尺寸為30 cm×30 cm×5 cm的瀝青混合料車轍板試件，然后開展車轍試驗來評價，該方法適用于高速公路下、中、上面層瀝青混合料.為了方便制件和與已有規(guī)范相統(tǒng)一，選擇了成型5 cm的AC-20車轍板來代替高速公路6 cm的中面層.為了更加準確地測試對比冷粘結(jié)與熱粘結(jié)復(fù)合式路面的抗剪強度及真實模擬瀝青混凝土路面加鋪環(huán)氧瀝青超薄罩面的實際情況，試驗按照現(xiàn)場施工的方式制作復(fù)合試件，制備過程如圖2所示.

圖2 復(fù)合試件制備過程

(1)模擬冷粘結(jié)施工工藝

a.參照《規(guī)程》(JTG E20-2011)[25]中的試驗方法，利用自制可拆卸車轍板試模成型30 cm×30 cm×5 cm尺寸的下面層AC-20瀝青混合料(記錄輪碾方向)，室溫靜置24 h；

b.安裝上面層2 cm試模后，利用毛刷撒布設(shè)計用量的黏結(jié)材料；

c.采用“后摻法”施工工藝[26]拌制環(huán)氧瀝青混合料，參照規(guī)程[25]中的相關(guān)要求，在其上加鋪2 cm厚的環(huán)氧瀝青混合料，輪碾方向需和下面層輪碾方向一致(記錄輪碾方向)，然后帶模將復(fù)合式車轍板放入120 ℃恒溫烘箱中養(yǎng)生4 h，常溫放置24 h；

d.最后使用DQ-4型自動巖石切割機將養(yǎng)生后的復(fù)合式車轍板切割成8 cm×8 cm×7 cm的復(fù)合試件(邊緣2 cm部分不使用,且記錄每一個試件的輪碾方向)，由于切割后的復(fù)合試件內(nèi)部會有水份，切割完后放置于25 ℃恒溫鼓風烘箱中24 h,以備45°斜剪試驗.

(2)模擬熱粘結(jié)施工工藝

熱黏結(jié)施工工藝步驟a、b與(1)的不同之處為成型完下面層AC-20瀝青混合料后，緊接著安裝上面層2 cm試模，在撒布設(shè)計用量黏結(jié)材料后，放入175±5℃恒溫烘箱中保溫；步驟c、d同上.

3 試件加載

斜剪試驗參考美國標準試驗方法ASTM C882/C882M-13[27]進行.試件加載前，將試驗夾具和復(fù)合試件放在25 ℃恒溫烘箱內(nèi)保溫5 h以上；放置試件時，復(fù)合試件的層間需位于自制45°斜剪夾具可動部分和固定部分所形成的間隙中部，且剪切方向與輪碾方向一致；采用100 kN的WAW-100B微機控制電液伺服萬能材料試驗機，以50 mm/min加載速率對復(fù)合試件進行剪切，記錄試件的峰值荷載，最終以加載力下降到峰值荷載的85%作為試驗終止條件(從恒溫烘箱內(nèi)取出復(fù)合試件至其層間被加載破壞的時間不超過30 s)，自制45°斜剪夾具如圖3所示.

圖3 45°斜剪夾具

圖4為瀝青混凝土路面環(huán)氧瀝青超薄罩面鋪裝層復(fù)合試件層間受剪全過程的加載力與位移的典型關(guān)系曲線.由圖4可見，在加載過程的前期，加載力隨著剪切位移的增加而增加，且兩者呈線性變化關(guān)系；當剪切位移達到2.0～4.0 mm之間時,層間產(chǎn)生錯動破壞，此時環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料和上下兩層相互嵌擠的礦料開始產(chǎn)生強度，強度隨位移的增加而快速增加，直至達到一個峰值，黏結(jié)材料及上下兩層相互嵌擠的礦料達到屈服極限，加載力急劇下降，這時黏結(jié)材料和上下兩層相互嵌擠的礦料已經(jīng)完全破壞；界面完全破壞后，層間隨位移的變化產(chǎn)生滑移，在滑移過程中，由于軸向加載力的作用，復(fù)合試件層間產(chǎn)生了滑動摩擦阻力，因此，加載力并未像拉拔試驗?zāi)菢铀查g降低到0 kN.

復(fù)合試件在受剪過程中，由于層間產(chǎn)生相互錯動，導(dǎo)致其有效受剪面積減小，但通過圖4可以看出，加載力達到峰值時的豎向剪切位移很小，平均值在3.0～4.0 mm之間，故產(chǎn)生的面積減小量可以忽略不記，可用試件加載前的實際層間界面橫截面積直接計算抗剪強度.

圖4 加載力與位移的典型關(guān)系曲線

根據(jù)斜剪試驗測試結(jié)果，層間抗剪強度為

(1)

式中：τmax為復(fù)合試件層間抗剪強度，MPa；pmax為曲線峰值荷載，kN；S為復(fù)合試件層間受剪截面積，mm2；α為復(fù)合試件層間界面與荷載作用方向的夾角，rad,本文取45°.

正交試驗設(shè)計表L8(27)及試驗結(jié)果如表6所示，其中試驗號1～8為未考慮A3時的試驗方案和結(jié)果，試驗號9～16為將A1替換成A3時追加的試驗方案和結(jié)果.由表6可以看出，在普通瀝青路面上加鋪環(huán)氧瀝青超薄罩面的路面層間具有較強的黏結(jié)能力.

表6 正交試驗設(shè)計表及試驗結(jié)果

4 試驗結(jié)果分析

4.1 直觀分析

采用狄克遜準則(顯著性α=0.05)對表6中的每組試驗方案的四個復(fù)合試件層間抗剪強度試驗結(jié)果進行異常值篩選，以消除試驗結(jié)果誤差，結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)均合格.每組試驗方案層間抗剪強度的平均值及增加率見表7，路面結(jié)構(gòu)組合對層間抗剪強度影響的規(guī)律見圖5.

表7 層間抗剪強度的平均值及增加率

圖5 路面結(jié)構(gòu)組合對層間抗剪強度的影響

4.1.1 路面結(jié)構(gòu)組合對抗剪強度的影響

根據(jù)表7和圖5可知，不同路面結(jié)構(gòu)組合形成層間界面的抗剪強度差異很大.在相同的層間處理方式下，組合2的抗剪強度最大，組合3次之，組合1最小.出現(xiàn)這種情況的原因主要是與層間兩側(cè)級配類型有關(guān).復(fù)合式路面層間抗剪強度由礦料級配之間的機械咬合力、黏結(jié)材料與集料層的粘結(jié)力以及黏結(jié)材料自身的內(nèi)聚力三部分組成[28].組合2的罩面層級配為小粒徑多碎石中斷級配SAC-10，該類級配具有較好的構(gòu)造深度，SAC-10混合料構(gòu)造突出部分能和中面層瀝青混合料構(gòu)造下凹部分相互咬合，增大了層間的機械咬合力[29]，故層間的抗剪強度最大；組合3的罩面級配為密實型細粒式級配AC-10，其在碾壓過程中，混合料直接填充到中面層的下凹部分，層間礦料的嵌擠力較弱，故層間抗剪強度居中；而組合1的罩面級配為SAC-13，其礦料粒徑相對較大，混合料表面凸出構(gòu)造不利于嵌入中面層下凹的構(gòu)造中，抗剪強度主要由黏結(jié)材料自身的內(nèi)聚力和黏結(jié)材料與集料層的粘結(jié)力提供，故其層間抗剪強度最小.

4.1.2 層間處理方式對抗剪強度的影響

不同層間處理方式對復(fù)合試件抗剪強度的影響也不同，但是對于同一路面結(jié)構(gòu)組合，不同層間處理方式下的抗剪強度按以下規(guī)律遞增，即冷粘結(jié)無黏結(jié)材料<冷粘結(jié)有黏結(jié)材料<熱粘結(jié)無黏結(jié)材料<熱粘結(jié)有黏結(jié)材料.相比于層間未做任何處理(冷粘結(jié)無黏結(jié)材料)的抗剪強度，黏結(jié)材料、熱粘結(jié)以及兩者的聯(lián)合三種工藝對復(fù)合試件層間抗剪強度的平均增長率分別為29.5%、60.7%、94.1%.

不同層間處理方式對3種路面結(jié)構(gòu)組合的復(fù)合試件抗剪強度影響程度不同.相比于層間未做任何處理(冷粘結(jié)無黏結(jié)材料)的抗剪強度，不同的路面結(jié)構(gòu)組合，撒布環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料時的層間抗剪強度的增長率按以下規(guī)律遞減：組合1(53.99%)>組合2(23.01%)>組合3(11.54%)；采用熱粘結(jié)工藝時的層間抗剪強度的增長率按以下規(guī)律遞增：組合3(44.54%)<組合2(53.62%)<組合1(84.05%)，熱粘結(jié)工藝對組合2和組合1的抗剪強度奉獻率超過了50%；層間既采用熱粘結(jié)工藝又撒布黏結(jié)材料時的抗剪強度增長率按以下規(guī)律遞增：組合3(76.93%)<組合2(89.96%)<組合1(115.34%)，該處理方式對三種路面結(jié)構(gòu)組合的復(fù)合試件抗剪強度奉獻率均超過70%.

4.2 方差分析

按照文獻[20]中的相關(guān)方法，對表7中的試驗結(jié)果進行方差計算和分析，計算結(jié)果如表8所示，由表8可知：

表8 正交試驗結(jié)果方差分析

(1)根據(jù)均方差V的大小，可以確定三種因素及其交互作用對瀝青混凝土路面環(huán)氧瀝青超薄罩面加鋪層層間抗剪強度的影響顯著性排列順序為：(B)粘結(jié)方式>(C)黏結(jié)材料>(A)結(jié)構(gòu)組合>(B×C)粘結(jié)方式與黏結(jié)材料的交互>(A×B)結(jié)構(gòu)組合與粘結(jié)方式的交互>(A×C)結(jié)構(gòu)組合與黏結(jié)材料的交互.

(2)結(jié)構(gòu)組合(A)、粘結(jié)方式(B)以及黏結(jié)材料(C)的F值均大于對應(yīng)的F0.01(f,fe)，故這三種因素對抗剪強度的影響均為高度顯著，但影響的程度不同，粘結(jié)方式(B)的F值最大(633.5)，所以粘結(jié)方式對普通瀝青路面環(huán)氧瀝青超薄罩面加鋪層層間抗剪強度的改善起著決定性作用；黏結(jié)材料(C)與路面結(jié)構(gòu)組合(A)的F值之差為102.86，故在層間撒布環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料比改變環(huán)氧瀝青超薄罩面面層級配對抗剪強度增強效果好；結(jié)構(gòu)組合與粘結(jié)方式的交互(A×B)和結(jié)構(gòu)組合與黏結(jié)材料的交互(A×C)的F值均小于對應(yīng)的F0.1(f,fe)，故這兩種交互作用對層間抗剪強度改善作用很小，為非顯著因素，而且VA×C(0.02)小于第一類誤差的均方差Ve1(0.05)，可將VA×C并入到總誤差e中；粘結(jié)方式與黏結(jié)材料的交互(B×C)的F值介于對應(yīng)的F0.05(f,fe)和F0.1(f,fe)之間，故其為有一定影響因素，同時可以看出F(B×C)遠遠小于粘結(jié)方式(B)和黏結(jié)材料(C)的F值，故于普通瀝青路面加鋪環(huán)氧瀝青超薄罩面時，同時采用熱粘結(jié)工藝和撒布環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料兩種方法，不如單獨采用其中一種對層間抗剪強度的改善程度大.

5 結(jié)論

(1)路面結(jié)構(gòu)組合(A)、粘結(jié)方式(B)、黏結(jié)材料(C)及其交互作用(A×B、B×C、A×C)對普通瀝青路面環(huán)氧瀝青超薄罩面加鋪層層間抗剪強度影響的主次順序為：B、C、A、B×C、A×B、A×C.其中，路面結(jié)構(gòu)組合(A)、粘結(jié)方式(B)、黏結(jié)材料(C)對層間抗剪強度的影響均為高度顯著，交互作用A×B、A×C為非顯著因素，交互作用B×C為有一定影響因素.

(2)在普通瀝青路面上加鋪環(huán)氧瀝青超薄罩面的路面層間具有較強的黏結(jié)能力.針對該路面形式，相比于冷粘結(jié)無黏結(jié)材料施工工藝，采用熱粘結(jié)工藝或撒布環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料，均會顯著提高路面的層間抗剪強度，但熱粘結(jié)施工工藝對路面層間抗剪強度的增加更為有效.

(3)在相同層間處理方式下，超薄罩面級配為SAC-10時路面層間抗剪強度最大，AC-10次之，SAC-13最小.于復(fù)合式路面層間同時采用熱粘結(jié)工藝和撒布環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料兩種處理方式，不如單獨采用其中一種對層間抗剪強度的改善程度大.

(4)采用熱粘結(jié)施工工藝的目的是使罩面層與中面層的礦料充分相互嵌擠，從而保證路面結(jié)構(gòu)的整體性，增強復(fù)合式路面層間的抗剪切性能，減小長大縱坡路段以及圓曲線半徑相對較小路段出現(xiàn)層間病害的風險，延長路面使用壽命.本文通過室內(nèi)試驗分析了熱粘結(jié)施工工藝對層間抗剪強度的影響，設(shè)置的中面層溫度為對應(yīng)瀝青混合料的攤鋪溫度，與實際施工溫度存在一定差異，兩者的關(guān)聯(lián)性有待驗證.且這種施工工藝的工程可行性、配套機械設(shè)施及施工管理安排還需結(jié)合具體施工現(xiàn)場情況開展更系統(tǒng)深入的研究.