不黏輪乳化瀝青試驗(yàn)方法研究

王鵬，秦永春，王杰，熊偉明，常嶸，傅重峰，馮國(guó)利

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京市 100088；2.道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 100088；3.杭州光華路橋工程有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

瀝青路面是一種由黏層黏結(jié)的多層彈性體結(jié)構(gòu)，由于黏層作用將各層瀝青混合料形成一個(gè)有機(jī)的受力整體。優(yōu)異的層間黏結(jié)能使汽車載荷均勻分散，降低應(yīng)力集中導(dǎo)致瀝青路面局部損壞的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。如果路面層間黏結(jié)不好，表面層受到汽車載荷作用，產(chǎn)生很強(qiáng)的剪應(yīng)力，容易造成較小的車轍、擁包、滑移、裂縫等問題［1-4］。在瀝青路面攤鋪中，攤鋪機(jī)和運(yùn)料車會(huì)行駛在已經(jīng)成型的黏層上，當(dāng)路面溫度不高時(shí)，黏層軟化點(diǎn)遠(yuǎn)高于路面溫度，黏層與施工車輛輪胎間黏附力較小，不會(huì)發(fā)生黏輪現(xiàn)象。但是在夏季瀝青路面施工旺季，已攤鋪路面受到陽(yáng)光直射，路面溫度時(shí)常達(dá)到60 ℃以上，路面溫度接近甚至超過黏層軟化點(diǎn)，瀝青黏層變軟發(fā)黏［5］。當(dāng)施工車輛行駛在黏層上，輪胎很容易將黏層“帶走”，成型的黏層質(zhì)量大打折扣，嚴(yán)重影響瀝青路面層間黏結(jié)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開發(fā)出一種不黏輪乳化瀝青，在瀝青混合料攤鋪過程中能夠解決施工車輛“黏輪問題”，在攤鋪上層瀝青混合料后，不黏輪乳化瀝青能夠強(qiáng)化上下層黏結(jié)，提高黏層施工質(zhì)量，在實(shí)際工程中取得了較好的應(yīng)用效果［6-8］。

隨著不黏輪乳化瀝青產(chǎn)品的多樣化，迫切需要對(duì)不黏輪乳化瀝青產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范。通過借鑒《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［9］相關(guān)黏層用乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)，解決了絕大多數(shù)（針入度、軟化點(diǎn)、黏度、穩(wěn)定性等）不黏輪乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)方法，但由于不黏輪乳化瀝青核心指標(biāo)（不黏輪效果）缺少標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，使不黏輪乳化瀝青評(píng)價(jià)體系不完整。不黏輪乳化瀝青優(yōu)勢(shì)（不黏輪性能）難以被表達(dá)，一定程度限制了不黏輪乳化瀝青的推廣應(yīng)用。

針對(duì)不黏輪乳化瀝青的不黏輪效果，國(guó)內(nèi)外科研人員也做了很多研究性的工作。Seo 等［10］提出使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）測(cè)量不黏輪乳化瀝青黏層流變性和不黏輪性能，并在實(shí)際工程中取得較好的應(yīng)用效果；趙陽(yáng)等［7］借鑒日本乳化瀝青協(xié)會(huì)乳化瀝青黏層黏性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了利用具有強(qiáng)吸附瀝青性能的泡沫紙對(duì)瀝青黏層黏附情況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法；美國(guó)弗吉尼亞州交通創(chuàng)新與研究中心［11］提出采用一種金屬圓柱（帶有兩個(gè)橡膠圈）試驗(yàn)裝置測(cè)量黏層的不黏輪效果，并編制了視覺評(píng)分量化表用于定量分析；郭婷婷等［6］在特定溫度下采用手指施加外力方式，觀察手指黏附瀝青的情況，判斷乳化瀝青不黏輪效果。國(guó)內(nèi)外研究人員提出了不同的測(cè)試試驗(yàn)方法，部分試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，不依賴設(shè)備，但精度不夠，人為因素多，結(jié)果準(zhǔn)確性不足，另外部分試驗(yàn)方法需要特殊的設(shè)備，短時(shí)間試驗(yàn)方法難以廣泛應(yīng)用，還有部分試驗(yàn)方法不能較好地模擬輪胎對(duì)黏層的作用情況。筆者針對(duì)上述問題，借鑒國(guó)內(nèi)外的不黏輪效果試驗(yàn)方法，創(chuàng)新地提出了兩種不黏輪效果試驗(yàn)方法（配重法和壓頭法），以期提高不黏輪效果試驗(yàn)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、便利性，進(jìn)而提升不黏輪乳化瀝青的質(zhì)量和應(yīng)用效果。

1 原材料

試驗(yàn)使用的原材料為5 種乳化瀝青，其中EA-1是采用70#基質(zhì)瀝青制備的普通乳化瀝青，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中PC-3 相關(guān)的要求。EA-2 是采用硬質(zhì)瀝青制備的乳化瀝青，EA-3 是摻加抗車轍母粒制備的乳化瀝青，EA-2 和EA-3 兩種乳化瀝青殘留物偏硬。EA-4 是在EA-3 乳化瀝青制備中添加SBR 膠乳改性劑，EA-5 是在EA-3 乳化瀝青制備中添加SBR 膠乳改性劑和聚氨酯改性劑。5 種乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 黏層用乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of emulsified asphalt for tack coat

2 不黏輪效果試驗(yàn)方法

不黏輪效果評(píng)價(jià)是不黏輪乳化瀝青核心的技術(shù)指標(biāo)，中國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)缺少對(duì)不黏輪效果評(píng)價(jià)的方法。參照美國(guó)和日本對(duì)不黏輪乳化瀝青的不黏輪效果評(píng)價(jià)方法，創(chuàng)新地提出兩種不黏輪效果試驗(yàn)方法。其中配重法是一種簡(jiǎn)單快速的試驗(yàn)方法，適用于工程現(xiàn)場(chǎng)快速評(píng)價(jià)；壓頭法是一種精準(zhǔn)評(píng)價(jià)黏層不黏輪效果的試驗(yàn)方法，適用于科學(xué)研究、試驗(yàn)檢測(cè)等。

2.1 配重法

配重法借鑒日本乳化瀝青協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（JEEAS—2011）［12］乳化瀝青黏附試驗(yàn)思路，利用白紙黏附瀝青情況評(píng)價(jià)不黏輪性能，試驗(yàn)步驟如下：

（1） 將乳化瀝青（0.5 kg/m2）均勻?yàn)⒉荚谟兔珰稚?，乳化瀝青灑布面積為15 cm×10 cm，見圖1（a）。

圖1 試驗(yàn)樣品及壓實(shí)器(配重法)Figure 1 Test sample and equipment(counterweight method)

（2） 將灑布完成后試樣和A5 白紙及橡膠條（12 cm×5 cm）放置到60 ℃烘箱中2 h，待乳化瀝青充分破乳，將A5 白紙鋪在破乳后的試樣表面并將橡膠條放置到白紙上，并利用壓實(shí)器（35 kg）自重在橡膠條上反復(fù)碾壓10 次（來(lái)回），從放置橡膠條到碾壓總時(shí)間不宜超過20 s，見圖1（b）。

（3） 將A5 白紙從黏層剝離，觀察白紙黏附瀝青情況，配重法黏層破壞率S按式（1）計(jì)算：

式中：S為黏層破壞率（%）；A1為白紙黏附瀝青面積（mm2）；A0為橡膠塊施壓面積（mm2）。

白紙黏附瀝青面積可通過數(shù)網(wǎng)格法（1 mm×1 mm）或圖形分析軟件法（Image-Pro Plus）獲得，兩種方法結(jié)果不一致以數(shù)網(wǎng)格法為準(zhǔn)。

2.2 壓頭法

壓頭法原理借鑒美國(guó)不黏輪效果試驗(yàn)方法（DSR）［10，13］，創(chuàng)造性地運(yùn)用橡膠壓頭（圖2）模擬輪胎與黏層接觸，對(duì)壓頭橡膠塊黏附瀝青情況進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中選取的模塊為水泥混凝土模塊，主要由于瀝青混合料表面的構(gòu)造差異，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，并且在較高試驗(yàn)溫度下瀝青混合料模塊在施加壓力過程中缺少側(cè)面支撐易發(fā)生形變，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 試驗(yàn)過程示意圖（壓頭法)Figure 2 Test process(indenter method)

2.2.1 試件制備

（1） 水泥混凝土模塊成型。水泥混凝土集料應(yīng)符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30—2014）的要求。水泥采用32.5 及以上等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，水泥混凝土水灰比為0.49～0.55，混凝土水泥用量為（335±30） kg/m3。水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d，并切割成100 mm×100 mm×50 mm 的水泥混凝土模塊，模塊切割后沖洗、晾干。

（2） 乳化瀝青灑布及養(yǎng)生。在水泥混凝土模塊頂面均勻?yàn)⒉既榛癁r青，灑布量為0.5 kg /m2（乳化瀝青固含量以50%計(jì)算，其他固含量乳化瀝青灑布量需按瀝青用量折算）。灑布完成后的試件放置到60 ℃烘箱養(yǎng)生2 h。

2.2.2 測(cè)試步驟

（1） 在乳化瀝青徹底破乳后，將試件安放在夾具中，并擰緊固定螺栓。

（2） 將夾具（含試件）和壓頭安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試位置上（壓頭與試件不接觸），并在規(guī)定溫度的高低溫試驗(yàn)箱中保溫60 min。試驗(yàn)前壓頭橡膠塊用240#砂紙打磨，并用酒精將表面擦拭干凈。

（3） 采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓頭以20 mm/min 速率施壓于試件（黏層），并使壓強(qiáng)達(dá)到0.8 MPa 后保持5 s 位移不變，試件與壓頭的位置如圖2所示。

（4） 施壓5 s 后，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以20 mm/min 速率返回至施壓初始位置，并進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，使壓頭和試件分離，拉拔速率為10 mm/min，記錄試件拉拔強(qiáng)度峰值，并觀察壓頭橡膠塊黏附瀝青面積。

2.2.3 計(jì)算

壓頭法黏層破壞率S′按式（2）計(jì)算：

式中：S′為黏層破壞率（%）；A′1為壓頭橡膠塊黏附瀝青面積（mm2）；A′0為壓頭與黏層接觸面積（mm2）。

3 結(jié)果分析

3.1 配重法試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)前述的試驗(yàn)方法（配重法）對(duì)5 種乳化瀝青樣品進(jìn)行不黏輪效果評(píng)價(jià)，測(cè)試60 ℃下不同乳化瀝青黏層破壞率，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 黏層破壞率試驗(yàn)結(jié)果（配重法）Figure 3 Test results of failure rate of tack coat(counterweight method)

從圖3 可以看出：EA-1 乳化瀝青黏層基本覆蓋了測(cè)試區(qū)域白紙，EA-1 乳化瀝青黏層在60 ℃黏輪現(xiàn)象嚴(yán)重。EA-2 和EA-3 分別采用硬質(zhì)瀝青和抗車轍母粒，相比于EA-1 乳化瀝青不黏輪性能得到明顯的改善，但局部仍有黏輪現(xiàn)象，EA-4 和EA-5 乳化瀝青通過添加SBR 改性劑和聚氨酯改性劑，進(jìn)一步降低了黏輪現(xiàn)象，EA-5 乳化瀝青黏層在60 ℃測(cè)試溫度表現(xiàn)出了優(yōu)異的不黏輪性能。試驗(yàn)通過Image- Pro Plus （IPP）圖像分析軟件計(jì)算5 種乳化瀝青的黏附瀝青面積，并按照式（1）計(jì)算黏層破壞率。EA-1 黏層破壞率最大為98.2%，EA-5 黏層破壞率最小為1.1%，5種乳化瀝青黏層破壞率為EA-1＞EA-2＞EA-3＞EA-4＞EA-5，不黏輪性能為EA-5＞EA-4＞EA-3＞EA-2＞EA-1。配重法試驗(yàn)結(jié)果可直觀清楚判別乳化瀝青的不黏輪效果。

3.2 壓頭法試驗(yàn)結(jié)果分析（不同乳化瀝青）

采用壓頭法對(duì)5 種乳化瀝青不黏輪效果進(jìn)行測(cè)試（60 ℃），得出不同乳化瀝青黏層試驗(yàn)后壓頭橡膠塊黏附瀝青面積，并按照式（2）計(jì)算黏層破壞率，結(jié)果見圖4。

圖4 黏層破壞率及拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（壓頭法）Figure 4 Test results of failure rate of tack coat and pull strength(indenter method)

如圖4（a）所示，5 種乳化瀝青的黏層破壞率中EA-1 乳化瀝青最大（97.5%），EA-5 乳化瀝青最小（0.5%），5 種乳化瀝青黏層破壞率為EA-1＞EA-2＞EA-3＞EA-4＞EA-5。當(dāng)壓頭對(duì)乳化瀝青黏層試件完成施壓后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，測(cè)量壓頭橡膠塊與黏層的拉拔強(qiáng)度。如圖4（b）所示，由于乳化瀝青EA-5 具有優(yōu)異的不黏輪性能，橡膠塊與乳化瀝青黏層之間的黏附力小，拉拔強(qiáng)度低。乳化瀝青黏層EA-1 發(fā)生嚴(yán)重破壞，高溫環(huán)境乳化瀝青黏層自身強(qiáng)度小，拉拔強(qiáng)度也較低。乳化瀝青EA-4 黏層破壞率較低，乳化瀝青黏層自身黏聚力較大，拉拔強(qiáng)度較大。在實(shí)際路面乳化瀝青黏層施工中，當(dāng)輪胎與黏層的黏附力過大，增大黏層被輪胎“帶走”的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)拉拔強(qiáng)度進(jìn)行一定限制。壓頭法能夠較好地辨別乳化瀝青不黏輪性能。從試驗(yàn)結(jié)果看出：兩種試驗(yàn)（壓頭法和配重法）結(jié)果具有較好的一致性。

3.3 壓頭法試驗(yàn)結(jié)果分析（不同溫度）

采用壓頭法對(duì)不同溫度下EA-2 乳化瀝青的不黏輪效果進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)方法（壓頭法）進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 壓頭法黏層破壞率(EA-2)Figure 5 Failure rate of tack coat with indenter method(EA-2)

由圖5 可知：隨著溫度的升高，乳化瀝青黏層破壞率和拉拔強(qiáng)度變化分為3 個(gè)階段，第一階段由于溫度低，橡膠塊與黏層間的黏附力小，拉拔強(qiáng)度較低，黏層破壞率基本為0，隨溫度的升高，橡膠塊與黏層間的黏附力顯著增加，拉拔強(qiáng)度快速增大，黏層發(fā)生黏輪的風(fēng)險(xiǎn)增大；第二階段，隨著溫度繼續(xù)升高，乳化瀝青黏層自身的黏聚力以及黏層與混凝土模塊的黏附力降低，但壓頭與黏層黏附力增大，發(fā)生局部黏輪現(xiàn)象，拉拔強(qiáng)度快速降低；第三階段，隨著溫度繼續(xù)升高，乳化瀝青黏層自身的黏聚力以及黏層與混凝土模塊的黏附力進(jìn)一步降低，乳化瀝青黏層出現(xiàn)嚴(yán)重黏輪現(xiàn)象，拉拔強(qiáng)度逐漸下降。通過改變溫度對(duì)乳化瀝青EA-2 進(jìn)行不黏輪效果試驗(yàn)，進(jìn)一步表明壓頭法能夠準(zhǔn)確定量地評(píng)價(jià)不同溫度乳化瀝青黏層的不黏輪效果。

4 黏層發(fā)生黏輪現(xiàn)象分析

施工車輛輪胎對(duì)黏層的作用是一個(gè)復(fù)雜的過程，作用過程中主要包括3 種力：輪胎與黏層的黏附力（σT-T）、黏層自身的黏聚力（σT）以及黏層與原路面的黏附力（σT-P）。隨瀝青路面施工中路面溫度逐漸升高，灑布成型的瀝青黏層逐漸變軟發(fā)黏，黏層黏聚力（σT）以及黏層與原路面的黏附力 （σT-P）降低，但輪胎與黏層的黏附力（σT-T）升高，當(dāng)輪胎與黏層的黏附力超過黏層自身黏聚力或黏層與原路面的黏附力中的任何一個(gè)值（或兩個(gè)值），黏層發(fā)生破壞，出現(xiàn)“黏輪現(xiàn)象”。當(dāng)輪胎與黏層的黏附力保持低于黏層自身黏聚力以及黏層與原路面的黏附力時(shí)，黏層表現(xiàn)出較好的不黏輪效果［14-15］。受力情況如圖6 所示。因此，為了避免出現(xiàn)“黏輪問題”，應(yīng)在提升黏層與原路面的黏附力以及黏層自身黏聚力基礎(chǔ)上，盡可能降低輪胎與黏層的黏附力。

圖6 輪胎與黏層層間作用力情況Figure 6 Force between tire and tack coat

通過對(duì)輪胎與黏層間的作用力分析，更加明確輪胎與黏層之間的作用力及發(fā)生黏輪現(xiàn)象的內(nèi)在原因，使不黏輪效果試驗(yàn)方法更貼合輪胎與黏層實(shí)際作用情況。

5 結(jié)論

不黏輪效果是不黏輪乳化瀝青評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)，根據(jù)輪胎與乳化瀝青黏層的作用分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果提出了兩種不黏輪效果試驗(yàn)方法（配重法和壓頭法），用于評(píng)價(jià)不黏輪乳化瀝青的不黏輪效果，得出以下主要結(jié)論：

（1） 配重法能夠通過黏層破壞率快速判別乳化瀝青不黏輪性能。壓頭法通過黏層破壞率和拉拔強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)精準(zhǔn)判別乳化瀝青不黏輪效果。

（2） 兩種試驗(yàn)方法（配重法、壓頭法）試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

（3） 配重法是一種簡(jiǎn)單快速的試驗(yàn)方法，適用于工程現(xiàn)場(chǎng)快速評(píng)價(jià)。壓頭法是一種精準(zhǔn)評(píng)價(jià)不黏輪效果的試驗(yàn)方法，適用于科學(xué)研究、試驗(yàn)檢測(cè)等。兩種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，適用于工程現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)研究等多種場(chǎng)景的不黏輪效果評(píng)價(jià)。