SBS改性乳化瀝青黏層材料的剪切性能

尚慶芳，田俊壯，牛昌昌，鄭南翔

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司 廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 西寧 530007； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

SBS改性乳化瀝青黏層材料的剪切性能

尚慶芳1，田俊壯2，牛昌昌1，鄭南翔3

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司 廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 西寧 530007； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

為了解決安徽地區(qū)瀝青路面層間黏結(jié)性能差的問(wèn)題，防止發(fā)生擁包、推移等病害,通過(guò)研究4種不同黏層材料(SBS、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青和熱瀝青)的抗剪強(qiáng)度，評(píng)價(jià)不同黏層材料的性能。結(jié)果表明：4種材料中，SBS改性乳化瀝青黏層材料的抗剪性能較好，且其涂布量為0.8 kg·m-2左右時(shí)層間抗剪效果最佳。

黏結(jié)性能；黏層材料；SBS改性乳化瀝青；抗剪強(qiáng)度

0 引 言

隨著汽車(chē)使用量的增加，中國(guó)公路的實(shí)際交通量遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)通行能力，再加上高溫、重載等不利條件，致使通車(chē)不久后的瀝青路面就出現(xiàn)擁包、層間滑移等病害，嚴(yán)重影響路面的使用性能。出現(xiàn)上述病害的主要原因是：在實(shí)際道路施工中，路面是分層鋪筑的，為了使每一層結(jié)構(gòu)的表面光滑、平整，鋪筑時(shí)要對(duì)每一層都進(jìn)行充分的碾壓，這樣就降低了2個(gè)結(jié)構(gòu)層之間的摩擦力；而層間的黏結(jié)性能主要是由黏層材料性能的好壞來(lái)決定的。若灑布的黏層材料性能不好，結(jié)構(gòu)層間的黏結(jié)強(qiáng)度不高，就不能夠很好地抵御外界作用與層間的剪切力，層間就很容易產(chǎn)生病害。

由于乳化瀝青具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如常溫下呈液態(tài)、可直接施工而不需要加熱、對(duì)環(huán)境的污染較小等，因而引起眾多道路研究人員的廣泛關(guān)注[1-6]。但是，面對(duì)現(xiàn)在苛刻的公路環(huán)境，大部分黏層材料的某些性能還是達(dá)不到路面使用的要求。近年來(lái)，SBS改性乳化瀝青得到廣泛的應(yīng)用，其黏結(jié)性好、彈性恢復(fù)能力強(qiáng)、抗裂性能好等[7-13]優(yōu)點(diǎn)能改善中國(guó)地域差別和氣溫差別大帶來(lái)的不利影響，因此具有較好的應(yīng)用前景。本文就SBS改性乳化瀝青黏層材料的剪切性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)用原材料及方案

1.1 原材料和級(jí)配

試驗(yàn)用瀝青為殼牌SBS改性瀝青，按照《公路工程及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)用粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2、3，其性能的檢測(cè)按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)中的規(guī)定進(jìn)行。

表2 粗集料指標(biāo)

表3 細(xì)集料指標(biāo)

混合料試驗(yàn)用填料礦粉的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4，其性能檢測(cè)按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

做剪切試驗(yàn)時(shí)采用雙層車(chē)轍板試件，其上、下兩層均是AC-13混合料，級(jí)配按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)表5，與之對(duì)應(yīng)的級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。為避免級(jí)配不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，此次試驗(yàn)統(tǒng)一采用AC-13級(jí)配中值。

表5 AC-13瀝青混合料級(jí)配礦料組成 %

圖1 AC-13瀝青混合料級(jí)配曲線(xiàn)

此次試驗(yàn)采用的成品黏層材料有SBS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青和普通熱瀝青(SK-90#基質(zhì)瀝青)，基本性能按《公路工程及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，其中SK-90#瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6，各黏層材料基本指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表7。

1.2 試件成型方法及剪切儀器

首先成型雙層車(chē)轍版試件，順序?yàn)椋撼尚拖聦咏Y(jié)構(gòu)(AC-13瀝青混合料)；灑布黏層材料，室溫下待其破乳；成型上層結(jié)構(gòu)(AC-13瀝青混合料)。

車(chē)轍版尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，將烘干的礦料和已熔融好的瀝青按一定的比例依次倒入拌和鍋進(jìn)行拌和，稱(chēng)取一定質(zhì)量的已拌好的混合料裝入已加熱的試模中，溫度高時(shí)先用小錘進(jìn)行適當(dāng)擊實(shí)，等到溫度達(dá)到要求時(shí)再用輪碾機(jī)碾壓成型，上下兩層的碾壓方向須一致。將成型好的試件在規(guī)定的條件下養(yǎng)護(hù)，然后用鉆芯機(jī)鉆取芯樣以備試驗(yàn)。

表6 SK-90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表7 三種乳化瀝青指標(biāo)對(duì)比

圖2 剪切試驗(yàn)加載過(guò)程

剪切試驗(yàn)儀采用長(zhǎng)安大學(xué)自主研發(fā)的多功能道路層間力測(cè)試儀。試件的加載方式如圖2所示：將芯樣固定在移動(dòng)小車(chē)下方夾具中，并調(diào)整小車(chē)位置，使芯樣的中軸線(xiàn)與夾具中心對(duì)正；調(diào)整夾具高度，使其與試件高度相同；控制液壓源在垂直方向上對(duì)試件施加豎向正壓力，控制水平方向液壓源在水平方向上對(duì)試件施加剪切力，試件沿上下層接觸面發(fā)生破壞。

剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為

G=F/s

(1)

式中：G為剪切強(qiáng)度(kPa)；F為最大加載值(kN)；s為接觸面積(m2)，對(duì)于直徑為150 mm的試件，s=0.017 67 m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

大量研究資料表明，壓應(yīng)力、拉拔應(yīng)力和剪應(yīng)力是影響瀝青路面層間狀態(tài)的主要因素，而拉拔應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)瀝青層間的黏結(jié)有不利影響，且剪應(yīng)力是引起層間破壞的主要因素之一[14-17]。因此，本次試驗(yàn)用抗剪強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)層間黏結(jié)材料的黏結(jié)性能。

2.1 黏結(jié)材料類(lèi)型

由于不同種類(lèi)的黏層材料對(duì)路面層間黏結(jié)性能的影響不同，故本試驗(yàn)選擇4種黏層材料：SBS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青和熱瀝青。試驗(yàn)溫度分別為25 ℃、45 ℃、60℃，控制豎向壓應(yīng)力的大小為0.7 MPa。乳化瀝青類(lèi)的涂布量定為0.8 kg·m-2，熱瀝青的涂布量定為0.4 kg·m-2，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度下不同類(lèi)型乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度對(duì)比

由圖3可知，相同溫度時(shí)的抗剪強(qiáng)度從大到小排序?yàn)椋篠BS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青、普通熱瀝青。由于試驗(yàn)用試件為同一類(lèi)型的混合料，故其層間的摩擦力基本相同。由此可知， SBS改性乳化瀝青是4種黏層材料中抗剪效果最好的。

2.2 乳化瀝青涂布量

黏層材料用量過(guò)多易導(dǎo)致層間滑移病害；用量過(guò)少層間黏結(jié)又不足。層間灑布適量的黏層材料，可以使路面形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因此黏層材料的灑布量很關(guān)鍵。灑布量定義為單位面積路面上材料的用量。由于黏層材料和上下兩層混合料之間存在交互作用，所以黏層材料中結(jié)構(gòu)瀝青的多少直接影響其黏結(jié)強(qiáng)度的大小。黏層材料的黏度在夏季高溫季節(jié)下降，結(jié)構(gòu)瀝青膜的厚度也隨之減小。因此可知，黏層的抗剪強(qiáng)度在很大程度上是受其涂布量和結(jié)構(gòu)瀝青膜厚度的影響。

此次試驗(yàn)選擇了6種涂布量(黏層材料選用SBS改性乳化瀝青)，即0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 kg·m-2，成型試件并在溫度分別為20 ℃、45 ℃、60 ℃時(shí)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，所施加的豎向壓應(yīng)力為0.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下乳化瀝青涂布量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

通過(guò)分析可知，在3種試驗(yàn)溫度下，隨著SBS改性乳化瀝青涂布量的增加，層間剪切力先逐漸增大，后逐漸減小，中間有最大值。其原因?yàn)椋吼硬牧贤坎剂亢线m時(shí)，層間的黏結(jié)力較強(qiáng)，但涂布量較多時(shí)，路面層間易形成富油層，多出來(lái)的這部分黏層材料增加了層間的潤(rùn)滑作用，降低了黏結(jié)性，故層間的黏結(jié)力有所下降，因此存在一個(gè)最佳用量。

當(dāng)SBS改性乳化瀝青涂布量為0.2～0.4 kg·m-2時(shí)，由于黏層材料的用量很少，在層間未能構(gòu)成有效的結(jié)構(gòu)瀝青，故其抗剪強(qiáng)度較低。但是，隨著改性乳化瀝青用量的增加，層間瀝青膜變厚，使之能夠在層間形成有效的結(jié)構(gòu)瀝青，從而層間抗剪強(qiáng)度增加。當(dāng)SBS改性乳化瀝青涂布量超過(guò)0.8 kg·m-2時(shí)，層間的瀝青膜更厚，此時(shí)層間出現(xiàn)自由瀝青，導(dǎo)致黏層材料的潤(rùn)滑作用大于抗剪作用，使層間的抗剪強(qiáng)度降低。由此可知，黏層材料的最佳涂布量為0.6～1.0 kg·m-2。

2.3 乳化瀝青固含量

試驗(yàn)選擇4個(gè)固含量進(jìn)行剪切試驗(yàn)，即50%、55%、60%、65%，控制試驗(yàn)施加的豎向壓應(yīng)力大小為0.35 MPa，涂布量統(tǒng)一選用0.8 kg·m-2，黏層材料為SBS改性乳化瀝青，其中乳化瀝青中改性劑和乳化劑添加量分別為為3.5%和1.5%，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同乳化瀝青固含量下的抗剪強(qiáng)度

由圖5可知，在任一溫度時(shí)，黏層材料的抗剪強(qiáng)度均隨著乳化瀝青固含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。溫立影[18]的研究表明，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的延度和針入度隨著其固含量的增加而逐漸增大，同時(shí)其大小還會(huì)對(duì)軟化點(diǎn)及彈性恢復(fù)產(chǎn)生一定的影響，因此乳化瀝青固含量的增加有利于改善黏層材料的性能以及層間的抗剪強(qiáng)度。但是，乳化瀝青的固含量越高，其制備就越困難，而且施工灑布時(shí)需要的溫度也就更高；此外，乳化瀝青固含量的增加與其抗剪強(qiáng)度的增加并不是線(xiàn)性、同比例的。因此，從制備難易和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，建議施工時(shí)最好采用固含量為50%的改性乳化瀝青。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)黏層材料抗剪性能從大到小排序?yàn)椋篠BS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青、普通乳化瀝青。

(2)本試驗(yàn)中，黏層材料涂布量為0.8 kg·m-2左右時(shí)層間抗剪效果最好，在實(shí)際施工中可以根據(jù)具體情況進(jìn)行施工控制。

(3)層間的抗剪性能受溫度變化的影響比較大，當(dāng)溫度從20 ℃上升到60 ℃時(shí)，層間的剪應(yīng)力急劇減小，說(shuō)明在夏季高溫季節(jié)路面更易產(chǎn)生層間推移破壞。

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ShearPropertiesofSBSModifiedEmulsifiedAsphaltasBindingMaterial

SHANG Qing-fang1, TIAN Jun-zhuang2, NIU Chang-chang1, ZHENG Nan-xiang3

(1. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China;2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Material, Guangxi Transportation Research Institute,Nanning 530007, Guangxi, China; 3. School of Highway, Chang’an University,Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to solve the problem of poor adhesion between the courses of asphalt pavement in Anhui Province and to prevent the diseases such as upheaval and slippage, the shear strength of four different binding materials, including SBS modified emulsified asphalt, SBR modified emulsified asphalt, ordinary emulsified asphalt and ordinary hot asphalt, was studied so as to evaluate their performance. The results show that the SBS modified emulsified asphalt shows better shear strength as binding material than the others, and the best effect could be achieved when the application rate is about 0.8 kg·m-2.

binding property; binding material; SBS modified emulsified asphalt; shear strength

U414.01

B

1000-033X(2017)11-0077-04

2017-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51202016，51408044)

鄭南翔(1957-)，男，河南溫縣人，教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)槁访娌牧稀⒔Y(jié)構(gòu)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

[責(zé)任編輯:杜敏浩]