滲固粘層材料室內試驗研究及性能評價

王端宜， 于泳潭

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510641)

瀝青路面是中國高速公路路面的主要結構形式，現有的瀝青路面厚度設計和計算體系均建立在層間連續的假設基礎之上.盡管多年來道路行業一直在努力為瀝青面層之間營造一個可靠的連續接觸條件，但由于面層材料和現有粘層材料的自身固有性質，以及瀝青面層作為施工平臺受到的施工環境影響，這些努力并沒有取得期望的效果[1-4].鉆芯取樣的結果顯示，瀝青面層層間脫離的比例較高，這在一定程度上影響了路面的使用壽命[5-7].本研究在已有水性環氧樹脂路面抗滑封層研究成果[8-11]的基礎上，進一步研究了水性環氧樹脂-乳化瀝青混合液作為瀝青面層粘層的可行性，旨在通過室內試驗提出一種新的滲固粘層(針對面層之間，并非基-面層之間)材料，以保證瀝青面層之間的層間連續狀態，同時優化路面結構層，提高路面結構的使用壽命.

1 試驗

1.1 乳化瀝青-水性環氧樹脂混合液的配合比設計

試驗所用的乳化瀝青及水性環氧樹脂技術指標均滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的技術要求.在已有水性環氧樹脂路面抗滑封層研究成果的基礎上(化學試驗分析顯示水性環氧樹脂-乳化瀝青混合液的固化黏結性能優異，其中環氧A，B組分的質量比為1∶3～1∶2時固化效果最優)，綜合考慮，選擇以下9種水性環氧樹脂-乳化瀝青混合液的配合比(質量分數，本文所涉及的配合比、摻量等均為質量分數)進行一系列相關試驗；另外，考慮經濟、適用、耐久等要點對配合比進行擇優.水性環氧樹脂-乳化瀝青混合液配合比見表1.

表1 水性環氧樹脂-乳化瀝青混合液配合比

1.2 配合比選擇

按照表1中的配合比，將水性環氧樹脂A，B組分和乳化瀝青混合均勻，分別對不同配比混合液進行滲透深度和滲水試驗，并與未摻加環氧組分的單一乳化瀝青(9#配比)作對比試驗，每種配比混合液均做3組平行試驗，結果取平均值.試驗規程按JTG E20—2011，試驗結果如圖1和表2所示.

由圖1可見，1#～8#配比混合液的滲透深度隨水性環氧樹脂摻量的減小而逐漸減小，與9#配比(單一乳化瀝青)相比，1#～8#配比混合液的滲透深度均有所提高，提高幅度則各有差異，說明這幾種混合液作用在瀝青面層上的滲透性得到了不同程度的改善.從1#～5#配比混合液的滲透深度可以看出，隨著水性環氧樹脂摻量的遞減，混合液滲透深度逐漸減小，并且減小的幅度較大；5#～8#配比混合液的滲透深度遞減趨勢不明顯，原因是這幾種混合液的水性環氧樹脂摻量過少，對其滲透深度影響不大.因此從經濟性和適用性考慮，5#配比混合液具有更好的推廣性.

圖1 不同配比混合液的滲透深度Fig.1 Penetration depth of mixtures with different mix proportions

由表2可見：1#～5#配比混合液固化后不透水，6#～8#配比混合液有輕微透水現象，9#單一乳化瀝青固化物透水嚴重.水性環氧樹脂-乳化瀝青混合液的固化物具有很好的防水優勢，隨水性環氧樹脂摻量的增加其防水效果顯著增強，但在一定水性環氧樹脂摻量范圍內，該固化物始終處于不滲水狀態，說明過多摻加水性環氧樹脂對固化物滲水性并無改善.從經濟角度考慮選擇5#配比混合液就能足夠保證粘層材料的防水性能.因此，初定5#配比混合液作為粘層材料研究的配比，即：w(乳化瀝青)∶w(環氧組分A)∶w(環氧組分B)=80%∶6%∶14%.

2 滲固粘層材料的路用性能試驗及性能評價

2.1 加速加載試驗

2.1.1試驗方案

為真實模擬行車荷載對施工后滲固粘層表面的磨耗作用效果，采用自主研發的路表面功能加速加載試驗系統對固化后的粘層進行加速加載磨耗試驗[10-11].加速加載試驗一次性可以放置8塊弧形板(平面尺寸為30cm×30cm)，因此，為了與現有粘層(乳化瀝青碎石)路用性能進行比較，特成型8塊弧形車轍板，其中4塊弧形板表面均勻涂抹由 1.20kg/m25#配比混合液與1.50kg/m23～5mm碎石組成的粘層材料，簡稱滲固粘層試件；另外4塊弧形板表面均勻涂抹由1.20kg/m2單一乳化瀝青(9#配比)與1.50kg/m23～5mm 碎石組成的粘層材料，簡稱普通粘層試件.待8塊車轍板表面粘層固化后進行加速加載試驗.

2.1.2滲固性能評價方法及結果

加速加載試件在試驗過程中受輪胎壓力、摩擦力以及慣性離心力的作用，比實際粘層面受力狀況更為苛刻，研究不同加速加載階段涂抹粘層材料試件的抗剝落性可以反映其滲固性及耐久性能.本研究通過測量材料在經過不同加速加載作用次數n后的質量損失率wloss來表征其滲固性能.試件的質量損失率wloss由式(1)計算：

(1)

式中：mn為車輪加速加載作用n次后的粘層材料加弧形板質量；m1為粘層材料加弧形板的初始質量，m0為未涂抹粘層材料的弧形板質量.2組試件在不同加速加載作用次數后的質量損失率如圖2所示.

圖2 不同粘層試件的質量損失率隨加速 加載作用次數的變化Fig.2 Specimens mass loss rate with different bonding layers changing with loading times

由圖2可以看出：(1)隨著加速加載作用次數n的增加，2種粘層試件的質量損失率都呈增加趨勢；(2)作用5000次時，普通粘層試件的質量損失率較大，超過45%，當作用次數繼續增加時，其質量損失率基本無變化，原因是經過5000次加速加載作用后輪跡帶處的普通粘層材料已經基本損失完全，因此其后期的質量損失率基本保持不變；(3)對于滲固粘層試件，前期加速加載作用5000次時其質量損失率達13%，作用20000次后質量損失率遞增趨勢趨于平緩，作用110000次時，滲固粘層試件的質量損失率接近20%，遠遠小于相應普通粘層試件47%的質量損失率；(4)綜合比較2種粘層試件，無論是前期質量損失率還是后期最終質量損失率，滲固粘層均損失較少，且損失較慢.可以預測施工作業車輛對滲固粘層的磨耗作用很小，因此滲固粘層表現出優良的滲固性能.

2.2 層間拉拔及剪切試驗

滲固粘層除了要有優良的滲固性能外，還需與瀝青面層具有良好的黏結效果，此種黏結效果是否滿足使用要求是與傳統乳化瀝青碎石粘層(普通粘層)的層間結合能力對比而來.因此為研究滲固粘層的層間結合能力，開展了以下試驗：滲固粘層與普通粘層的對比、撒布石料粒徑的對比、撒布石料量的對比和撒布黏結劑用量的對比，通過以上對比試驗比選出最優的粘層材料.對使用2種粘層材料的上下層瀝青面層結合試件各成型3組，其抗剪強度、抗拉強度取均值.具體試驗數據及分析如下：層間黏結劑用量不同時，固定石料用量和石料粒徑范圍(1.50 kg/m2的5～10mm碎石)；同理，石料粒徑范圍不同時，固定黏結劑用量和石料用量(1.20kg/m2黏結劑+1.50kg/m2碎石)；石料用量不同時，固定黏結劑用量和石料粒徑范圍(1.20kg/m2黏結劑+5～10mm碎石).圖3～5是2種粘層試件黏結性能的分析圖.

由圖3～5可見：(1)無論是抗拉強度還是抗剪強度，滲固粘層試件均遠遠高于普通粘層試件，說明滲固粘層具有更好的層間結合能力.(2)隨黏結劑用量的增加，滲固粘層試件及普通粘層試件的抗拉強度、抗剪強度均呈遞增趨勢，遞增幅度則略有不同，其中滲固粘層試件的層間結合能力隨黏結劑用量遞增而增幅顯著，即改變黏結劑用量對滲固粘層試件黏結性能的影響較大；相反，改變黏結劑用量對普通粘層試件黏結性能的影響不夠明顯，推斷是因為普通粘層黏結劑(乳化瀝青)本身黏結能力不強，即使通過改變黏結劑用量也無法彌補其黏結性能不足的缺陷.(3)石料粒徑范圍對粘層試件的黏結性能也有較明顯影響，粒徑偏細時粘層試件的層間結合能力低于粒徑偏粗時.石料粒徑及用量適當無疑是瀝青混合料與粘層及基層結合面積的保證，通常認為同一石料用量下粒徑偏細時層間結合面積偏大，傳統的理念是該種粒徑能有效保證層間結合面積.但是通過施工應用發現，3～5mm粒徑的石料多被黏結劑淹沒，即被黏結劑裹覆住，石料突出粘層面的高度不足，沒能與瀝青混合料形成接觸面的有效結合，因此3～5mm粒徑的石料偏細.施工實踐發現 5～10mm 粒徑的石料可以在很大程度上解決此種不足，而且采用5～10mm粒徑石料時會有更好的層間結合效果.過于增大石料粒徑同樣沒法保證層間結合面積，并且對試件黏結性能的提高不明顯，因此不予提倡.(4)石料用量對2種粘層試件的層間結合能力影響不明顯，其中滲固粘層試件的黏結性能對石料用量的變化較為敏感.

圖3 黏結劑用量不同時2種粘層試件黏結性能對比Fig.3 Comparison of bonding capacity of bonding layers with different adhesive contents

圖4 石料粒徑不同時2種粘層試件黏結性能對比Fig.4 Comparison of bonding capacity of bonding layers with different gravel sizes

圖5 石料用量不同時2種粘層試件黏結性能對比Fig.5 Comparison of bonding capacity of bonding layers with different gravel contents

本研究前期過程中亦廣泛對比了幾種傳統粘層材料的路用性能，如熱瀝青、改性乳化瀝青、煤油稀釋瀝青、高滲透乳化瀝青等，發現這些粘層的滲固性能、層間抗拉及抗剪強度均遠小于本研究中的水性環氧樹脂-乳化瀝青滲固粘層.限于篇幅，本文未作出詳細對照，僅列出了使用最普遍的傳統乳化瀝青粘層作為對比.環氧樹脂類主要用作鋼橋面粘結層，其中以美國環氧和日本環氧最為常用，造價較高，本文使用少量水性環氧樹脂-乳化瀝青作為粘層油，相對于改性瀝青類粘層油的造價略有提高，但因水性環氧樹脂摻量較少，其造價并未顯著提高，并且使用該滲固粘層的試件層間結合能力提高顯著，有力保證了面層層間使用壽命.結合傳統粘層材料結構組成參數，綜合考慮經濟性與實用性，本研究最終選定滲固粘層的黏結劑用量為1.20kg/m2，碎石用量為1.50kg/m2，石料粒徑范圍5～10mm.

3 結論

(1)通過滲透深度和滲水試驗分析，從經濟性和適用性考慮，選定粘層材料配比為：w(乳化瀝青)∶w(環氧組分A)∶w(環氧組分B)=80%∶6%∶14%.通過加速加載試驗發現該滲固粘層具有很好的滲固性能；層間剪切及拉拔試驗結果顯示該滲固粘層具有較高的抗拉強度和抗剪強度，最終推薦滲固粘層材料形式為：水性環氧樹脂-乳化瀝青的用量共1.20kg/m2，碎石用量1.50kg/m2，石料粒徑范圍5～10mm.

(2)本文基于一系列室內試驗及分析，對瀝青路面粘層材料進行了較深入的研究，并對其性能進行了準確評價.本文使用少量水性環氧樹脂-乳化瀝青作為粘層油，相對于改性瀝青類粘層油的造價略有提高，但因水性環氧樹脂摻量較少，其造價并未顯著提高，并且使用該滲固粘層的試件層間結合能力提高顯著，即最終得到的滲固粘層具有更好的路用性能，有力保證了面層層間使用壽命.因此可以作為新一代瀝青面層間粘層材料.