瀝青路面坑槽修補粘結料的性能

，家偉， ，，

(1.陜西省高性能混凝土工程實驗室，陜西 渭南 714000； 2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055； 3.包頭市公路局，內蒙古 包頭 014040)

1 引 言

在外界荷載、溫度、水等因素作用下，瀝青路面表層的裂縫、松散、龜裂、沉陷等逐漸演化成尺寸各異的坑槽。修補頻率高、材料用量少和運輸距離遠等施工特點增加了坑槽修補難度。現有的坑槽相關研究主要集中在修補材料及修補工藝等方面[1-3]，亟待完善。坑槽修補后，由于修補材料與原路面材料間粘結力不足，易導致在界面結合處發生破壞，并具有側面破壞居多、底層破壞占少數的特點，兩種破壞形式均與界面結合處的力學特性相關。

道路研究工作者針對坑槽修補作業進行了許多研究，但針對坑槽修補粘結料的專項研究相對較少。王發洲等[4]通過分析硅酸鹽水泥與陽離子乳化瀝青顆粒的相互作用機理，提出了兩者的相互作用模型。梁星敏等[5]研究不同TLA摻量對改性瀝青高溫、低溫性能的影響，并提出了TLA的合理摻量范圍。王振軍等[6]通過研究半剛性面層復合材料漿體-集料界面的硬度及影響因素，認為礦粉、水泥基集料類型均對其粘結有影響。祝斯月等[7]研究高粘改性瀝青關鍵指標對排水瀝青混合料性能的影響，提出了評價高粘改性瀝青的關鍵性指標。郭寅川等[8]對比分析普通瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青粘層材料，提出以不同溫度下的抗剪強度作為評價依據。武建民等[9]針對瀝青面層與水泥穩定碎石基層的層間粘結問題，從選擇性滲透理念出發，研發出兼具滲透性能和層間粘結性能的高粘性透層油。張慶等[10]通過圖像分析軟件對水性環氧樹脂改性乳化瀝青的黏附性進行量化，表明水性環氧樹脂可以很大程度上提高乳化瀝青黏附性，同時認為水性環氧樹脂的具體配比對黏附性能有很大影響。沈凡等[11]開發出一種水泥-乳化瀝青-水性環氧樹脂復合膠結鋼箱梁橋面鋪裝材料，并圍繞材料的組成、結構、性能展開研究。

對于較嚴重的坑槽病害，應采取罩面和銑刨罩面等方法進行處理。本文主要針對局部坑槽病害或病害不甚嚴重的情況，側重于對坑槽修補界面粘結料的研究。坑槽修補界面結合層是修補結構的特定組成部分，由此確認坑槽修補粘結料開發及界面特性分析具有重要意義[12]。

2 粘結料剪切性能與拉拔性能及實施方案

2.1 材料和試驗方案

將文獻[13-15]作為本文試驗相關分析的參考。

剪切試驗和拉拔試驗采用萬能材料試驗機，其中，剪切試驗采用45°斜剪；界面粘結料類型有3種，包括SBS改性乳化瀝青、WEA型粘結料和CWEA型粘結料；試驗采用的路面結構組合形式為50mm修補層(AC-13)+粘結層+50mm原路面層(AC-16)，均為瀝青混合料熱補料；采用Φ100×100mm的圓柱形試件；粘結料的撒布劑量分別取為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8kg/m2；試驗溫度分別為20℃、45℃和60℃；剪切速率設定為2mm/min，拉拔速率設定為20mm/min。

2.2 試驗結果分析

剪切破壞和拉拔破壞均在層間發生，表明層間結合處為修補薄弱面，對其力學特性進行分析。

2.2.1粘結料的撒布劑量及試驗溫度對界面力學性能的影響 對于不同類型粘結料，材料強度隨撒布劑量的變化見圖1。在最佳撒布劑量條件下，材料剪切強度與拉拔強度隨溫度的變化關系見圖2。圖1～圖2中的(s)、(p)分別代表材料的剪切強度和拉拔強度。

圖1 不同粘結劑的強度與撒布劑量之間的關系 (a) SBS改性乳化瀝青粘結料; (b) WEA型粘結料; (c) CWEA型粘結料Fig.1 The relationship between strength and spreading content of bonding malerials (a) SBS modified asphalt; (b) WEA; (c) CWEA

圖2 不同粘結材料強度與溫度的關系Fig.2 Relationship between strength and temperature

由圖1可知：

(1)在溫度、撒布劑量和粘結料類型一定的情況下，粘結料的剪切強度始終高于拉拔強度。主要原因是界面拉拔強度取決于粘結料性能，而抗剪強度不僅與粘結料黏彈性有關，還與混合料骨料界面間相互嵌擠、相互鎖合的摩阻效應有關，二者的耦合作用使抗剪強度得到強化。

(2)溫度一定的情況下，隨著撒布劑量的增加，剪切強度與拉拔強度均呈現先增大后減小的特點。由此可知，存在最佳撒布劑量，使粘結料的剪切強度與拉拔強度取得最大值。最佳撒布劑量的確定原則是，在達到強度要求的同時最大程度節約成本。值得注意的是，當溫度升高到60℃時，WEA型粘結料的最佳撒布劑量規律性發生了變化，主要原因是粘聚力隨溫度上升而急劇下降，界面過渡層的瀝青混合料出現松散，導致界面粘附、摩阻效應退化，力學性能發生波動或重分布。因此，高溫條件下，WEA型粘結料不能很好地反映強度隨粘結料撒布劑量的變化規律。

由圖2可知：

(1)在最佳撒布劑量條件下，三種材料的剪切強度與拉拔強度均在常溫下達最大值，隨著溫度升高，強度呈降低趨勢。降低的具體趨勢為前期緩和，后期加快。這一現象表明材料有感溫性，高溫下粘聚力的損失導致強度的損失。強度損失最快的是WEA型粘結料，60℃的剪切強度是45℃的0.275倍和20℃的0.178倍，對應的拉拔強度分別為0.263和0.143倍；而CWEA型粘結料高溫剪切強度和拉拔強度損失較小，性能比較穩定。

(2)在最佳撒布劑量下，20℃時，WEA型粘結料剪切強度和拉拔強度均高于SBS改性乳化瀝青和CWEA型粘結料相應的強度，但數值相差不大；45℃時，CWEA粘結料剪切強度和拉拔強度均超過SBS改性乳化瀝青的1.54倍和WEA粘結料的1.12倍；60℃時，CWEA型粘結料的力學強度均超過SBS改性乳化瀝青和WEA型粘結料的1.73倍。由此發現，溫度較低時，WEA型粘結料較傳統乳化瀝青材料能更好地充當修補界面粘結劑；而溫度較高時，CWEA型粘結料兼具優異的抗剪和抗拉性能，更適用于高溫地區瀝青路面坑槽修補。

2.2.2剪切強度與拉拔強度之間的關系 瀝青混合料強度形成理論有傳統的表面理論和近代的膠漿理論。表面理論重在調整級配，加強粗集料骨架作用；膠漿理論則把重點放在增加瀝青稠度，增加礦粉用量上。其目的都是為了提高材料的抗剪切強度和破壞強度。對于瀝青路面坑槽修補粘結料，剪切強度與拉拔強度之間的關系應以此為切入點進行分析。

調查表明，施工現場通常采用拉拔儀進行拉拔強度檢測，但要檢測抗剪強度卻極為不便。為了能夠根據現場檢測的拉拔強度定性推斷并評價粘結料的抗剪性能，進行瀝青混凝土坑槽修補粘結料的抗拉與抗剪強度相關性分析顯得重要且必要。

對上述三種粘結料，其15個剪切強度與15個拉拔強度之間對應的關系均為線性相關關系，且R-square均大于0.98。由此，對三種材料的45組剪切強度與拉拔強度數據作歸一化處理，以提高所得結論的適用范圍，三種材料組合后的擬合結果如圖3。

圖3 三種粘結料剪切強度與拉拔強度的關系Fig.3 Relationship of shearing strength and pulling-off strength among three kinds of bonding material

由圖3可知：剪切強度與拉拔強度依然呈現線性正相關關系，且R-square大于0.98。由于剪切強度還與界面結合處骨料的嵌擠作用相關，擬合出來的公式可能不具很強的代表性，但拉拔強度在一定程度上能夠反映出剪切強度的大小。同等條件下，拉拔強度高的粘結料，其抗剪強度也高。

2.2.3坑槽修補實施方案 結合工程實際，坑槽修補界面粘結料應具有良好的粘結吸附能力，能有效填充界面過渡層的微細觀孔洞、缺陷，防止雨水通過補縫滲透進入基層加劇路面水害破損，但其噴灑工藝對界面粘結質量的影響巨大，因此，對于不同性質材料應采用不同的噴灑工藝。首先，噴灑過程中需嚴格控制噴涂用量。若用量不足，補縫界面則無法有效粘合，無法形成封閉的防水隔離層；而若用量過多，垂直補縫粘結料極易在槽底淤積，修補后泛油現象嚴重，且界面易形成富油層，多余的粘結料非但沒有粘結效果，還會起到潤滑作用。其次，撒布時需根據試驗確定的材料固化時間和固化溫度，合理控制施工準備工作，固化時間的長短和固化溫度的高低對修補效果、粘結強度也有很大影響。

3 結 論

1．當試驗溫度在20℃和45℃時，SBS改性乳化瀝青、WEA型與CWEA型粘結料最佳撒布劑量分別確定為0.6、0.5和0.6kg/m2，但當溫度升高至60℃時，三種粘結料最佳撒布劑量皆為0.6kg/m2。

2．隨溫度升高，三種坑槽修補粘結料的剪切強度和拉拔強度衰減程度的大小順序為：SBS改性乳化瀝青> WEA型> CWEA型，這表明CWEA型粘結料高溫抗剪、抗拉性能最佳，SBS改性乳化瀝青最差。

3．相對于傳統乳化瀝青材料，WEA型粘結料可更好地用作非炎熱地區坑槽界面修補結合劑，而CWEA型粘結料在高溫時兼具優異的抗剪和抗拉性能，適合于高溫濕熱地區瀝青路面坑槽修補。

4．剪切強度與拉拔強度之間均呈現正相關關系，當受限于現場試驗，無法進行剪切試驗時，可用拉拔強度對其進行預估，有極大的便捷性。