SBR改性乳化瀝青對(duì)路面層間粘結(jié)效果的影響

靳慶霞　彭斌　田亞磊　喬建剛

摘要 為有效改善瀝青混凝土路面半剛性基層與面層間的粘結(jié)效果，增加瀝青路面強(qiáng)度和耐久性，本文利用改造后的萬(wàn)能剪切儀來對(duì)透層油的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先，通過分析影響瀝青路面半剛性基層與面層間固結(jié)效果的眾因素，選取乳化瀝青的種類和用量?jī)蓚€(gè)因素研究層間粘結(jié)性能，并構(gòu)建了剪切模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。得到不同乳化瀝青透層抗剪強(qiáng)度值，由此確定了SBR改性乳化瀝青為其中粘結(jié)性較好的透層。繼續(xù)對(duì)不同用量下的SBR透層進(jìn)行驗(yàn)證，得到用量和剪應(yīng)力的相互關(guān)系。最后，運(yùn)用滑移模型進(jìn)行結(jié)果分析：該瀝青最低用量值為0.36 kg/m2，最佳用量值為0.96 kg/m2。為瀝青混凝土面層與半剛性基層間固結(jié)、穩(wěn)定、聯(lián)結(jié)、防水性能的提高提出了一種新的思路。

關(guān) 鍵 詞 透層油;抗剪強(qiáng)度;SBR改性乳化瀝青;滑移模型

中圖分類號(hào) U416.217? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Effect of SBR modified emulsified asphalt on bonding effect between pavement layers

JIN Qingxia1， PENG Bin2， TIAN Yalei2， QIAO Jiangang2

（1. Wuqing Traffic Bureau， Tianjin 300401， China; 2. School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract In order to improve the bond strength between asphalt concrete surface and semi-rigid base and prolong the service life of asphalt pavement， we use self-refitted shear test device to carry out laboratory tests on permeable oil. Firstly， by analyzing the influencing factors of shear strength between layers of pavement， a shear model was established to obtain the shear strength values of different kinds of permeable layers. At the same time， SBR modified emulsified asphalt was verified to have good cohesiveness. Secondly， by measuring the shear strength of SBR modified emulsified asphalt at different dosages， we obtained the relationship between the amount of permeable oil and shear stress. Finally， the slip model analysis shows that the minimum asphalt content is 0.36 kg/m2， and the optimum asphalt content is 0.96 kg/m2.? The above new idea improves the consolidation， stability， connection and waterproofing performance between asphalt concrete surface and semi-rigid base.

Key words permeable oil; shear strength; SBR modified emulsified asphalt; slip model

0 引言

瀝青混凝土路面面層與半剛性基層間的固結(jié)、穩(wěn)定、聯(lián)結(jié)、防水性能與透層的使用息息相關(guān)，我國(guó)公路技術(shù)規(guī)范中明確指出瀝青混凝土路面半剛性基層之上必須鋪設(shè)透層，并且對(duì)透層的滲透深度提出了明確要求，滲透深度不應(yīng)小于5 mm[1]。然而在許多公路施工單位，對(duì)于透層油性能并沒做到充分了解;甚至在某些設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)都會(huì)忽略透層油的使用。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中還未形成具體的透層質(zhì)量控制指標(biāo)及檢測(cè)辦法，推薦的透層材料往往也起不到應(yīng)有的粘結(jié)效果;灑布的透層油滲透深度也不能滿足要求，因此不能為路面設(shè)計(jì)提供足夠的抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致公路建設(shè)中因?qū)娱g粘結(jié)效果不佳引發(fā)的問題層出不窮，嚴(yán)重影響了瀝青路面使用壽命[2]。

蘇新國(guó)、M. Diakhaté A等[3-4]就影響層間抗剪強(qiáng)度的4個(gè)因素：粘結(jié)材料、環(huán)境溫度、路面結(jié)構(gòu)類型、污染程度進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。田俊壯等[5]選用自制的SBS改性乳化瀝青、普通乳化瀝青為黏層材料，模擬實(shí)際路面層間結(jié)合情況。馬強(qiáng)[6]為了研究"白改黑"復(fù)合路面層間抗剪切性能，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合試件進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。郭央等[7]探討在舊路改造中采用纖維增強(qiáng)瀝青混凝土作為加鋪層對(duì)改造后路面層間結(jié)合狀態(tài)的影響。但是有關(guān)SBR改性乳化瀝青做透層對(duì)層間粘結(jié)效果影響的研究卻少有提出，因此本文擬用改造后的萬(wàn)能剪切儀對(duì)SBR改性乳化瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，揭示其對(duì)路面層間粘結(jié)效果的影響。

1 層間粘結(jié)影響因素及剪切模型的確定

1.1 層間粘結(jié)效果影響因素的確定

層間粘結(jié)效果的影響因素復(fù)雜，包括瀝青混合料類型、乳化瀝青種類、乳化瀝青灑布劑量、溫度等。為了評(píng)價(jià)瀝青路面層間的粘結(jié)性能，需要以統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)路面鋪裝結(jié)構(gòu)不同因素組合進(jìn)行對(duì)比分析。本文主要針對(duì)基面層間鋪筑的透層油進(jìn)行研究，選取乳化瀝青的種類和用量?jī)蓚€(gè)因素研究其對(duì)層間粘結(jié)性能的影響。采用室內(nèi)抗剪試驗(yàn)對(duì)層間抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，以試件破壞時(shí)最大剪切力與剪切變形為粘結(jié)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。為確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，其中這兩個(gè)影響因素都做了9個(gè)試件研究其平行試驗(yàn)，然后取實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值，試驗(yàn)溫度選擇（25±2）℃，剪切速率選取 10 mm/min。

1.2 剪切模型的建立

本文在參考了國(guó)內(nèi)外幾種剪切儀后，將試件做成開發(fā)模具所配套大小，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試件見圖1、圖2;層間結(jié)構(gòu)模型如圖3;車輛啟動(dòng)和制動(dòng)的水平摩擦和車輛荷載的垂直壓力，這兩種力使得路面結(jié)構(gòu)的層間產(chǎn)生了剪應(yīng)力，滑移剪切模型見圖4所示[8]。

2 剪切試驗(yàn)及結(jié)果分析

汽車行駛過程中的制動(dòng)以及加減速過程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)路面的水平摩擦力作用，運(yùn)用構(gòu)建的剪切模型來模擬半剛性基層與面層間抵抗行車荷載水平力作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力的過程。根據(jù)汽車制動(dòng)力的檢測(cè)要求，汽車制動(dòng)力總和與整車重量的比例在空載時(shí)應(yīng)大于60%，在滿載時(shí)應(yīng)大于50%，即[α]角必須小于[9]

[minarcsin（1/1+0.52），arcsin（1/1+0.62）=59°]。 （1）

粘結(jié)層剪應(yīng)力[τ]用式（2）表示

[τ=sin40°×F/S ，] （2）

式中：[τ]為粘層界面處的剪應(yīng)力，MPa;[F]為豎向施加定速率的荷載，N;[S]為試件剪切截面積（100 mm × 50 mm）。

為了評(píng)價(jià)透層油的粘結(jié)能力，實(shí)驗(yàn)條件選擇的試件為干態(tài)，采取空氣浴，試驗(yàn) 25±1 ℃溫度下進(jìn)行，剪切速率選擇10 mm/min[10]。

1）透層油的種類

根據(jù)已有試驗(yàn)路的結(jié)構(gòu)類型，經(jīng)有限元計(jì)算結(jié)果知，水穩(wěn)基層剪應(yīng)力最大值0.4 MPa，定為標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由此得出條形圖5。

從圖5中可以看出，使用基質(zhì)瀝青的純?cè)嚰目辜魪?qiáng)度最大，然而透層油還要具有一定的滲透功能，但是基質(zhì)瀝青在常溫下的滲透效果幾乎為零。因此不再考慮。而市面上的乳化瀝青經(jīng)過試驗(yàn)得出，抗剪效果差，因此經(jīng)過測(cè)試，改性乳化瀝青都具有一定的抗剪性能。對(duì)比兩種改性乳化瀝青，SBR較SBS性能更好，說明SBR改性乳化瀝青具有良好抗剪強(qiáng)度。

2）透層的最佳用量

透層油的最佳用量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表2所示，可得圖6及方差分析表3。

從圖6可以看出，透層油用量對(duì)剪應(yīng)力有顯著影響，為了更好的研究試樣瀝青用量對(duì)剪應(yīng)力的影響程度，采用單因素方差分析方法進(jìn)行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。由表3得知， F值為121.15;而F0.01（4，40）臨界值為3.83，所以F值大于F檢驗(yàn)臨界值F0.01（4，40），即：α = 0.01的顯著水平下，試樣的透層油用量和其剪應(yīng)力之間具有明顯的關(guān)系。采用單因素方差分析方法進(jìn)行分析，可知試樣的透層油用量和其剪應(yīng)力之間具有明顯的關(guān)系。進(jìn)而構(gòu)建模型

y =-1.282x+1.436x+0.780x? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，R2 = 0.921，

經(jīng)滑移模型驗(yàn)證可得，當(dāng)y = 0.4時(shí)，x1 = 0.35，x2 = 1.40（舍去），要想滿足抗剪強(qiáng)度的要求，乳化瀝青用量必須大于0.36 kg/m2;x = 0.96時(shí)，y取最大值0.94，即當(dāng)乳化瀝青用量為0.96 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度取最大值0.94 MPa。

通過剪切試驗(yàn)確定了使用透層油的用量不得低于0.36 kg/m2，最佳用量為0.96 kg/m2，在施工過程中用量要依照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論

1）通過分析透層油在瀝青路面半剛性基層與面層間作用，選取了乳化瀝青的種類和用量?jī)蓚€(gè)因素研究其對(duì)層間粘結(jié)性能的影響;確定以試件破壞時(shí)最大剪切強(qiáng)度作為粘結(jié)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）針對(duì)影響層間剪切力的主要因素透層油種類及其用量，建立剪切模型做了9個(gè)試件研究其平行試驗(yàn)，然后取實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值，試驗(yàn)溫度選擇（25±2）℃，剪切速率選取 10 mm/min。

3）通過剪切試驗(yàn)驗(yàn)證了SBR乳化瀝青具有良好的抗剪強(qiáng)度，并由滑移模型確定了使用透層油的用量不得低于0.36 kg/m2，最佳用量為0.96 kg/m2。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]? ? 武建民. 透層油的作用及其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[J]. 公路，2018，63（2）：26-29.

[3]? ? 蘇新國(guó)，顏赫，魯圣弟，等. 瀝青路面層間粘結(jié)效果影響因素[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，33（3）：21-26，68.

[4]? ? IAKHATé M，MILLIEN A，PETIT C，et al. Experimental investigation of tack coat fatigue performance：Towards an improved lifetime assessment of pavement structure interfaces[J]. Construction and Building Materials，2011，25（2）：1123-1133.

[5]? ? 田俊壯，孫增智，武書華，等. 基于模擬試驗(yàn)的瀝青路面層間黏結(jié)性能研究[J]. 公路，2016，61（4）：1-6.

[6]? ? 馬強(qiáng). “白改黑”路面層間抗剪切性能影響因素試驗(yàn)研究[J]. 中外公路，2016，36（4）：86-90.

[7]? ? 郭揚(yáng)，趙穎華，孫鵬. 采用纖維瀝青混凝土加鋪層的路面層間抗剪性能[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（3）：117-120.

[8]? ? 汪水銀. 半剛性基層與瀝青面層粘結(jié)性能影響因素[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10（2）：12-19.

[9]? ? 吳仕磊. 瀝青路面層間抗剪性能研究[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013（24）：19-21.

[10]? 劉好，劉超，劉庚. 超薄磨耗層NovaChip層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 中外公路，2012，32（5）：83-85.

[責(zé)任編輯 楊 屹]