雙層碎石封層中瀝青與集料粘附性影響因素研究

周苗苗，朱其濤，邱業績

（1.陜西路橋集團有限公司，西安 710075；2.西安公路研究院，西安 710065）

隨著各國經濟的發展，交通量逐步增加，使得路面達不到設計年限就出現各種損壞，針對這些問題各國采取了一系列的預防性養護措施。常見的預防性養護措施有：碎石封層、微表處、薄層罩面、稀漿封層、霧封層等。每種養護措施有其自身的適用范圍和優點，眾多養護措施中最為經濟和有效的是碎石封層。碎石封層在國外已經得到廣泛的使用，20世紀90年代，美國33 個州的瀝青路面養護中使用到碎石封層，法國每年的碎石封層施工面積達到3.5 億平方米，澳大利亞瀝青路面磨耗層中使用碎石封層達到25 萬公里[1]。在國內，廣東、遼寧等省份也進行了大量的碎石封層施工。碎石封層優點很多，能增加路面抗滑能力，防止水分進入路面結構內部，減少反射裂縫，提高路面的防滲水能力，還能延長路面的使用壽命。目前，碎石封層在使用的過程中容易出現泛油、脫落掉粒、推移等病害。出現脫落掉粒的主要原因是瀝青與集料的粘附性不足造成的。當前瀝青與集料的粘附性機理主要有五種理理論[2]，力學理論、化學反應理論、表面能理論、分子定向理論，表面構造理論。這適用于瀝青混合料，而碎石封層中瀝青與集料并不是全部裹覆的，針對碎石封層出現脫落掉粒的現象，趙含參考國外碎石封層的評價方法，提出了粘結材料粘附率（Se）、粘結材料暴露率（Ca）、碎石封層掃刷試驗實測的自然脫落率（TLL1）、自然及掃刷后總脫落率（TLL2）四項評價指標[3]。高卓等從碎石封層路面使用的環境溫度角度出發，對碎石封層的粘附性展開了研究[4]。覃峰等從石料、瀝青、碎石封層使用環境溫度三個方面對碎石封層的粘附性進行了研究[5]。鄭平安、曹勇等展開了高性能雙層碎石封層的研究，并以自然脫落率和掃刷試驗的掃刷脫落率作為雙層碎石封層粘附性的評價指標，同時對雙層碎石封層的橡膠顆粒摻量和預裹覆瀝青用量進行了研究[6-7]。目前碎石封層以碎石脫落率作為粘附性評價指標，但并未對雙層碎石封層中瀝青與集料的粘附性影響因素進行研究，基于此，本文以薄雙層碎石封層作為研究對象，從預裹覆、橡膠顆粒摻量、石料和瀝青的撒布溫度、瀝青的種類四個方面對碎石封層的粘附性影響因素展開研究。

1 原材料組成

本研究所用結合料為90#基質瀝青和SBS 改性瀝青（SBS 內摻4.5%），其技術指標見表1和表2。石料選用石灰巖，當前大量的研究顯示，石灰巖與瀝青的粘結效果比較好[8-9]。所用石灰巖為單一粒徑，有4.75～9.5 mm 和9.5～13.2 mm兩種規格，其技術指標見表3。橡膠顆粒為常溫法生產的16 目橡膠顆粒，因為常溫法生產的橡膠顆粒的表面凹凸不平，有利于吸收瀝青中的輕質組分發生溶脹，增強瀝青與石料的粘結強度[10]。

表1 90# 基質瀝青技術指標

表2 SBS 改性瀝青技術指標

表3 石料技術指標

2 預裹覆對碎石封層粘附性的影響

雙層碎石封層中對上層石料采用預裹覆的施工工藝，能帶來較好的施工效果，不僅能提高石料的撒布溫度還能消除撒布時粉塵對環境的污染，同時提高上層碎石與上層瀝青的粘附性。當前，預裹覆瀝青結合料采用的是基質瀝青，油石比為0.4%～0.66%[11-12]。

2.1 預裹覆瀝青用量的確定

由于預裹覆后瀝青和碎石溫度較高，摻加橡膠顆粒后，橡膠顆粒會吸附部分預裹覆瀝青，因此要適當上調預裹覆瀝青用量。采用90#基質瀝青對上層石料進行預裹覆試驗，其中預裹覆的瀝青用量分別為0.5%、0.8%、1.1%，石料粒徑為4.75～9.5 mm。當預裹覆的瀝青用量占碎石質量的0.5%時，出現離析；當預裹覆的瀝青用量占碎石質量的0.8%時，摻加的橡膠顆粒與碎石粘結效果較好；當預裹覆的瀝青用量占碎石質量的1.1%時，所摻加的橡膠顆粒結團現象比較嚴重，在這種情況下將會影響到雙層碎石封層的路用性能。因此，雙層碎石封層中預裹覆瀝青用量為碎石質量的0.8%為宜。

2.2 預裹覆前后的粘附性

試件制作：將90#瀝青加熱到140 ℃，SBS改性瀝青加熱到160 ℃，石料水洗烘干后加熱到140 ℃。將油氈紙平鋪到桌面，并放置一個內徑為300 mm 的圓形橡膠試模，將稱好的90#瀝青均勻的撒布到油氈紙上，并撒布碎石，用小鋼輪初步碾壓整平后鋪上橡膠墊放在輪碾儀上碾壓4～5 遍，將制作好的下層放置待用。上封層制作時應先在石料中加入0.8%的90#瀝青進行預裹覆，在下層表面要均勻的撒布SBS 改性瀝青，然后撒布預裹覆好的石料，其碾壓過程同下層的制作過程，碾壓完畢放置在60 ℃烘箱養生1 h 后取出放置24 h 后待用。未進行預裹覆的試件制作方法相同。每組試件為3 個。

將制作好的封層試件放置在承載盤中，用毛刷輕掃封層表面未粘結瀝青的浮動碎石，稱取其質量。封層前后的質量差就為自然脫落質量，脫落質量與上層碎石質量的比值為自然脫落率。然后將試件放在掃刷機上掃刷300 s，稱取掃刷下來的質量為掃刷脫落質量，掃刷脫落質量與掃刷面積對應碎石的質量的比值為掃刷脫落率。其自然脫落率和掃刷脫落率平均值見表4。

表4 預裹覆試驗結果

通過表4可以看出，預裹覆的雙層碎石封層自然脫落率和掃刷脫落率比未預裹覆的低，由于預裹覆之后，能提高碎石溫度，增加了瀝青的爬升高度。有研究表明瀝青爬升高度約為石料的2/3 時，瀝青與石料才有足夠的粘結強度。因此，建議在施工過程中對雙層碎石封層的上層石料加入0.8%的90#基質瀝青進行預裹覆。

3 不同摻量橡膠顆粒對粘附性的影響

在瀝青混合料中摻入橡膠顆粒具有減振降噪的作用[13]，雙層碎石封層中摻入橡膠顆粒也能起到減振降噪的效果，橡膠顆粒的摻量越多減振降噪效果越好，但是對粘附性有一定影響，因此需要對橡膠顆粒的摻量對雙層碎石封層中瀝青與集料的粘附性展開研究。

試驗設計：試件下層的制作同上，在上封層制作的過程中需要對石料進行預裹覆，瀝青用量為上層石料質量的0.8%，橡膠顆粒的摻量（摻量為橡膠顆粒占上層石料質量，摻入方法：投入石料中與石料充分拌和）分別為0%、1%、2%、3%，試件制作成型后放置待用。通過掃刷試驗和低溫掃刷試驗對粘附性進行評價，試驗結果見表5和表6。

表5 摻加橡膠顆粒薄雙層碎石封層掃刷試驗結果

表6 橡膠顆粒摻量對薄雙層碎石封層低溫性能的影響

通過表5和表6可以看出，碎石封層中摻入橡膠顆粒對碎石的脫落率有一定影響，在上層石料中摻加橡膠顆粒能將爬升高度足夠的瀝青結合料吸收，降低粘結性，當橡膠顆粒的摻量大于2%時，碎石的脫落率明顯增加，這是由于加入過多橡膠顆粒后，橡膠顆粒會吸收一些瀝青，從而影響瀝青與碎石的粘附性。因此，在實際施工過程中要嚴格控制橡膠顆粒的用量（建議用量在1%～2%之間）。

4 撒布溫度和瀝青種類對粘附性的影響

4.1 下層集料的撒布溫度對瀝青爬升高度的影響

雙層碎石封層的防滲透性能主要依靠下層瀝青結合料，因此下層瀝青的爬升高度是碎石封層發揮功能的關鍵因素。

試驗設計：本試驗試件的做法同雙層碎石封層試件下層的做法，瀝青選用SBS 改性瀝青，加熱至160 ℃，石料選用粒徑為9.5～13.2 mm的石灰巖，加熱溫度分別為30，80，120，140 ℃，將碾壓成型的試件放在60 ℃烘箱中養生1 h，放置24 h 后，將待測的試件放在60 ℃烘箱中30 min，從不同位置掰下石料，用游標卡尺測量瀝青的爬升高度，結果見圖1。

從圖1可以看出，隨著石料撒布溫度的提高，瀝青在石料上的爬升高度逐步上升但有減緩的趨勢。有研究表明，由于流體瀝青的表面張力，可沿石料表面向上爬升，爬升高度約為石料高度的70%，并在石料的表面形成一個半月面，使石料被瀝青裹覆的面積約70%，保證了瀝青與石料有足夠的結合強度[14]。為此，提高瀝青與集料的粘附性，增加石料被瀝青裹覆的面積，是該項技術的關鍵。因此，在實際的施工過程中要嚴格控雙層碎石封層中下層石料的撒布溫度，建議控制在80～120 ℃為宜。

圖1 爬升高度試驗結果

4.2 瀝青種類和撒布溫度對上層碎石與瀝青粘附性的影響

本試驗所用試件的雙層碎石封層制作方法同上。預裹覆瀝青用量為0.8%，橡膠顆粒摻量為1.5%。下層采用90#瀝青和粒徑為9.5～13.2 mm的石灰巖，加熱溫度為160 ℃和120 ℃。上封層分別采用90#瀝青和SBS 改性瀝青，瀝青加熱溫度為145 ℃和155 ℃，石料加熱溫度120 ℃。試件制作成型后放置60 ℃烘箱養生1 h后放置24 h待用。

4.2.1 室溫掃刷試驗

通過掃刷試驗，以自然脫落率和掃刷脫落率評價瀝青與集料的粘附性，試驗結果見表7和表8。

通過表7和表8可以看出，相同撒布溫度下，用SBS 改性瀝青制作的碎石封層的碎石脫落率較低，粘附效果比基質瀝青好。主要是由于SBS 改性瀝青的黏度和強度均優于90#瀝青。當瀝青撒布溫度在155 ℃左右，石料撒布溫度在165 ℃左右時，SBS 改性瀝青制作的碎石封層的粘附性較好。這是由于在這種溫度下，上層瀝青能夠爬升到一定高度，當爬升高度約為石料直徑的2/3 時，瀝青與石料的粘附性最好。

表7 90# 瀝青掃刷試驗結果

表8 SBS 改性瀝青掃刷試驗結果

4.2.2 低溫掃刷試驗

通過-20 ℃低溫掃刷試驗，以自然脫落率和低溫脫落率評價瀝青與集料的低溫粘附性，試驗結果見表9和表10。

通過表9和表10可以看出，在低溫條件下，SBS 改性瀝青撒布溫度在155 ℃左右，石料撒布溫度在165 ℃左右時，制作的碎石封層粘附效果最為理想。這是因為SBS 改性瀝青的低溫性能指標優于90#瀝青。

從掃刷試驗結果可以得知，瀝青的種類和撒布溫度、石料的撒布溫度對碎石封層的粘附性有一定的影響。通過分析可知，SBS 改性瀝青制作的封層粘附性優于基質瀝青的，瀝青撒布溫度在155 ℃左右、石料撒布溫度在165 ℃左右時，成型的封層粘附效果最好。因此，在實際施工中嚴格控制瀝青和石料的撒布溫度，而且要合理的選用瀝青種類。

表9 90# 瀝青低溫掃刷試驗結果

表10 SBS 改性瀝青低溫掃刷試驗結果

5 結論

a）雙層碎石封層施工時進行預裹覆施工，能消除碎石撒布造成的粉塵污染，還能提升碎石撒布溫度。其預裹覆的用量占上層碎石質量的0.8%效果較好。

b）橡膠顆粒摻量為1%～2%時，瀝青與集料的粘附性效果比較好。

c）通過瀝青爬升高度試驗以及掃刷試驗、低溫掃刷試驗，可知瀝青與集料的粘附性和撒布溫度以及瀝青種類有關，當SBS 改性瀝青加熱溫度為155 ℃，石料加熱溫度為165 ℃時，粘附效果最好。

d）在實際的施工操作過程中，嚴格控制瀝青和石料的撒布溫度，能夠在一定程度上保證封層的粘附效果。