高黏乳化瀝青層間黏結材料設計與性能研究

張 秋 瑞，劉 亞 敏，韓 森，夏 金 平，楊 振，梁 建

( 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064 )

0 引 言

目前，霧封層、微表處、薄層罩面、超薄功能層等公路預防性養護技術已較多地用于我國的高速公路養護項目中[1]．在進行路面養護時，很多時候都需要在層間噴撒黏結材料，層間黏結材料將上下層黏結成一個整體，很多時候黏結材料的性能好壞對養護效果有著直接的影響[2]．當層間黏結效果較好時，路面形成一個連續狀的結構，其耐久性較好；當層間黏結效果較差時，層間發生剪切破壞，路面結構極易發生層間剪切病害[3-7]．

國內外學者對層間黏結材料及性能做了大量的研究．Hu等[8]研究了層間黏結材料種類、用量及溫度對OGFC-5層間剪切強度的影響；Hakim[9]、Kruntcheva等[10]研究了層間黏結狀況對路面使用壽命的影響，發現層間黏結狀況不好會顯著降低路面的使用壽命；West等[11]、Zhang等[12]通過試驗得出溫度對層間黏結強度有重大影響；Du 等[13]、Wei等[14]研制了一種高滲透乳化瀝青層間黏結材料，通過室內試驗驗證了該層間黏結材料具有良好的黏結性能；Zhong等[15]通過層間拉拔試驗研究乳膠改性水泥砂漿瀝青混凝土界面和水泥界面的黏結強度；Hu等[16]為了評估瀝青層和半剛性基層之間的黏結強度，對不同界面條件下的復合試件進行了層間拉拔試驗；Chen等[17]為了評估冰層和瀝青路面之間的黏結以更好地實現除冰效果，進行了層間拉拔試驗．

張秋福[18]以SBS改性乳化瀝青作為層間黏結材料，通過層間剪切試驗研究了層間黏結性能；李晶[19]研究了日本TPS高黏改性劑作為層間黏結材料的層間黏結效果；李一鳴[20]研究了SBS改性乳化瀝青層間黏結材料的層間抗拉拔性能；曾同[21]研發了一種能實測黏結作用下層間剪切力和剪切位移關系的夾具．針對層間黏結材料存在的抗拉拔、剪切強度不足的問題，本文研究制備一種高黏乳化瀝青作為層間黏結材料，并對其層間拉拔強度和剪切強度進行試驗研究．

1 試 驗

1.1 試驗原材料

試驗所需的主要材料有乳化劑、基質瀝青、改性劑、穩定劑、水．

(1)乳化劑

本研究所用乳化劑為陰離子乳化劑，易溶于熱水，其物理性質見表1．

表1 乳化劑的物理性質

(2)基質瀝青

基質瀝青為GS90#瀝青，其基本性能指標見表2．

表2 基質瀝青基本性能

(3)改性劑

改性劑為陰離子改性劑，其在外力的作用下容易拉伸結晶，使得分子間不易滑脫，具有物理力學性能、阻燃性、耐熱老化性能、黏結性能優異的特點．經它改性后的瀝青，可以降低其脆性溫度，改善低溫屈撓性，增大彈性，提高延伸性和強韌性，尤其提高瀝青與其他材料之間的黏著性．

(4)穩定劑

穩定劑為羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)，它屬于陰離子型纖維素醚．

(5)水性環氧改性乳化瀝青

本研究所用水性環氧改性乳化瀝青購自某廠家，水性環氧樹脂和固化劑按照使用說明自行配制而成．

(6)SBR改性乳化瀝青

本研究所用SBR改性乳化瀝青是使用陽離子乳化劑、陽離子SBR膠乳在試驗室自制而成．

1.2 試驗設備和儀器

試驗設備和儀器有BEM-L型乳化瀝青試驗磨、電子天平、恒溫循環水浴箱、針入度儀、瀝青軟化點試驗儀、瀝青延度試驗儀、溫度計、恒溫烘箱、MOD-NCX-205HE型鉆芯機、LGZ-1型結構層材料強度拉拔儀、HS-SSⅠ型直剪儀等．

1.3 試驗內容及方法

1.3.1 高黏乳化瀝青的制備 先將CMC-Na緩慢均勻地撒到具有攪拌裝置的配料缸內，并不斷攪拌，使其形成穩定的糊狀膠液備用；把基質瀝青放入145 ℃的烘箱中備用；將乳化劑、改性劑、穩定劑和水(65 ℃左右)按一定比例拌制成皂液(乳化劑用量2%，改性劑用量23%，穩定劑用量0.4%)備用．同時打開乳化瀝青試驗磨預熱1 min 左右，把調配好的皂液緩慢勻速地倒入試驗磨中并進行攪拌，然后把一定質量的瀝青(瀝青與皂液的質量比為6∶4)緩慢勻速地倒入試驗磨中(邊倒邊攪拌)，倒入后再攪拌2 min左右．

1.3.2 高黏乳化瀝青性能測試 對制得的高黏乳化瀝青進行篩上剩余量、蒸發殘留物三大指標試驗、5 d儲存穩定性試驗和黏度試驗，并和水性環氧改性乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青進行對比．

1.3.3 混合料配合比設計 上面層混合料類型選用超薄磨耗層(ultra-thin friction layer，UTFL，該種類型的混合料既可用于舊路面表面功能的恢復，又可用于新建路面的抗滑層，多與用作層間黏結材料的乳化瀝青結合使用)瀝青混合料，礦料級配見表3．按照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)要求進行配合比設計，并進行最佳油石比試驗，最終確定油石比為5.0%．

表3 UTFL-13礦料級配

1.3.4 層間拉拔試驗 制作上下各5 cm厚的復合試件，中間噴撒一定量的層間黏結材料(用量分別為0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2)并進行鉆芯取樣，鉆芯所用儀器見圖1，得到直徑為10 cm的復合試件．為了在試驗室條件下模擬實際路面的不同構造深度，下面層的混合料分別為AC-13級配的瀝青混合料、AC-10級配的瀝青混合料、普通水泥混凝土，其級配分別見表4～6．

圖1 鉆芯儀器

表4 AC-13礦料級配

表5 AC-10礦料級配

表6 水泥混凝土級配

把得到的復合試件分別在25 ℃和60 ℃的烘箱里保溫一段時間，得到相應溫度下的試件，并在該溫度下進行拉拔試驗，拉拔儀器采用長安大學自主研發的LGZ-1型結構層材料強度拉拔儀，拉拔試驗技術參數見表7，在不同的試驗條件下測得層間拉拔強度．

1.3.5 層間剪切試驗 試驗所用試件同層間拉拔試件，儀器采用長安大學自主研發的HS-SSⅠ型直剪儀[22]，剪切試驗技術參數見表8，分別在25 ℃和60 ℃的條件下進行直接剪切試驗，試驗后的試件見圖2．

表7 拉拔試驗技術參數

表8 剪切試驗技術參數

圖2 層間剪切試驗后的試件

2 試驗結果與討論

2.1 高黏乳化瀝青性能測試結果

表9為3種不同乳化瀝青的各種性能測試結果，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的要求進行3組平行試驗，試驗結果差異不大，在規范要求的范圍內，故在此選擇3組試驗結果的平均值．

由表9可知：與SBR改性乳化瀝青、水性環氧改性乳化瀝青相比，高黏乳化瀝青的針入度變化不大，但軟化點和延度明顯增大，說明高黏乳化瀝青的耐熱性和塑性較好，并且它的135 ℃旋轉黏度和5 d儲存穩定性也滿足要求，因此，相對于SBR改性乳化瀝青和水性環氧改性乳化瀝青，高黏乳化瀝青更適宜用作層間黏結材料．

2.2 層間拉拔試驗結果

2.2.1 不同類型層間黏結材料測試結果 圖3是25 ℃和60 ℃條件下(下面層混合料為AC-13、上面層混合料為UTFL-13)，層間黏結材料分別是SBR改性乳化瀝青、高黏乳化瀝青和水性環氧改性乳化瀝青時的層間拉拔試驗結果．

表9 不同乳化瀝青的各種性能測試結果

由圖3可知，不同層間黏結材料的層間拉拔試驗結果在25 ℃和60 ℃呈現出相同的變化趨勢，即隨著層間黏結材料用量的增加拉拔強度呈現出先增大后減小的規律，并且層間黏結材料用量相同時，拉拔強度的大小為高黏乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>水性環氧改性乳化瀝青．

2.2.2 不同級配類型的層間拉拔試驗結果 圖4是25 ℃和60 ℃溫度條件下(層間黏結材料為高黏乳化瀝青)，復合試件上面層是UTFL-13瀝青混合料，下面層分別是AC-13、AC-10瀝青混合料和水泥混凝土時的層間拉拔試驗結果．

由圖4可知，在25 ℃和60 ℃的環境條件下：

(1)復合試件上面層是UTFL-13時，復合試件下面層無論是AC-13、AC-10還是水泥混凝土，層間拉拔強度均隨著層間黏結材料用量的增加呈現出先增大后減小的趨勢；

(2)下面層為AC-13時，層間黏結材料用量為1.0 kg/m2時拉拔強度達到最大值，下面層為AC-10時用量0.8 kg/m2時拉拔強度達到最大值，下面層為水泥混凝土時用量0.8 kg/m2時拉拔強度達到最大值；

(3)其他條件均相同的條件下，試驗溫度由25 ℃變成60 ℃層間拉拔強度明顯降低，且下面層是水泥混凝土時的拉拔強度小于下面層是瀝青混凝土的拉拔強度．

為了更進一步確定層間黏結材料的最佳用量，在上述試驗最佳用量左右加密用量取值范圍，做進一步的驗證試驗，結果見圖5．

進一步的拉拔試驗結果表明AC-13瀝青混合料在層間黏結材料高黏乳化瀝青的用量為1.05 kg/m2時達到最大值，即為考慮拉拔試驗的最佳用量；AC-10混合料在高黏乳化瀝青的用量為0.85 kg/m2時達到最大值，水泥混凝土在高黏乳化瀝青的用量為0.75 kg/m2時達到最大值．

2.3 層間剪切試驗結果

2.3.1 不同類型層間黏結材料測試結果 圖6是25 ℃和60 ℃條件下(下面層混合料為AC-13、上面層混合料為UTFL-13)，層間黏結材料分別是SBR改性乳化瀝青、高黏乳化瀝青和水性環氧改性乳化瀝青時的層間剪切試驗結果．

由圖6可知，不同層間黏結材料的層間剪切試驗結果在25 ℃和60 ℃呈現出相同的變化趨勢，即隨著層間黏結材料用量的增加剪切強度呈現出先增大后減小的規律，并且層間黏結材料用量相同時，剪切強度的大小為高黏乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>水性環氧改性乳化瀝青．

2.3.2 不同級配類型的層間剪切試驗結果 圖7是25 ℃和60 ℃溫度條件下(層間黏結材料為高黏乳化瀝青)，復合試件上面層是UTFL-13瀝青混合料，下面層分別是AC-13、AC-10瀝青混合料和水泥混凝土時的剪切試驗結果．

由圖7可知，在25 ℃和60 ℃的環境條件下：

(1)當復合試件上面層是UTFL-13瀝青混合料時，復合試件下面層無論是AC-13、AC-10還是水泥混凝土，剪切強度均隨著層間黏結材料用量的增加呈現出先增大后減小的趨勢．

(2)25 ℃和60 ℃這兩種溫度條件下，剪切強度在不同的層間黏結材料用量時取得最大值，但由于實際路面處于60 ℃的時間相對較短，故以25 ℃時的剪切結果為主，即AC-13的最佳用量為1.0 kg/m2，AC-10的最佳用量為0.8 kg/m2，水泥混凝土的最佳用量為1.0 kg/m2；考慮到本文的目的是綜合分析拉拔和剪切的試驗結果確定一個最佳用量，前面的拉拔試驗結果表明水泥混凝土的最佳用量為0.8 kg/m2，故在下文進一步分析水泥混凝土剪切強度最佳用量時在0.8 kg/m2的基礎上進行．

(3)其他條件均相同的條件下，試驗溫度由25 ℃變成60 ℃層間剪切強度明顯降低，且下面層是水泥混凝土時的剪切強度小于下面層是瀝青混凝土的剪切強度．

為了更進一步確定層間黏結材料的最佳用量，在上述試驗最佳用量左右加密用量取值范圍，做進一步的驗證試驗，結果見圖8．

進一步的剪切試驗結果表明AC-13瀝青混合料在層間黏結材料高黏乳化瀝青用量為1.05 kg/m2時達到最大值，即為考慮剪切試驗的最佳用量；AC-10混合料在高黏乳化瀝青用量為0.85 kg/m2時達到最大值，水泥混凝土在高黏乳化瀝青用量為0.75 kg/m2時達到最大值．

3 結 論

(1)相較于水性環氧改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青，高黏乳化瀝青的軟化點更高，延度更大，因而耐熱性和塑性更好，在滿足工藝要求的同時黏性也更大，所以更適合作為層間黏結材料．

(2)經過拉拔試驗和剪切試驗發現，在相同的試驗條件下層間拉拔/剪切強度順序為高黏乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>水性環氧改性乳化瀝青．

(3)層間黏結材料的黏結效果受溫度影響很大，25 ℃時具有良好的抗拉拔和剪切能力，但當層間溫度上升至60 ℃時，層間拉拔/剪切強度明顯降低，因此，在實際應用中，應該考慮溫度對層間黏結材料層間黏結效果的影響．

(4)拉拔試驗和剪切試驗表明，在不同的界面條件下，層間黏結材料的最佳用量不同，但隨著層間黏結材料用量的增加，拉拔/剪切強度都呈現出先增大后減小的趨勢；考慮拉拔和剪切試驗結果，下面層是AC-13時層間黏結材料的最佳用量是1.05 kg/m2，下面層是AC-10時層間黏結材料的最佳用量是0.85 kg/m2，下面層是水泥混凝土時層間黏結材料的最佳用量是0.75 kg/m2．