【技术】沥青路面层间粘结性能影响因素试验研究
摘要：为了研究粘层油种类、竖向荷载、粘层油固含量与层间污染等对沥青面层层间粘结性能的影响，采用室内剪切试验分别对5种粘层材料在不同温度下的层间抗剪强度、不同竖向荷载下不同粘层油洒布量下的抗剪强度、不同固含量与不同污染物对粘层的抗剪强度进行了测定。结果表明：Super PCR改性乳化沥青作为粘层材料效果最好、SAMI应力吸收层次之，普通乳化沥青最差；竖向荷载增加到一定程度后，粘层油的洒布量对层间的抗剪强度的影响会逐渐减小；随着乳化沥青固含量的增大，粘结层的抗剪强度呈现逐渐上升趋势；同种污染量的油污污染比泥土污染对层间抗剪强度影响更显著。
关键词：沥青路面，层间粘结，影响因素，抗剪强度
0 引言
沥青路面结构是多层弹性体，其层间粘结性能对整个路面结构的连续性和耐久性具有重
要作用[1,2,3]。在外界环境和行车荷载的反复作用下，如果层间处理不当，极易造成路面结构
层间破坏，因此开展沥青路面层间粘结性能影响因素研究非常有必要[4,5,6]。国内外道路研究者对层间粘结问题分别从力学分析和试验研究方面做了很多工作，试验研究大多集中在粘层油种类、洒布量、路面结构形式及温度等因素对抗剪强度的影响，而层间清洁程度、竖向荷
载与乳化沥青固含量等方面都考虑的较少[7,8,9]；并且大多是通过不含正压力的直剪试验对沥青路面层间的粘结性能进行评价[10]，不能有效地模拟路面的实际受力特点。
本文采用自主开发的路面多功能层间剪切强度试验仪，通过成型双层复合式车辙板的方法，考虑粘层油种类、温度、竖向荷载与层间污染等，研究影响层间粘结效果的关键因素，对实际道路施工具有很好的指导意义。
1 粘层材料对层间抗剪性能影响
1.1 粘层油
基质沥青为SK90#道路石油沥青，粘层油以粘结为主，本文选择常用的粘层材料及课题组研发的SuperPCR改性乳化沥青，对比分析不同粘层材料对层间抗剪性能的影响，粘层材料分别为：Super PCR改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青、普通乳化沥青，热沥青和SAMI应力吸收层（胶粉改性沥青选用40目橡胶粉和90#AS基质沥青，胶粉掺加量20%）五种。材料的各项技术指标测试结果如表1～4所示。
表1 普通阳离子乳化沥青技术指标测试
|
检测指标 |
技术要求 |
实测值 |
试验方法 |
|
|
道路标准粘度C25.3(s) |
1-10 |
8 |
T0621-1993 |
|
|
筛上剩余量(1.18mm)/% |
≤0.1 |
0.02 |
T0652-1993 |
|
|
蒸发残留物含量/% |
≥50 |
52 |
T0651-1993 |
|
|
储存稳定性(1d)/% |
≤1.0 |
1 |
T0655-1993 |
|
|
蒸发残留物 |
针入度(25℃)0.1mm |
50～200 |
53 |
T0604-2011 |
|
软化点℃ |
≥45 |
49.2 |
T0606-2011 |
|
|
延度(15℃)cm |
＞40 |
＞100 |
T0605-2011 |
|
表2 SBR改性乳化沥青技术指标测试
|
检测指标 |
技术要求 |
实测值 |
试验方法 |
|
|
恩格拉粘度(25℃) |
1-10 |
9 |
T0622-1993 |
|
|
筛上剩余量(1.18mm)/% |
≤0.1 |
0.04 |
T0652-1993 |
|
|
蒸发残留物含量/% |
≥50 |
54 |
T0651-1993 |
|
|
储存稳定性(1d)/% |
≤1.0 |
1 |
T0655-1993 |
|
|
蒸发残留物 |
针入度(25℃)0.1mm |
40～120 |
70 |
T0604-2011 |
|
软化点℃ |
＞50 |
59 |
T0606-2011 |
|
|
延度(10℃)cm |
≥40 |
120 |
T0605-2011 |
|
表3 SuperPCR改性乳化沥青技术指标测试
|
原样沥青 |
指标要求 |
检测结果 |
试验方法 |
|
|
乳化沥青恩格拉粘度(25℃) |
20-100 |
38 |
T0622-1993 |
|
|
筛上剩余量试验/% |
≤0.1 |
0.004 |
T0652-1993 |
|
|
蒸发固含量试验/% |
≥50 |
52 |
T0651-1993 |
|
|
乳化沥青微粒子电荷试验 |
— |
阳离子型 |
T0653-1993 |
|
|
存储稳定性(24h)/% |
≤0.1 |
0.0005 |
T0655-1993 |
|
|
蒸发残留物 |
针入度(25℃，100g，5s) |
60-150 |
64 |
T0604-2011 |
|
软化点/℃ |
>70 |
74.9 |
T0606-2011 |
|
|
延度(10℃，5cm/min)/cm |
≥40 |
46.3 |
T0605-2011 |
|
表4 热沥青技术指标测试
|
检测指标 |
1-1区指标要求 |
实测值 |
试验方法 |
|
|
针入度(25℃ 100g 5s 0.1mm ) |
80-100 |
82 |
T0604-2011 |
|
|
软化点(℃) |
≥45 |
46.7 |
T0606-2011 |
|
|
延度(5cm /min 15℃ cm) |
≥100 |
>150 |
T0605-2011 |
|
|
延度(5cm /min 10℃ cm) |
≥45 |
>100 |
T0605-2011 |
|
|
延度(5cm /min 5℃ cm) |
/ |
6.8 |
T0605-2011 |
|
|
溶解度( %) |
≥99.5 |
99.7 |
T0607-2011 |
|
|
密度(g/cm) |
实测 |
1.036 |
T0603-2011 |
|
|
闪点(℃) |
≥245 |
265 |
T0611-2011 |
|
|
蜡含量(%) |
≤2.2 |
1.67 |
T0615-2011 |
|
|
旋转薄膜烘箱后残留物 |
质量变化(%) |
不大于±0.8 |
0.036 |
T0610或T0609 |
|
延度(5cm /min 10℃ cm) |
≥8 |
9.43 |
T0605-2011 |
|
|
针入度比(25℃, %) |
≥57 |
57.79 |
T0604-2011 |
|
表5 橡胶改性沥青部分技术指标测试
|
试验项目 |
指标要求 |
实测值 |
试验方法 |
|
软化点℃ |
≥55 |
60.8 |
T0606-2011 |
|
延度(5℃)cm |
≥10 |
11.3 |
T0605-2011 |
|
针入度(25℃)0.1mm |
50～100 |
53.5 |
T0604-2011 |
|
弹性恢复(10℃)/% |
≥70 |
81 |
T0662-2000 |
1.2 不同粘层油抗剪强度试验
1.2.1 试件成型
为了真实模拟实际路面的摊铺与碾压过程，采用双层车辙板取芯方法制作剪切试验所需试件。由于试验主要研究层间粘结效果，为了成型试件方便，采用双层AC-13沥青面层组合，上、下层各厚5cm。先成型下层结构，静置24h左右脱模，接着用油漆刷在脱了模的下层车辙板表面均匀涂抹定量粘层材料，待乳化沥青完全破乳后，把其平顺的放进双层车辙板模子中；再在其上成型上面层车辙板。双层车辙板试件成型24h后脱模，并将其按照试验要求进行切割，如图1所示。
图1 试件成型过程
1.2.2 剪切试验
为了较好地模拟沥青路面实际受力特点，采用多功能层间剪切强度试验仪进行沥青路面抗剪强度的测定，试验设备及加载示意图如图2所示，试验温度的调节范围在－10～100℃，测试精度0.1KN。研究五种不同透层油的抗剪切性能是为了确定最优的粘层材料，试验温度选用25℃，竖向压应力取标准轮载0.7MPa，选取水平剪切力时考虑到拉伸速率过大会影响数据的稳定性，故将拉伸加载速率设定为1.2mm/min，该值是设备允许的最小值。依据室内以已确定的粘层油最佳洒布量，乳化沥青洒布量为0.8kg/m2，热沥青洒布量为0.4kg/m2，橡胶沥青的洒布量应控制在2.6kg/m2~2.8kg/m2，碎石粒径采用10~15mm，洒布量为19kg/m2。
1．试验仓；2.竖向加载液压缸；3.水平加载液压缸；4.温控系统；5.温控面板；6.竖向加载电液控制系统；7.水平加载电液控制系统；8.微机控制端；9.电机组及电液伺服阀；
图2（a）多功能道路层间力测试仪示意图
图2（b） 剪切试验加载过程示意图
1.2.3 试验结果分析
同一路面结构在不同粘结材料下的层间剪切强度如图3所示。从图3可以看出，同一温度下，抗剪切强度从大到小依次为：Super PCR改性乳化沥青＞SAMI应力吸收层＞SBR改性乳化沥青＞普通热沥青＞普通乳化沥青。由此可见，Super PCR改性沥青的综合性能均优于SBR改性沥青和普通乳化沥青。
图3 不同粘层材料下的抗剪强度
2 竖向荷载对层间粘结性能的影响
研究竖向荷载对层间粘结性能的影响时，竖向荷载分别为1.1MPa、0.9MPa、0.7MPa、0.5MPa和0.35MPa模拟标准轴载作用于路面上。粘层材料为Super PCR改性乳化沥，为了避免透层油洒布量对竖向荷载的影响，透层油洒布量分别为0.4kg/m2、0.6kg/m2、0.8kg/m2、1.0kg/m2、同一竖向应力同一洒布量下三个平行试验取其平均值，试验结果如图4所示。
图4 不同竖向力下抗剪强度随洒布量变曲线图
由图4可以看出，当竖向荷载相同时，透层油洒布量小于1.0kg/m2，层间抗剪强度随着透层油洒布量的增加而增加，透层油洒布量大于最佳洒布量时，层间抗剪强度基本没有变化，原因可能是在一定的竖向荷载作用下，透层油洒布量过大其在层间起到粘结作用的同时也起到了润滑作用；当竖向应力为0.35MPa、0.5MPa、0.7MPa时，抗剪强度增幅比较明显，之后随着竖向荷载的增大抗剪强度增加幅度明显减小；由此可见：当作用于沥青路面的竖向荷载过大时，其层间抗剪强度主要由层间摩擦力提供，且当竖向应力增加到一定程度后，粘层油洒布量对层间抗剪强度的影响会逐渐减小。
3 固含量对层间粘结性能的影响
相同洒布量的乳化沥青会因其固含量的变化而改变实际留在路面上的有效沥青含量。为了进一步研究固含量对沥青面层间粘结性能的影响，本实验选用25℃、45℃和60℃三种温度，50%、55%、60%和65%四个固含量，粘结材料为Super PCR改性乳化沥青，洒布量为0.8kg/m2，竖向压应力为0.35MPa，每种工况做三个平行试件进行剪切试验取其平均值，结果如图5所示。
图5 固含量对抗剪强度的影响
由图5可见，无论在25℃、45℃，还是60℃时，层间抗剪强度随着乳化沥青固含量的增大逐渐呈现上升趋势。但是固含量越高，沥青乳化难度越大，施工时洒布需要的温度越高，由试验结果可知，乳化沥青中固含量增大没有使抗剪强度呈相应比例的提升。从经济和乳化沥青制备的角度而言，建议施工时采用50%固含量的改性乳化沥青，以便降低乳化沥青制备难度及施工成本。
4 层间污染对粘结性能的影响
层间污染直接影响层间粘结能力，因此研究了砂性土、油污对沥青路面层间抗剪强度的影响。试件制作与以上试验统一，粘层材料为Super PCR改性乳化沥青，其洒布量为0.8kg/m2，的和油污（柴油）不同的污染程度分别用无污染、0.1kg/m2、0.2kg/m2、0.4kg/m2的污染量来表示。砂性土是磨细后均匀撒布的，试验温度为25℃，竖向应力为0.35Mpa。不同污染程度下的层间抗剪强度如图6所示，不同程度污染对应的抗剪强度减少幅度见表6。
图6 不同污染程度与抗剪强度的关系
表6 不同污染程度下抗剪强度减少对比
|
项目 |
无污染 |
泥土（kg/m2） |
油污（kg/m2） |
||||
|
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
||
|
抗剪强度(MPa) |
0.81 |
0.73 |
0.54 |
0.41 |
0.61 |
0.41 |
0.36 |
|
减少百分比（%） |
0 |
9.9 |
33.3 |
49.4 |
24.7 |
49.4 |
55.6 |
由图6可见：泥土污染和油污染都会使层间抗剪强度下降，相同污染量下，油污比泥土污染更显著。原因可能是：干燥的泥土颗粒分散在层间并没有粘性，剪切过程中自由的土颗粒促使静摩擦变成滑动摩擦，同时泥土颗粒还阻碍了上面层与粘层的粘结，使得上、下面层之间的有效接触面积减小，层间抗剪强度下降。由表6可知，层间抗剪强度随着泥土污染量的增加呈逐渐下降趋势。
油污多为柴油或机油，在本次试验中采用柴油作为油污。从其化学组成来分析，柴油与沥青材料中饱和烃的成分相同，主要为烷烃和环烷烃。因此，柴油对沥青材料具有很高的溶解力和渗透力，当粘层受到柴油污染后，柴油便渗入粘层材料，使粘层材料中沥青的油分含量增加，粘层材料粘度减小，从而层间抗剪强度降低。另外，油污进一步阻碍上下两层之间的粘结，在层间不但没有起到粘结作用反而起到一定的润滑作用，导致层间抗剪强度大幅下降，0.2kg/m2的油污使抗剪强度下降了49.4%，等同于0.3kg/m2泥土达到的污染程度。
5 结语
（1）不同温度下5种粘层材料抗剪试验结果表明，Super PCR改性乳化沥青效果最优，在实际工程应用中可以优先考虑。
（2）路面层间剪力与温度有很大关系，试验温度从20℃上升到60℃时层间剪力急剧减小，表明路面在高温季节容易发生层间推移破坏，夏季高温时要特别注意路面层间剪切破坏的发生。
（3）竖向荷载过大时，沥青路面间抗剪强度主要由层间摩擦力提供，而且当竖向荷载增加到一定程度后，粘层油的洒布量对层间的抗剪强度的影响会逐渐减小。
（4）从经济和乳化沥青制备的角度考虑，建议施工时采用50%固含量的改性乳化沥青。
（5）当污染量小于0.4kg/m2时，同一污染量下油污污染比泥土污染使层间抗剪强度下降的幅度大，因此施工过程中一定要减少油污和泥土污染。
参考文献：
[1]刘丽,郝培文,徐金枝.粘层状况对沥青路面层间剪切疲劳性能的影响[J].公路交通科技,2012,29（10）:11-15
[2]张久鹏,武书华,裴建中.基于剪切弹性柔量的基-面层间接触状态及路面力学响应分析[J].公路交通科技,2013,30(1):6-16
[3]黄开宇.高速公路沥青路面结构层间粘结状态的研究［J］.公路工程,2010,35(2):35－39．
[4]M.Diakhaté A. Millien C. Petit A. Phelipot-MardeléB. Pouteau Experimental investigation of tack coat fatigue performance: Towardsan improved lifetime assessment of pavement structure interfaces [J].Constructionand Building Materials, 2011:1123-1133
[5]汪水银.半刚性基层与沥青面层粘结性能影响因素[J].交通运输工程学报,2010,10(2):12-19.
[6]Zhang Zheng-qi, Shi Wei, BianXiu-qi. Interlayer Bonding Properties and Influencing Factors of Fiber AsphaltChip Seal [J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014,36(2): 54-62.
[7]郭寅川,申爱琴,张金荣等.沥青下封层力学响应及抗剪强度试验[J]. 中国公路学报, 2010,23(4): 20-26
[8]高明明,李新贺.基于基于 ABAQUS 的沥青路面层间粘结影响因素的敏感性分析[J].华东公路,2013,204(6):76-79.
[9]苏新国,颜赫,鲁圣弟等人.沥青路面层间粘结效果影响因素[J].长安大学学报(自然科学版),2013,33(3):21-26.
[10]周雨亭,许毅飞等.温度与泥土污染对沥青路面层间粘结性能的影响研究[J].公路交通科技,2013,(4):32-35.
ExperimentalStudy on Inter-layer Adhesive Property of Asphalt Pavement
Abstract: In order to investigateinfluences of tack coat materials, vertical load, solid content and pollutionson interlayer bond property in asphalt pavement,this paper conducts experimental study on interlayer property by layer shearstrength. Different shear strengths were measured, including five kinds of tackcoat materials under different temperatures, different vertical loads underdifferent tack coat oil amount, different solid content and differentpollutions. The results represent that Super PCR modified emulsion asphalt hasthe best effect, SAMI stress absorbing layer takes second place, commonemulsified asphalt is the worst one. When vertical loads reach to some ofextent, The influence of spraying dosage of tact coat on shear strength may decreasesgradually. With the increase of solid content,shearing strength of interlayer has the tendency to rise. By comparing with relevantresults, it can be found that oil pollution is relatively obvious.
Key words: Asphalt pavement,Interlayer bond, Influence factors, Shear strength