影响因素实验条件(沥青路面层间材料粘结性能影响因素研究)
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影响因素实验条件(沥青路面层间材料粘结性能影响因素研究)
彭国强 陈春华
江西省萍乡市公路管理局
摘 要：为了研究沥青路面层间材料粘结性能的影响因素，重点分析了温度、沥青针入度、沥青种类以及界面含灰量对层间粘结性能的影响。基于石板粘结强度拉拔法，对不同影响因素下层间材料的粘结强度进行了测试评价。结果表明:层间粘结材料的粘结强度随温度的降低而增大，南方地区应重点关注粘结材料自身粘结力，北方地区应重点关注粘结材料与界面间的粘结力;选择层间粘层材料不应以针入度为评价指标，而更应关注由浸润作用产生的粘结强度; 4种常用粘结材料粘结强度的大小依次为:埃索70#>伊朗70#>镇海70#>中海70#;界面含灰量小于0. 18kg/m2时，热沥青的粘结强度受其影响较小。
关键词：道路工程;粘结材料;拉拔试验;影响因素;粘结强度;
随着我国社会经济的高速发展，道路交通量和车辆轴载呈现大幅提升，超载、超限现象日益突出，直接导致了沥青路面的加速损坏。沥青路面作为一种多层弹性层状体结构，层间粘结对于路面结构发挥其整体效应具有显著作用。层间粘层材料是为了使沥青路面各结构层形成一个有效整体，在层间洒布的沥青薄层材料，其作用是使沥青路面各层、新铺沥青层和旧沥青路面近似粘结成一个整体，增强各结构之间的粘结强度。若层间处治失当，极易造成路面结构层间的剪切滑移破坏，将大幅降低路面的使用性能。因此，对沥青路面层间粘结性能影响因素开展研究十分必要。
国内外道路学者都对层间粘结材料做了许多工作。于秀军采用斜面剪切试验仪测试不同类型沥青路面层间的粘结性能，重点分析了温度、粘结剂类型和用量、路面结构组合类型对路面结构层间界面粘结性能的影响。周文等选择的沥青路面层间结合强度影响因素包括试验应力、粘层类型等。梁丽通过斜剪试验，发现随着洒铺量的增加，抗剪强度呈现出先增大后减小的变化规律，改性沥青的抗剪强度优于基质沥青。综上所述，影响粘层材料粘结性能强弱的因素主要由以下两个方面决定，一方面是粘层油自身性质，另一方面是施工工艺。
在实际工程应用中，粘层材料本身的性质已经无法改变，这主要由材料厂商决定。工程中能控制和调整的主要是施工工艺，如界面表面处理、粘层材料洒布时间、粘层材料洒布温度，粘层材料洒布量等。因此，本文将重点研究温度、沥青针入度、沥青种类以及界面含灰量对层间粘结性能的影响，以提出合理的施工工艺建议，以期提升沥青路面层间粘结质量。
1 试验材料
本文选用的沥青材料主要包括ESSO70#基质沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青、TB改性沥青、镇海70#基质沥青、伊朗70#基质沥青、中海基质沥青等。根据现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对ESSO70#基质沥青进行指标检测，其主要技术指标见表1所示。SBS改性沥青由ESSO70#基质沥青，外掺4%的SBS(主要指标见表2所示)，在180℃高温下剪切搅拌而成，其主要技术指标见表3所示。橡胶沥青由ESSO70#基质沥青内掺15%的40目废旧子午胎橡胶粉在180℃高温下剪切搅拌而成。TB改性沥青由内掺20%的40目废旧子午胎橡胶粉，在200℃高温反复剪切搅拌而成，其主要技术指标见表3所示。
表1 1ESSO70#主要技术指标 下载原图
表2 SBS材料主要技术指标 下载原图
表3 改性沥青主要技术指标 下载原图
2 试验方法
本文采用石板粘结强度拉拔法，其试验模型是基于简化的实际路面粘结结构，下面层选择石制材料作为底板，上面层由自制拔头代替，其具体设备如图1所示。试验步骤包括:(1)准备材料，加热好沥青粘结材料待用，用砂纸打磨石板表面。(2)将沥青粘结材料按照计算用量均匀地洒布在石板上，静置，等待沥青材料粘结强度形成。(3)待沥青材料粘结强度形成后，将石板放进温度为5℃的水中，保温1小时。(4)待水浴时间结束后，拿出石板，清理拔头边缘多余的沥青粘结材料，然后放入5℃水中，保持水面与拔头齐平，用粘结强度拉拔力检测仪进行试验，得出粘结材料的粘结拉拔力，计算粘结强度。(5)清洗石板与拔头。
图1 石板拉拔试验图 下载原图
3 试验结果分析
3.1 温度对沥青粘结性能的影响
不同温度下改性沥青的粘结强度见表4所示。
表4 不同温度下各沥青的粘结强度 下载原图
由表4可以看出，各种改性沥青的粘结强度均随温度的降低而增大，这从侧面解释了路面产生水平滑移剪切破坏为什么多发生在夏季。粘结层的粘结强度除了自身的粘性外，主要来自“结构沥青”含量的比例，夏天高温或者沥青用量过多时，“自由沥青”含量更高，而结构沥青的强度又比自由沥青的强度大得多，所以这时界面粘结强度下降，在车辆荷载作用下，导致结构层的变形和层间失稳。从试验过程中还发现，在5℃与25℃试验条件下，破坏面的位置也不相同，温度较低时发生界面上的破坏，温度处于25℃时，破坏面则发生在粘结层本身，这主要是因为温度的升高直接导致粘结材料自身粘结力降低，以及“自由沥青”含量增加。故在南方地区可选择沥青自身粘结力较大的材料作为层间粘结材料，在北方则应更关注沥青与界面间的粘结力。
3.2 沥青针入度对沥青粘结性能的影响
为了分析沥青软硬对沥青粘结性能的影响，选择了4种不同针入度的沥青。按现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对四种热沥青的针入度指标进行测试。其针入度(0.1mm)分别为54.9、60.8、64.8、70.3。然后在5℃水浴下测试4种热沥青在钢界面上的粘结强度，试验结果见图2所示
图2 不同针入度粘结材料的粘结强度 下载原图
从图2可以看出，沥青的针入度与其粘结强度并非对应关系，侧面反映出粘层材料与界面形成的粘结强度，与粘层材料自身的粘结强度形成条件是不相同的。沥青自身粘结强度随着针入度降低逐渐增大，但沥青与界面间的粘结强度并不随针入度呈现此规律。沥青和界面间产生得粘结作用，主要是由液体与固休表面接触时发生的分子间相互作用所决定的，在实际应用中，更需要关注的便是由浸润作用产生的相互作用粘接强度。选择层间粘层材料不应以针入度大小为评价指标，而应选择与界面存在较好浸润作用的粘层材料。
3.3 沥青种类对层间粘结性能的影响
选择产地不同的4种70#基质沥青，以0.6kg/m2的洒布量在钢底面上成型拉拔模型。在5℃水浴下测试其粘结强度，试验结果如图3所示。
图3 不同种类粘结材料的粘结强度 下载原图
由图3可以看出，粘结强度最高的是ESSO70#基质沥青，粘结强度为1.17MPa。中海70#基质沥青粘结强度最低，粘结强度为0.88MPa。伊朗70#与镇海70#基质沥青的粘结强度基本相当。使用基质沥青时，在经济条件允许和粘结强度要求较高的情况下，推荐使用ESSO70#基质沥青。考虑经济性与使用效果，可使用镇海70#基质沥青。
3.4 界面含灰量对沥青粘结性能的影响
以ESSO70#基质沥青为热沥青代表，研究热沥青在不同含灰量界面上的粘结性能。首先将石板进行加热，在钢界面上洒布不同量的粉尘(粉尘为石料筛分的筛底)，然后以0.6kg/m2的洒布量将ESSO70#基质沥青洒布在灰尘上，使沥青完全均匀覆盖粉尘后再放上拔头，等待强度形成后，然后在5℃水浴下进行粘结强度拉拔测试。含灰量及粘结强度测试结果见图4。
图4 不同含灰量下粘结材料的粘结强度 下载原图
从图4可以看出，热沥青粘结强度随含灰量的增加无明显变化规律，但最终逐渐降低。在含灰量达0.16kg/m2时，粘结强度达到最大，这主要与胶浆中的粉胶比有关。当含灰量大于0.18kg/m2时，沥青与界面的粘结强度开始低于含灰量为0kg/m2时的界面粘结强度。
沥青作为粘层材料时，对界面灰尘有一定容纳能力，实际施工工程中也很难做到界面洁净无尘，因此也不需要对界面清洁度提出过于苛刻的要求。但为保证粘结效果，建议界面在洒布粘层油前进行除尘处理，当含灰量不小于0.18kg/m2时，热沥青的粘结强度受其影响较小。
4 结论
通过研究沥青路面层间材料粘结性能的影响因素，得出了以下结论:
(1)层间粘结材料的粘结强度随温度的降低而增大，南方地区应关注粘结材料自身粘结力，北方地区应关注粘结材料与界面间的粘结力;
(2)选择层间粘层材料不应以针入度为评价指标，而更应关注由浸润作用产生的粘结强度;
(3)4种常用粘结材料粘结强度的大小依次为:埃索70#>伊朗70#>镇海70#>中海70#;
(4)界面含灰量小于0.18kg/m2时，热沥青的粘结强度受其影响较小。
参考文献
[1] 黄余阳阳．沥青路面层间粘结性能影响因素研究．长安大学，2013.
[2] 何锐，武书华，管勤，曹进，陈华鑫．沥青路面层间粘结性能影响因素试验研究．中外公路，2015,35(04):272-276.
[3] 苏新国，颜赫，鲁圣弟，黄学文，陈华鑫．沥青路面层间粘结效果影响因素．长安大学学报(自然科学版)，2013,33(03):21-26+68.
[4] 于秀军．高速公路沥青路面层间粘结性能的影响因素分析．江西建材，2016(10):167+170.
[5] 周文，陈志福，熊志华，李政安，陈赟．沥青混合料试件层间粘结剪切强度影响因素研究．中外公路，2011,31(06):268-272.
[6] 梁丽．沥青混凝土路面层间粘结效果影响因素研究．山东交通科技，2015(03):20-22.
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