沥青及沥青混合料试验检测规程(隧道路面单层沥青层铺装层间高强高渗防水黏结材料的制备与性能)

Posted 2023-05-31

篇首语：但使书种多，会有岁稔时。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了沥青及沥青混合料试验检测规程(隧道路面单层沥青层铺装层间高强高渗防水黏结材料的制备与性能)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

沥青及沥青混合料试验检测规程(隧道路面单层沥青层铺装层间高强高渗防水黏结材料的制备与性能)

陈辉强杨杰兰滔

重庆交通大学土木工程学院

摘要：隧道路面采用单层沥青层铺装对层间防水黏结层的层间剪应力和层间拉应力提出了更高的技术要求，现有防水黏结材料无法达到该技术指标。基于相似相容原理设计了15种不同配比的防水黏结材料，通过对他们的耐热性、低温柔性、黏结强度及防水性能进行测试与综合评价，选取了其中一种配方作为该研究的高强高渗透防水材料即FJH-1,进而通过对比试验系统研究其对水泥混凝土基层的渗透性、抗冻融能力和路用性能。结果表明：采用FJH-1作为层间防水黏结层的铺装组合结构不仅具有优良的抗剪强度和拉拔强度，能够满足隧道单层沥青层铺装对于层间剪应力和拉应力的技术要求，受温度和冻融的影响相对较小，而且具有对水泥混凝土的优良渗透性，可望实现隧道单层沥青层铺装技术的推广应用。

关键词：复合式路面;防水黏结层材料;抗剪强度;拉拔强度;高渗透性;

基金：四川省科技厅计划项目,项目编号2021YJ0044;

隧道复合式路面因其行车舒适性好、噪声低、灰尘小及抗滑性优良等优点已发展成为新建隧道路面的主要结构型式[1,2,3]。目前关于隧道铺装技术研究，主要围绕隧道施工与运营安全，以及使用耐久性等方面开展了诸多关于新材料和新工艺的研发，取得了丰硕的研究成果[4,5,6,7,8]。而关于隧道铺装结构方面的研究却鲜有报道。公路隧道路面通常采用水泥混凝土基层加铺两层沥青混凝土结构，与桥面铺装结构类似[9]。该铺装结构成熟于我国公路高速发展时期并一直沿用至今。但该铺装结构也存在成本较高、施工难度较大及影响隧道净空等不足，为此笔者提出采用单层沥青层铺装的研究思路。前期工作通过有限元分析已经得出：单层沥青层铺装结构层间拉应力和剪应力均较大，对层间的防水黏结材料要求较高(常温下层间剪应力τmax≥0.747 MPa, 层间拉应力σmax≥0.236 MPa),而目前常用的复合式路面层间防水黏结材料的技术性能还达不到单层沥青层铺装防水黏结层材料的技术要求[10,11,12]。因此本文针对隧道单层铺装结构制备了一种高强高渗透的层间防水黏结材料，以SBS改性热沥青和改性乳化沥青两种常用防水黏结材料做参比，系统研究了该防水黏结材料的路用性能。

1 试验

1.1原材料

主要原材料包括：基质沥青，采用AH-70号；SBS,为线型、YH-792;增黏树脂A;复合稳定剂B;二甲苯，为分析纯。

1.2制备工艺

本文所研发的高强高渗防水黏结材料的制备工艺步骤如下：

(1)将二甲苯溶剂倒入3个烧杯中，分别加入SBS、增黏树脂A和基质沥青，随后静置于室温环境下；

(2)每隔半小时搅拌3～5 min, 待烧杯中的溶质完全溶解，分别得到1号、2号、3号溶液；

(3)将1号、2号、3号放入烧杯中混合并搅拌均匀，加入复合稳定剂B后再次搅拌5～10 min, 随后将烧杯密封并放置室温环境下发育2 h即可。

1.3试验方法

(1)耐热性能参照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777-2008)6.2条进行测试。

(2)低温柔性参照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777-2008)13.2.1条进行测试。

(3)利用不透水仪测试防水黏结层的防水性，不透水仪符合《建筑防水卷材试验方法第10部分沥青和高分子防水卷材》(GB/T 328.10-2007)中5.2条要求。

(4)黏结强度参照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777-2008)7.1条A法测试。

(5)组合试件的拉拔强度与抗剪强度参照《道桥用防水涂料》(JCT 975-2005)分别测试。

(6)标准黏度参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0621-1993方法进行测试。

(7)利用扫描电子显微镜进行界面渗透深度扫描，仪器型号为FEI/INSPECT F50。

2 试验结果与讨论

2.1高强高渗防水黏结层材料制备

2.1.1高强高渗防水黏结层材料初定配比

查阅文献[13]可知，SBS改性防水沥青中SBS掺量宜在6%～20%范围内，增黏树脂A和SBS对沥青复合改性可以使沥青的黏性增大且具有很高的黏结强度。基于此，调配各材料所占比例。本研究设计了15种高强高渗透防水防水黏结材料，并将其组成列于表1。

表1 高强高渗透防水黏结材料的组成导出到EXCEL

配方	下列材料用量/g
配方	二甲苯	SBS	70号沥青	增黏树脂
A1	100	3	65	32
A2	100	6	65	29
A3	100	9	65	26
A4	100	12	65	23
A5	100	15	65	20
B1	110	3	60	27
B2	110	6	60	24
B3	110	9	60	21
B4	110	12	60	18
B5	110	15	60	15
C1	120	3	55	22
C2	120	6	55	19
C3	120	9	55	16
C4	120	12	55	13
C5	120	15	55	10

2.1.2耐热性能试验

按表1组成制备的15种防水黏结材料分两次均匀涂抹在平面尺寸为100 mm×50 mm、厚2 mm的铝片上，涂抹厚度控制为1.5 mm, 放置室温环境下待其实干，之后按照45°倾角放置于150℃烘箱中加热30 min, 观察其是否产生流淌、滑动和产生密集气泡的现象。试验结果如表2所示。

表2 耐热性试验结果导出到EXCEL

配方	结果	配方	结果	配方	结果
A1	略微流淌	B1	少量气泡	C1	无现象
A2	少量气泡	B2	无现象	C2	无现象
A3	少量气泡	B3	无现象	C3	无现象
A4	无现象	B4	无现象	C4	无现象
A5	无现象	B5	无现象	C5	无现象

从表2的试验结果可以看出，一定范围内SBS掺量增加有利于改善防水黏结材料的耐热性能，增黏材料的掺量过大对防水黏结材料的耐热性不利。可能是因为SBS与增黏树脂在一定配比下可与沥青形成较致密的空间网状结构，限制了沥青的流动性，从而提高了防水黏结材料的耐热性能；而过量的SBS或者增黏树脂以游离态的形式存在于网状结构中容易引起网状结构的滑移，从而降低其耐热性。较低的固含量同样可以增强防水黏结材料的耐热性，这与其对水泥混凝土的良好渗透性有关。

2.1.3低温柔韧性试验

为验证所制备防水黏结层材料的低温性能，将上述15种防水黏结材料按0.2 kg/m2的用量涂布在平面尺寸为100 mm×25 mm、厚2 mm的铝片上，实干后将铝片与10 mm直径的金属棒一同放入-15℃的冰箱中冷冻1 h, 随后迅速将铝片与金属棒取出，并在3 s之内绕金属棒弯曲180°,观察防水黏结层表面裂纹情况。试验结果列于表3。

表3 低温柔韧性试验结果导出到EXCEL

配方	结果	配方	结果	配方	结果
A1	较多裂纹	B1	轻微裂纹	C1	无裂纹
A2	轻微裂纹	B2	轻微裂纹	C2	无裂纹
A3	轻微裂纹	B3	无裂纹	C3	无裂纹
A4	无裂纹	B4	无裂纹	C4	无裂纹
A5	无裂纹	B5	无裂纹	C5	无裂纹

表3的试验结果表明，防水黏结材料的低温柔韧性与SBS掺量呈现显著的正相关，过量的增黏树脂反而会削弱防水黏结材料的低温柔韧性。这是因为增黏树脂具有比SBS更高的玻璃化温度Tg,故二者对防水黏结材料的低温柔性的影响效果并不一致。另外，较低的固含量也对防水黏结材料的低温柔韧性有利，可能是因为沥青与树脂材料在固含量较低的情况下溶解更充分、混合更均匀之故。

2.1.4防水性能试验

将防水黏结层制作成直径150 mm、厚约1 mm的试件，试件上放置滤纸，以便观察是否渗水。利用DTS-4不透水仪测试其防水性，试验条件为：温度25℃,水压0.4 MPa, 持续时间30 min。若水压突然下降或观察到防水黏结层背面潮湿则不满足要求。试验发现，15种防水黏结层材料均未出现水压下降和防水黏结层背面潮湿的情况。

2.1.5黏结性能试验

把15种防水黏结层材料以0.2 kg/m2的用量涂抹在平面尺寸为100 mm×100 mm的水泥混凝土块上，完全固化后，在25℃室温下测其黏结强度，所得结果如表4所示。

表4 各配方黏结强度试验结果导出到EXCEL

配方	黏结强度MPa黏结强度ΜΡa	配方	黏结强度MPa黏结强度ΜΡa	配方	黏结强度MPa黏结强度ΜΡa
A1	0.855	B1	0.910	C1	0.858
A2	0.954	B2	1.001	C2	0.918
A3	0.968	B3	1.018	C3	1.021
A4	1.013	B4	1.212	C4	0.957
A5	0.941	B5	1.080	C5	0.959

表4的测试结果表明，适当增加SBS掺量可提升防水黏结材料与水泥混凝土的黏结强度，但SBS掺量对黏结强度的总体影响并不显著；增黏树脂掺量对防水黏结材料的黏结强度影响相对较大，且随着增黏树脂掺量的增大，黏结强度呈现出先增大后减小的变化规律。当SBS与增黏树脂的掺量达到某一配比即配方为B4时，防水黏结材料黏结强度达到最大1.212 MPa。固含量对黏结强度也有一定的影响，可能是因为不同固含量的防水黏结材料对水泥混凝土微孔的渗透作用不一致。

综上各组成成分对防水黏结材料的耐热性、低温柔韧性、防水性能及黏结性能的影响结果，结合隧道使用环境，选取黏结强度最高的B4作为防水黏结材料的最佳配方，并将其命名为FJH-1。其最佳配方为：SBS∶增黏树脂∶AH-70号沥青∶二甲苯=6∶9∶30∶55。

2.2路用性能研究

本节通过对比试验，研究组合结构(经砂纸抛光的水泥混凝土基层+ FJH-1防水黏结层/其他防水黏结层+4 cm AC13沥青混凝土)在25℃环境条件下的抗拉性能、抗剪性能及水稳性能。

2.2.1FJH-1最佳用量

为研究FJH-1防水黏结层材料的最佳用量，利用微机控制电子万能试验机CMT5105对不同FJH-1用量下的组合试件进行斜剪试验和拉拔试验。试验温度为25℃,加载速率为50 mm/min, 如图1所示。

图1 剪切、拉拔试件安装下载原图

剪切强度、拉拔强度计算公式见式(1)、式(2)。

τ=FA×sinθ (1)σ=FA (2)τ=FA×sinθ (1)σ=FA (2)

式中：τ为剪切强度，MPa; σ为拉拔强度，MPa; F为试件破坏时的竖向应力，N;A为截面面积，mm2;θ为剪切角，60°。

FJH-1、SBS改性沥青、乳化沥青的试验结果，如图2所示。

从图2中可以看出，随着层间防水黏结材料用量的增加，3种组合结构的层间剪切强度和拉拔强度几乎呈现出一致的变化规律，即先增加后减小的趋势。这是因为防水黏结材料用量较少时，层间防水黏结材料没有充满水泥混凝土基层与沥青铺装层界面空隙，因此黏结强度较差；当防水黏结材料达到某一用量时，黏结强度和抗剪强度达到最大值；随着防水黏结层用量继续增大，层间形成了一种滑移层，导致剪切强度和拉拔强度又出现下降的趋势。这说明防水黏结层存在着最佳用量。同时，根据试验结果拟合曲线，其相关系数R2均大于0.95,表明曲线拟合相关性良好。综合剪切与拉拔试验结果，分别确定出3种防水黏结材料的最佳用量：FJH-1最佳用量为0.62 kg/m2;SBS改性沥青最佳用量为1.08 kg/m2;乳化沥青最佳用量为0.74 kg/m2。

2.2.2温度对防水黏结层强度影响

为研究温度对3种防水黏结层材料强度的影响，按照各自的最佳用量制备好组合试件。控制试验温度分别为0℃、25℃、50℃,把制备好的试件放入恒温冰箱中保温4 h, 随后取出进行剪切和拉拔试验，所得结果如图3所示。

图2 防水黏结层用量对剪切强度和拉拔强度的影响下载原图

从图3可以看出，随着温度升高，3种组合结构的抗剪强度和拉拔强度均出现了不同程度的下降，尤其是从25℃升至50℃过程，下降幅度十分显著，表明3种防水黏结材料的黏结性能和抗剪性能都有较强的温度敏感性。但在同一温度下，无论是层间抗剪强度还是拉拔强度，SBS改性沥青和乳化沥青相差不大，且均远小于FJH-1,几乎仅为FJH-1的一半。结合前期有限元分析结果可知，常温时隧道单层铺装要求层间剪应力τmax≥0.747 MPa、层间拉应力σmax≥0.236 MPa, 显然仅仅FJH-1可以满足该技术要求且有相当富裕度，而SBS改性沥青和乳化沥青均无法满足。

图3 温度对剪切、拉拔强度的影响下载原图

2.2.3冻融对防水黏结层强度影响

将涂布了各自最佳用量的3种防水黏结材料的组合试件先放入25℃恒温水箱中浸泡24 h后取出，随后放入-18℃±2℃的冰箱中冷冻24 h, 之后将冷冻后的组合试件放入25℃室温环境下恒温24 h, 实现一次冻融。冻融前后的剪切强度和拉拔强度的测试结果见图4。

从图4中可以看出，经冻融循环后，3种组合结构的剪切强度和拉拔强度均出现了不同程度的降低，FJH-1、SBS改性沥青和乳化沥青对应的组合结构的剪切强度分别降低了12.4%、20.2%和22.2%,拉拔强度分别降低了4.7%、12.0%、16.3%。其中FJH-1的降低幅度最小，表现出优良的抗冻融能力。且FJH-1经冻融后的剪切强度仍然大于0.747 MPa, 拉拔强度也远大于0.236 MPa, 满足隧道单层铺装对层间防水黏结材料的技术要求。而SBS改性沥青和乳化沥青冻融后的剪切强度远远低于0.747 MPa, 无法满足不利交通条件下隧道单层铺装层间剪应力技术指标的要求。

图4 冻融对组合结构的剪切强度和拉拔强度的影响下载原图

2.2.4界面处理对防水黏结层强度影响

界面处理方式的不同，则水泥混凝土界面的粗糙度也不同，进而使层间的黏结抗剪效果随之产生差异。本文采用砂纸抛光、钢丝刷拉毛、铣刨这3种界面处理方式，研究了在常温25℃下，不同界面处理方式对防水黏结层抗剪强度和拉拔强度的影响，结果如图5所示。

从图5(a)中可以看出，防水黏结材料相同时，不同界面处理方式下层间抗剪强度的大小顺序为铣刨>钢丝刷拉毛>砂纸抛光。这是因为层间抗剪强度除了与防水黏结层材料类型有关以外，层间的摩擦阻力对层间抗剪强度也有很大的影响。对水泥混凝土界面进行砂纸抛光、钢丝刷拉毛和铣刨，主要是增加表面纹理和加深构造深度，从而增强层间摩擦阻力。

图5 界面处理对剪切、拉拔强度的影响下载原图

从图5(b)中可以看出，相对于砂纸抛光而言，经钢丝刷拉毛和铣刨后对防水黏结层拉拔强度略有提升，3种界面处理方式对拉拔强度提升程度排序为铣刨>钢丝刷拉毛>砂纸抛光。这说明界面采用铣刨处理之后更加有利于防水黏结层形成致密的膜结构，从而最大程度地提升拉拔强度。

2.3渗透性能研究

性能优良的防水黏结材料除应具备优良的抗剪性能和拉拔强度之外，还需具备高渗透性。只有当防水黏结层充分浸润水泥混凝土的微裂缝后并固化，才能形成密实的网状结构，加强沥青面层与水泥混凝土层间防水黏结效果。本文通过标准黏度及其与水泥混凝土界面的SEM电镜扫描图片对3种防水黏结材料的渗透性能进行了测试与表征。

2.3.1标准黏度试验

防水黏结层材料的渗透性能可通过沥青标准黏度来判断。由于热沥青的标准黏度很难测得，故此处对SBS改性沥青不做讨论。通过图6中沥青标准黏度试验仪器测试FJH-1和乳化沥青的标准黏度，测试结果见表5。

图6 沥青标准黏度试验仪器下载原图

表5 防水黏结层标准黏度值(25℃) 导出到EXCEL

试验次数/次	标准黏度值/s
试验次数/次	FJH-1	乳化沥青
1	5.8	9.3
2	5.9	9.2
3	5.6	9.4
4	5.5	9.3
5	5.6	9.1
均值	5.68	9.26

从表5中的数据可以看出，FJH-1的黏度值仅为乳化沥青的61.3%。而黏度值越低，防水黏结层材料的流动性越好，渗透性能越佳。通过标准黏度试验可初步判断，在25℃常温下FJH-1的渗透性优于乳化沥青的渗透性。

2.3.2渗透界面扫描电镜(SEM)分析

为了进一步观察FJH-1、SBS改性沥青和乳化沥青对水泥混凝土微孔的渗透情况，对3种防水黏结层材料的渗透界面进行电镜扫描，结果详情如图7所示。

从图7(a)中可以看出，在扫描电镜下，水泥混凝土表面呈现出颗粒状的晶体形式(图左半部分),孔隙较多，而FJH-1防水黏结层材料表面相对光滑(图右半部分),两者区分度较高。从图7(b)中我们可以清楚看到FJH-1对水泥混凝土的孔隙有很好的填充作用，且FJH-1与水泥混凝土无明显界面分布，说明两者之间形成了致密的膜结构，进而表明FJH-1渗透性优良。

图7 不同防水黏结层渗透界面微观结构下载原图

图7(c)、图7(d)是SBS改性沥青的渗透界面图，可以看出水泥混凝土与SBS改性沥青之间有很明显的分层效果，表明SBS改性沥青对水泥混凝土表面裂缝的渗透效果很差。造成此现象的原因在于SBS改性沥青涂抹在水泥混凝土表面时，温度下降很快，导致SBS改性沥青固化时间很短，未能充分浸润水泥混凝土。

图7(e)、图7(f)是乳化沥青的渗透界面图，可以看出图中乳化沥青与水泥混凝土之间虽然有明显的分层，但是在分层界面偏左处，乳化沥青可部分渗入水泥混凝土的孔隙中，但只形成了很薄的一层膜结构。

通过对比3种防水黏结层的渗透界面图，可以看出FJH-1的渗透性最优，乳化沥青次之，而SBS改性沥青最差。

3 结语

(1)制备了一种适用于复合式路面结构的高强高渗防水黏结材料FJH-1,并通过耐热性、低温柔韧性、防水性及黏结强度4项基本性能试验确定其最佳配方。

(2)确定FJH-1最佳用量为0.62 kg/m2,此时FJH-1作为防水黏结层的隧道单层铺装结构的常温抗剪强度达到1.213 MPa,拉拔强度达到 0.936 MPa,满足隧道单层铺装技术要求。

(3)高强高渗防水黏结材料FJH-1不仅抗剪、抗拉性能优良，而且抗冻融能力及其对水泥混凝土微孔的渗透能力也十分突出，适合隧道特殊的使用环境，保障了隧道单层沥青路面的使用耐久性，具有一定的实际工程意义。

参考文献

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陈辉强 杨杰 兰滔

重庆交通大学土木工程学院

1 试验

1.1原材料

1.2制备工艺

1.3试验方法

2 试验结果与讨论

2.1高强高渗防水黏结层材料制备

2.1.1高强高渗防水黏结层材料初定配比

2.1.2耐热性能试验

2.1.3低温柔韧性试验

2.1.4防水性能试验

2.1.5黏结性能试验

2.2路用性能研究

2.2.1FJH-1最佳用量

2.2.2温度对防水黏结层强度影响

2.2.3冻融对防水黏结层强度影响

2.2.4界面处理对防水黏结层强度影响

2.3渗透性能研究

2.3.1标准黏度试验

2.3.2渗透界面扫描电镜(SEM)分析

3 结语

参考文献

陈辉强杨杰兰滔