薄层复合式路面层间粘层技术研究

刘定清，何立平，刘姝麟，刘乐平

(1.广西壮族自治区高速公路管理局，广西 南宁 530021；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

薄层复合式路面层间粘层技术研究

刘定清，何立平，刘姝麟，刘乐平

(1.广西壮族自治区高速公路管理局，广西 南宁 530021；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007)

针对薄层复合式路面层间粘结问题，文章采用不同界面处理方式和不同层间粘结材料系统研究层间粘结技术。结果表明：采用酸洗加刻槽的界面处理方式，结合SBS改性沥青或橡胶沥青粘结材料等能有效提高薄层复合式路面的层间粘结强度和抗剪强度。

复合式路面；界面处理；橡胶沥青；抗剪强度；层间粘结技术

0 引言

复合式路面采用沥青混凝土面层(AC)作为水泥混凝土路面(CC)的加铺层，是一种典型的补强方法[1]。该路面的水泥混凝土板稳定、坚实，沥青面层抗滑系数较高、平整度好，其形式结构大大改善了路面的使用性能。鉴于此，为提高道路路面结构使用寿命及其耐久性，近年来我国在多条高速公路陆续开展了复合式路面的试验及研究[2，3]。然而由于材料差异大，这种结合了刚性、柔性两种形式的复合路面结构，容易产生层间滑移。并且水泥混凝土路面板上存在接缝，有裂缝、错台及脱空等损坏现象产生，使得复合结构中奇异部位突出，这就会在罩面层对应于旧路面板接缝、裂缝的位置上出现反射裂缝，影响路面的使用性能[4，5]。针对以上问题，本文从界面处理方式和层间粘结材料方面对复合式路面层间的粘层技术进行系统研究。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及其技术指标

本试验制备橡胶沥青的基质沥青为泰普克70#A级道路石油沥青，其性能指标如

表1所示。橡胶粉为广西交通科学研究院生产的废旧轮胎胶粉，黑色颗粒，粒径为30～80目，各项性能指标满足相关行业标准。橡胶沥青是基质沥青与橡胶粉投入混合灌中在180 ℃～190 ℃高速搅拌，再泵入反应罐中发育45～120 min获得橡胶沥青成品，其性能指标如表2所示。为了研究不同粘结材料的性能，选择了SBS改性沥青、乳化沥青和溶剂型防水粘结剂进行对比，其性能指标如表3～5所示。

表1 泰普克70#A级道路石油沥青检测结果表

表2 不同胶粉掺量的橡胶沥青检测结果表

表3 SBS改性沥青检测结果表

表4 乳化沥青检测结果表

表5 溶剂型防水粘结剂检测结果表

1.2 试验设备及方法

(1)直剪仪试验设备

试验设备采用课题组购置长安大学的JHY-A结构材料剪切仪，可用于路面加铺层及桥面防水层剪切试验。仪器由单片微机控制步进电机驱动剪切机构，最大剪切力和位移由力传感器和位移传感器分别测量，可设定速度并控制马达自动工作。现场采集数据，可存储20个试验数据，同时可显示、处理、保持峰值，双四位液晶显示。RS232接口连接PC机处理。剪切试验：从复合式路面钻芯取样，在室内放入达到试验温度的烘箱养生4 h后进行剪切试验，按10 mm/min的加荷速度进行。

(2)拉拔仪试验设备

为了对施工现场层间粘结效果进行检测，课题组购置了LGZ-1结构层材料强度拉拔仪。可用于路面、建筑防水层的拉拔试验，可设定拉拔速度并控制马达自动工作，现场采集数据，可存储20个试验数据，可显示、处理、保持峰值。RS232接口连接PC机处理。试验直接在施工现场进行，试验温度按测试时的界面温度，加荷速度按10 mm/min进行。

2 试验结果与分析

2.1 水泥混凝土界面处理技术对层间粘结强度的影响

表6为隆百高速公路橡胶沥青粘结层试验段芯样的抗剪试验，该试验段未对界面进行处理，橡胶沥青粘结材料的洒铺量为1.5 kg/m3，抗剪强度试验的温度为20 ℃。由表6中的试验结果可知，未对界面进行处理的路段，水平抗剪强度在0.31～0.42 MPa的范围内波动，位移量在3.2～3.8 mm之间波动。部分标段芯样的抗剪强度>0.4 MPa，可认为其层间粘结在一定时间内是满足使用要求的，但其长期粘结效果不好做定量分析。由芯样的破坏情况可以看出，芯样的破坏面发生在界面处，主要因为水泥混凝土界面的浮浆比较多，橡胶沥青粘结层与水泥混凝土界面粘结力会因为行车荷载的剪切作用而导致整个橡胶沥青粘结层发生推移性剪切病害。因此对水泥混凝土路面进行界面处理是提高复合式路面层间抗剪强度的有效措施之一。

表6 隆百高速公路未处理界面的芯样抗剪强度表

隆百高速公路试验段不同界面处理方式的芯样抗剪强度见表7，采用了中度铣刨、裸化、抛丸、刻槽4种界面处理措施，各种方法处理后再在其上加铺1.5 kg/m3洒布量的橡胶沥青粘结层和橡胶沥青混凝土面层，通过钻取芯样，在室内进行水平抗剪强度的试验，试验温度为20 ℃。从表7中可知，水泥混凝土界面经糙化处理后，与未经过界面处理的试验段(如表6所示)相比，芯样平均抗剪强度均>0.4 MPa，抗剪的平均位移也有较明显的增大，糙化处理界面有利于层间的粘结。在经过铣刨、裸化、抛丸和刻槽界面处理措施，水泥混凝土界面的松散浮浆被磨掉，粗糙度提高，提高了橡胶沥青粘结层与水泥路面表面的机械咬合，提高了沥青加铺层与水泥混凝土界面的抗剪能力。经过刻槽处理方式的试样与经过铣刨和抛丸处理的试样相比，其抗剪强度较小，主要因为刻槽后，浆层并未除掉，经刻槽松动和槽边失去原有约束，芯样经剪切后浆层易被剥起，影响芯样抗剪强度。

表7 隆百高速公路不同界面处理方式的芯样抗剪强度表

根据隆百高速公路试验段界面处理前后，采用橡胶沥青粘结层芯样的抗剪强度结果分析和总结，本课题小组在钦崇高速公路连线工程，对界面进行了刻槽+酸洗的处理方式，后再在其上加铺1.5 kg/m3洒布量的橡胶沥青粘结层和橡胶沥青混凝土面层，通过钻取芯样，在室内进行水平抗剪强度的测试，试验温度为20℃，试验结果汇总见表8。由表8可知，钦崇高速公路连线刻槽后芯样的平均抗剪强度为0.54 MPa，比隆百高速公路的试验结果高出不少，并且破坏界面位于粘结层。主要原因是采用酸洗清除了界面的浮浆，无软弱的浮浆层，并且钦崇高速公路连线的水泥混凝土细集料为河砂，界面的摩擦系数经酸洗后远大于隆百高速公路的混凝土界面，有利于应吸收层与水泥界面的相互吸附，可提高层间的粘结强度。提高层间的粘结强度关键在于清除掉水泥混凝土界面的浮浆，提高界面粗糙度，保证界面的洁净及干燥，利于粘结材料与界面的相互吸附。铣刨处理方式对于清楚机制砂混凝土界面的浮浆效果明显，铣刨处理后芯样的抗剪强度最大，主要是因为层间的机械咬合力较好，但铣刨处理对水泥混凝土路面和灌封材料的破坏比较大，会影响路面结构层的耐久性，因此不建议采用铣刨处理水泥混凝土界面。抛丸处理可有效清除机制砂混凝土界面的浮浆，二次抛丸效果更好，对于河砂混凝土界面同样适用。刻槽处理在机制砂混凝土界面效果不佳，处理河砂混凝土界面效果较好，并且处理的方式灵活多变，适用于水泥面板的端部及大长纵坡等特殊段落，在几种处理方式中的造价最小，可大面积使用于河砂的水泥混凝土结构。

表8 钦崇高速公路连线刻槽+酸处理方式的芯样抗剪强度表

2.2 粘结材料对层间粘结强度的影响

2.2.1 乳化沥青粘结材料

在钦崇高速公路连线工程试验段，直接在未处理的水泥面板上喷洒乳化沥青后加铺面层，喷洒量为0.3～0.6 kg/m2，通过钻芯发现沥青层底面与水泥混凝土表面易分离，呈平整的光面，沥青层与水泥混凝土表面界面无明显粘结痕迹，其原因可能在于乳化沥青含固量较低，所用基质沥青的黏度偏弱，导致复合式路面层间粘结效果较差。在同等水泥混凝土界面条件下，采用了0.5 kg/m2乳化沥青+1.5 kg/m2橡胶沥青应力吸收层与单采用乳化沥青这两种方案进行了拉拔试验对比，试验温度：40 ℃；加荷速率10 mm/min，结果见图1。由图1可以看出，在同等界面条件下，两种方案的复合式路面芯样拉拔强度区别不大，并且40 ℃拉拔强度较小，仅有0.02 MPa左右。从芯样界面破坏情况来看，拉拔破坏的主要原因是乳化沥青与橡胶沥青层脱离。乳化沥青可能与水泥混凝土表面粘结尚可，但与橡胶沥青层粘结不良导致分离，即粘结失效面上移，同样会造成拉拔强度偏低。由以上检测数据可知，乳化沥青不适合作为复合式路面的层间粘结材料，乳化沥青+橡胶沥青层的结构方案同样存在一定的风险。

图1 乳化沥青粘层芯样的拉拔强度柱状图

2.2.2SBS改性沥青粘结材料

在钦崇高速公路连线工程课题试验段采用普通沥青洒布车洒布SBS改性沥青液体；同步碎石洒布车洒布碎石。SBS改性沥青加工好后，用喷洒油罐车运输到铺筑现场进行喷洒，分三个等级进行洒布，洒布量为1.1～1.5kg/m2间隔0.2kg/m2。集料选择9.5～13.2mm粒径石灰岩碎石，洒布量为6～8kg/m2，基本上在洒布以后是60%碎石覆盖面，混凝土界面未进行处理。对不同洒布量的路段进行了拉拔试验，试验温度为40 ℃；加荷速率10mm/min。试验结果见图2。由图2可知，在未处理的水泥混凝土界面，当SBS粘结材料的洒布量达到1.3kg/m2时，40 ℃的拉拔强度最高，达到0.085MPa。

图2 不同SBS洒布量的拉拔强度柱状图

2.2.3 溶剂型防水粘结剂材料

施工现场采用的溶剂型防水粘结剂为AF类二阶反应型，它是一种单组份黑色粘稠液体，其主要成分为天然沥青、树脂、石油沥青以及石油基活性反应物质。施工现场，在未处理的界面条件下进行了不同AF涂抹量的现场拉拔试验，试验温度为40 ℃，加荷速率10mm/min，试验结果见图3。从图3可以看出，AF类溶剂型粘结剂的40 ℃拉拔强度都能达到0.18MPa以上，粘结效果较好，对于未处理的混凝土界面，涂抹量为0.4kg/m2时，拉拔强度达到最大。

图3 不同AF涂抹量的拉拔强度柱状图

2.2.4 橡胶沥青粘结材料

同普通热沥青及SBS改性沥青一样，橡胶沥青类粘结材料采用普通沥青洒布车喷洒；同步碎石洒布车洒布碎石。橡胶沥青加工好后，用喷洒油罐车运输到铺筑现场进行喷洒。在钦崇高速公路连线工程施工现场经过不同胶粉掺量的橡胶沥青在190 ℃下的喷洒试验发现，当胶粉掺量>18%时，橡胶沥青很难喷洒均匀，形成条带状，因此橡胶沥青粘结层的最佳胶粉掺量宜控制在15%。

在施工现场对未进行处理的水泥混凝土界面洒布不同量的橡胶沥青(胶粉掺量15%)，进行了现场拉拔试验，试验温度：40 ℃，加荷速率10mm/min。结合室内试验结果并综合考虑现场因素，洒布量定为1.2～1.8kg/m2，间隔0.3，试验结果见图4。从图4可以看出，橡胶沥青粘结材料未处理的界面结构中拉拔强度较好，在1.2～1.8kg/m2的洒布量范围内，40 ℃的拉拔强度超过了0.08MPa，比室内试验的结果较好，当洒布量在1.5kg/m2时拉拔强度最高，达到了0.081MPa。

图4 不同洒布量的橡胶沥青拉拔强度柱状图

2.2.5 几种粘结材料在不同界面处理方式下的拉拔试验分析

图5是通过不同界面处理方式，采用AF类二阶反应剂、SBS改性沥青、橡胶沥青(胶粉掺量为15%)三种粘结材料试样的拉拔试验。在几种界面处理方式中，橡胶沥青粘结材料的粘结强度变化不大，裸化最好，抛丸较差。主要是因为橡胶沥青存在未溶胀的颗粒，当界面粗构造不明显时，橡胶沥青的吸附效果较差。AF类二阶反应剂的粘结强度变化较大，抛丸及裸化处理最好，铣刨较差。可能是因为较粗的界面构造影响了AF粘结剂与面层的接触面积，层间存在孔隙，影响了粘结强度。也可以认为，在粗构造的界面使用AF类二阶反应剂存在一定的风险，界面孔隙的存在容易造成面层的水损坏。AF类粘结剂虽然是一种较好的粘结材料，但是此类粘结剂存在有机高分子的成分， 由于相似相溶的原因，容易腐蚀掉部分面层的沥青，产生不利的影响，如果抹量过大，影响更加严重。SBS改性沥青在几种界面处理方式中粘结效果都较好，铣刨处理方式略低，其他几种方式中拉拔强度均超过了橡胶沥青，是一种较好的层间粘结材料。综合拉拔对比试验，橡胶沥青或SBS改性沥青+刻槽处理的结构方案及AF粘结剂+抛丸处理的结构方案较好，在机械处理的基础上增加酸处理，糙化效果会更好。

图5 不同界面处理及不同粘结材料拉拔强度柱状图

3 结语

提高薄层复合式路面层间粘结强度的有效措施是对界面进行机械处理，为提高界面粗糙度，本文通过几种机械处理方式的对比研究，发现抛丸和刻槽是最有效的方式，抛丸适合机制砂和河砂水泥混凝土路面的界面处理，刻槽与酸洗组合适合河砂水泥混凝土路面的界面处理。

粘结材料采用橡胶沥青或SBS改性沥青，界面处理方式采用刻槽加酸洗的处理方式能有效提高薄层复合式路面层间粘结强度和抗剪能力。

[1]袁 明，凌天清，张睿卓，等.复合式路面层间剪应力分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(6)：1318-1322.

[2]王朝辉，王选仓.复合式路面沥青混凝土层压缩量研究[J].公路，2007(7)：103-108.

[3]王朝辉，王选仓，徐 伟，等.复合式路面沥青混凝土加铺层设计方法探讨[J].公路，2007(6)：96-100.

[4]李 盛，刘朝晖，李宇峙.刚柔复合式路面沥青层荷载疲劳损伤特性及开裂机理[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，44(9)：3857-3862.

[5]李祖仲，王伯禹，陈栓发.轴载对复合式路面应力吸收层荷载应力的影响[J].长安大学学报(自然科学版)，2012，32(1)：20-25.

Study on Interlayer Adhesion Technology of Thin-layer Composite Pavement

LIU Ding-qing，HE Li-ping，LIU Shu-lin，LIU Le-ping

(1.Guangxi Highway Administration Bureau，Nanning，Guangxi，530021； 2.Guangxi Transportation Re-search Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Regarding the interlayer adhesion problem of thin-layer composite pavement，this article studied the interlayer adhesion technology by using different interface treatment approaches and different interlayer adhesion material systems.The results showed that：the interface treatment of pickling and notch groove，combined with SBS modified asphalt or rubber asphalt adhesion material，can effectively improve the inter-layer adhesion strength and shear strength of thin-layer composite pavement.

Composite pavement； Interface treatment； Rubber asphalt； Shear strength； Interlayer adhesion technology

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.005

1673-4874(2015)06-0018-04

2015-04-05

刘定清，工程师，主要从事高速公路规划、建设和管理等工作;

何立平，博士，高级工程师，主要从事道路工程、水运工程等相关工作;

刘姝麟，硕士，助理工程师，主要从事水运工程材料、检测等工作;

刘乐平，博士，工程师，主要从事道路材料、水运工程材料研究工作。