热沥青在不同界面间的层间粘结性能分析

刘 靖，张劲泉，郝庚任（.交通运输部公路科学研究院，北京00088；.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海0804）



热沥青在不同界面间的层间粘结性能分析

刘 靖1，张劲泉1，郝庚任2
（1.交通运输部公路科学研究院，北京100088；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

摘要：为了评价热沥青层间粘结油的实际效果和最佳洒布用量，利用砖面粘结强度拉拔法和拉拔模具，对SBS改性沥青，橡胶沥青，TB沥青，TB复合改性沥青，ESSO70#基质沥青这5种热沥青在钢-沥青混凝土界面，沥青混凝土-沥青混凝土界面，水泥混凝土-沥青混凝土界面间的层间粘结性能进行了对比分析。研究结果表明：5种热沥青在不同的界面上均有较好的粘结强度，其中SBS改性沥青的粘结强度最佳，而且热沥青在不同界面上的最佳沥青用量都介于0.6 ～ 0.8 kg·m-2。

关键词：热沥青；层间粘结强度；拉拔试验；钢界面；沥青路面；水泥混凝土路面

我国公路沥青路面结构设计，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算[1]，弹性层状体系理论有若干个基本假定，其中之一是层间接触面应完全连续[2]。若面层与面层，面层与基层之间的粘结状态改变，则层底最大主拉应变、最大剪应力、竖向压应变会发生显著改变，从而导致结构层发生拉裂、剪切、压密等破坏[3-4]，而路面层间能保持良好的层间连续状态是建立在足够的层间粘结强度上的。层间粘结强度主要体现在两个方面，即水平方向的抗剪切能力和竖直方向的抗拉拔能力。而目前多数研究对层间的抗剪强度指标做过详细计算，并提出了相应的强度指标[5]，但对于层间材料的粘结强度指标未提出明确要求，因此对层间竖向抗拉拔强度给出量化的计算分析很有必要。

粘层油在实际工程中应用很广泛：在钢桥面铺装沥青混凝土工程中，层间粘结是桥面铺装需要解决的诸多问题中的首要问题[6]；对于超薄沥青混凝土罩面，粘结层的良好处理至关重要[7]；混凝土桥面沥青铺装中的关键技术是铺装层与混凝土面板是否有良好的粘结性能[8]。而不同的界面情况必然会对粘层油种类和洒布量有不同的要求，但是现行的交通部公路沥青路面设计、施工规范对不同种类的粘层油只有一个推荐的喷洒量：0.3～0.6 L·m-2或0.4 L·m-2[9]。为此本文通过拉拔试验来评价5种常用的热沥青在钢-沥青混凝土、沥青混凝土-沥青混凝土、水泥混凝土-沥青混凝土3种工程中常见界面上的层间粘结性能，从而提出了不同工况下粘油种类的选择和最佳洒布量的确定。

1 材料与试验

1.1 材料

本研究中选用的热沥青主要有SBS改性沥青，橡胶沥青，TB沥青，TB复合沥青，ESSO70#基质沥青。前4种改性沥青都是在ESSO70#基质沥青的基础上，加入改性剂后，在实验室制备而成。制备方法：SBS改性沥青由ESSO70#外掺4.5%SBS在185℃高温下拌合而成；橡胶沥青由ESSO70#内掺18%40目废旧子午胎橡胶粉在185℃高温下拌合而成；TB改性沥青由内掺20% 40目废旧子午胎橡胶粉在200℃高温反复剪切拌合而成；TB复合改性沥青由所述TB沥青外掺1.5%SBS在185℃高温下拌合而成。

根据《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对ESSO70#基质沥青和各改性沥青进行指标检测，其主要指标可见表1与表3。改性剂SBS的主要技术指标见表2。

表1 ESSO70#基质沥青的主要技术指标Tab.1 Property index of ESSO70# basic asphalt

表2 SBS材料的主要技术指标Tab.2 property index of SBS polymer

表3 各改性沥青的主要技术指标Tab.3 Property index of modified asphalt

1.2 试验设备与试验方法

目前还没有评价材料的粘结强度的标准方法，大多数学者都是利用MTS进行混合料间的拉拔试验拉检测层间材料的粘结强度大小[10]，或者自行开发拉拔仪，如长安大学申爱琴教授提出的部分自行设计的试验方法。本次试验采用的是砖面粘结强度拉拔法，砖面粘结强度拉拔法中的试验模型是实际路面结构粘结模型的一个简化。主要设备如图1、图2所示。

1.3 试验温度的确定

在拉拔试验中，层间破坏要么发生在界面间，要么发生在粘层间。界面间破坏属于粘附性破坏，而粘层间破坏属于内聚力破坏。本文侧重研究的是沥青与不同界面间的粘附性破坏，因此要尽量保证层间破坏发生在界面间。在研究温度变化对层间材料粘结强度的影响中发现：低温条件下更易导致粘结材料从底面界面处断裂。表4中给出的采用砖面粘结强度拉拔法测试的基于钢板底面的不同5种沥青材料在5℃水浴中的断裂面发生情况。

图1 砖面粘结强度拉拔仪与拉拔底座Fig.1 Instrument brick surface poll out test and base

图2 3种底座Fig.2 Three kinds of base

由实验数据得：5℃水浴中进行的拉拔试验有18/26的拉拔断裂面试发生在界面间，有4/26的断裂面发生在半沥青半界面处，另有4/26的断裂面发生的沥青自身。因此在5℃水浴条件下进行粘结强度拉拔试验能保证绝大多数破坏发生在界面间。综上所述，实验温度确定为5℃。

表4 不同五种沥青材料在5℃水浴中的断裂面发生处Tab.4 Fracture place for 5 kinds of hot asphalt in water bath at 5℃

2 试验结果与分析

2.1 钢-沥青混凝土界面粘结性能分析

试验底面选取钢面，成型前预先加热钢底面和拔头，加热钢底面的加热温度为100℃，改性沥青加热温度为180℃，基质沥青加热温度为150℃（选取不同的加热温度，一是便于热沥青摊铺均匀，二是防止沥青老化），成型模型，试验环境为5℃水浴。5种热沥青在不同洒布量下的粘结强度曲线如图3所示。

由图3可知在钢界面上SBS改性沥青的整体粘结效果明显优于其余4种，而且层间粘结强度随SBS改性沥青洒布量的增加逐渐增大。但是当沥青洒布量大于0.8 kg·m-2后，强度将不再增加。

2.2 沥青混凝土-沥青混凝土界面粘结性能分析

试验选取AC-13沥青混凝土作为底面，将成型好的AC-13混合料块切割成10 cm×10 cm×5 cm的沥青混合料块。摊铺热沥青前先将沥青混凝土底面和拔头加热，混合料底面的加热温度为60℃，这样便于热沥青能均匀的摊铺在沥青混凝土块上，拔头加热温度为120℃。改性沥青加热温度为180℃，基质沥青加热温度为150℃，待沥青能够完全自由流淌再开始洒布沥青成型模型。试验环境为5℃水浴，由实验所得数据可得5种类热沥青在不同洒布量下的粘结强度曲线如图4所示。

图3 在钢界面上五种热沥青随沥青洒布量的不同粘结强度变化图Fig.3 Five types of asphalt’s bond strength change with different asphalt spraying amount on steel surface

图4 在沥青混凝土界面上五种热沥青随沥青洒布量的不同粘结强度变化图Fig.4 Five types of asphalt bond strength change with different asphalt spraying amount on bituminous surface

由图4可知四种改性沥青在沥青混凝土界面上的粘结效果要明显优于ESSO70#基质沥青，而且当沥青洒布量大于0.6 kg·m-2后层间粘结强度不再有明显增加，因此可将0.6 kg·m-2作为该界面上的最佳沥青洒布量。与此同时，相比在钢界面，SBS改性沥青在沥青混凝土界面上并无十分明显的优势。

2.3 水泥混凝土-沥青混凝土界面间粘结性能分析

图5 在水泥混凝土界面上洒布量为0.6 kg·m-2时五种热沥青的粘结强度变化图Fig.5 Five types of asphalt bond strength change when the spraying amount of asphalt is 0.6 kg·m-2on concrete surface

由于五种热沥青在钢底面和沥青混合料底面上的最佳沥青用量都介于0.6～0.8 kg·m-2。所以在水泥面上只选取0.6 kg·m-2洒布量对这五种热沥青进行了粘结强度评价。

试验中先浇筑C35水泥混凝土试块，然后切割成10 cm×10 cm×5 cm的混凝土块。然后再将沥青混凝土底面和拔头加热，混合料底面的加热温度为60℃，拔头加热温度为120℃。改性沥青加热温度为180℃，基质沥青加热温度为150℃，沥青能够完全自由流淌再开始洒布沥青成型模型。待强度形成，采用砖面粘结强度拉拔法检测，试验环境为5℃水浴.由实验数据得5种类热沥青在0.6 kg·m-2洒布量下的粘结强度如图5所示。

由图5可知沥青洒布量为0.6 kg·m-2时5种热沥青在水泥混凝土面上的粘结强度强弱顺序依次是：SBS改性沥青>ESSO70#基质沥青>TB复合改性沥青>橡胶沥青>TB改性沥青。SBS改性沥青的粘结效果明显优于其余4种，且后面4种沥青的粘结强度差别并不是很大。

2.4 热沥青在3种界面间的粘结强度对比

因为这5种热沥青在钢底面和沥青混合料底面上的最佳沥青用量都介于0.6～0.8 kg·m-2，且本文在水泥面上只选取0.6 kg·m-2的洒布量进行实验。所以此处选择0.6 kg·m-2的洒布量下，不同界面上5种沥青的粘结强度进行对比分析，如图6所示。

由图6分析可得：

图6 0.6 kg·m-2洒布量下5种沥青在不同界面上的粘结强度对比Fig.6 Five types of asphalt bond strength change when the spraying amount of asphalt is 0.6 kg·m-2on different surface

1）4种改性沥青在不同的底面上的粘结强度具有一致性，粘结强度由强到弱顺序依次是SBS改性沥青>TB复合改性沥青>橡胶沥青>TB改性沥青。而且无论在哪种界面上，SBS改性沥青的粘结效果都是最好的。

2）总体看来，不同热沥青在沥青混凝土界面上的平均粘结强度要高于其他两个界面。这主要是由于热沥青能与原来沥青混凝土表面的沥青重新融合，从而增大了粘结强度。

3 结论

1）本文研究的5种热沥青中SBS改性沥青在3种界面条件下的粘结效果都是最好的，因此实际工程中SBS改性沥青的应用范围最广。

2）在钢界面和水泥混凝土界面上，SBS改性沥青的粘结强度要明显大于其他几种沥青，因此这两种界面间选择SBS改性沥青做粘层油最合适。同时在这两种界面间的最佳洒布量介于0.6～0.8 kg·m-2之间。

3）在沥青混凝土界面，4种改性沥青效果差异不大，可根据实际工程需要和经济性原则选取其中的一种作为粘层油，这4种改性沥青在沥青混凝土界面的最佳洒布量均为0.6 kg·m-2。

4）相同的沥青种类和洒布量条件下，钢界面和水泥混凝土界面下的平均粘结强度要小于沥青混凝土界面，因此这两种界面应该是工程中重点关注的界面类型。

参考文献:

[1]中华人民共和国交通部. JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

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[8]张占军，胡长顺，王秉纲.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构设计方法研究[J].中国公路学报. 2001，14（1）：56－59

[9]中华人民共和国交通部.JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[10]田小革,文湘,于斌.排水性沥青路面防水粘结层拉拔性能试验研究[J].交通科学与工程. 2012，28（1）：10－15.

[11]中华人民共和国交通部.JTG F30-2003公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2003.

(责任编辑 王建华)

Adhesive Property Evaluation of Hot Asphalt on Different Surface

Liu Jing1，Zhang Jinquan1，Hao Gengren2
(1. Highway Research Institute of the Ministry of Transport，Beijing 100088，China；2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：With cohesive force as the evaluation standard，drawing tests were carried out by using SBS modified asphalt，rubber asphalt，TB asphalt，TB compound modified asphalt and ESSO70# basic asphalt as tack coat oil to evaluate effects of the tack coat oil and the optimum asphalt content on steel surface，bituminous concrete surface and cement concrete surface. Results indicate that all kinds of hot asphalt exhibit excellent performance with SBS modified asphalt exhibiting the best adhesive performance. It finds out that the adhesive property of asphalt is improved greatly when the application amount ranges from 0.6 to 0.8 kg·m-2.

Key words：hot asphalt；adhesive property；drawing tests；steel surface；bituminous concrete surface；cement concrete surface

中图分类号：U414

文献标志码：A

文章编号：1005-0523（2016）03-0034-06

收稿日期：2015－01-18

作者简介：刘靖（1973—），女，高级工程师，博士，研究方向为沥青与沥青混合料。