渗固粘层材料室内试验研究及性能评价

王端宜， 于泳潭

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510641)

沥青路面是中国高速公路路面的主要结构形式，现有的沥青路面厚度设计和计算体系均建立在层间连续的假设基础之上.尽管多年来道路行业一直在努力为沥青面层之间营造一个可靠的连续接触条件，但由于面层材料和现有粘层材料的自身固有性质，以及沥青面层作为施工平台受到的施工环境影响，这些努力并没有取得期望的效果[1-4].钻芯取样的结果显示，沥青面层层间脱离的比例较高，这在一定程度上影响了路面的使用寿命[5-7].本研究在已有水性环氧树脂路面抗滑封层研究成果[8-11]的基础上，进一步研究了水性环氧树脂-乳化沥青混合液作为沥青面层粘层的可行性，旨在通过室内试验提出一种新的渗固粘层(针对面层之间，并非基-面层之间)材料，以保证沥青面层之间的层间连续状态，同时优化路面结构层，提高路面结构的使用寿命.

1 试验

1.1 乳化沥青-水性环氧树脂混合液的配合比设计

试验所用的乳化沥青及水性环氧树脂技术指标均满足JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的技术要求.在已有水性环氧树脂路面抗滑封层研究成果的基础上(化学试验分析显示水性环氧树脂-乳化沥青混合液的固化黏结性能优异，其中环氧A，B组分的质量比为1∶3～1∶2时固化效果最优)，综合考虑，选择以下9种水性环氧树脂-乳化沥青混合液的配合比(质量分数，本文所涉及的配合比、掺量等均为质量分数)进行一系列相关试验；另外，考虑经济、适用、耐久等要点对配合比进行择优.水性环氧树脂-乳化沥青混合液配合比见表1.

表1 水性环氧树脂-乳化沥青混合液配合比

1.2 配合比选择

按照表1中的配合比，将水性环氧树脂A，B组分和乳化沥青混合均匀，分别对不同配比混合液进行渗透深度和渗水试验，并与未掺加环氧组分的单一乳化沥青(9#配比)作对比试验，每种配比混合液均做3组平行试验，结果取平均值.试验规程按JTG E20—2011，试验结果如图1和表2所示.

由图1可见，1#～8#配比混合液的渗透深度随水性环氧树脂掺量的减小而逐渐减小，与9#配比(单一乳化沥青)相比，1#～8#配比混合液的渗透深度均有所提高，提高幅度则各有差异，说明这几种混合液作用在沥青面层上的渗透性得到了不同程度的改善.从1#～5#配比混合液的渗透深度可以看出，随着水性环氧树脂掺量的递减，混合液渗透深度逐渐减小，并且减小的幅度较大；5#～8#配比混合液的渗透深度递减趋势不明显，原因是这几种混合液的水性环氧树脂掺量过少，对其渗透深度影响不大.因此从经济性和适用性考虑，5#配比混合液具有更好的推广性.

图1 不同配比混合液的渗透深度Fig.1 Penetration depth of mixtures with different mix proportions

由表2可见：1#～5#配比混合液固化后不透水，6#～8#配比混合液有轻微透水现象，9#单一乳化沥青固化物透水严重.水性环氧树脂-乳化沥青混合液的固化物具有很好的防水优势，随水性环氧树脂掺量的增加其防水效果显著增强，但在一定水性环氧树脂掺量范围内，该固化物始终处于不渗水状态，说明过多掺加水性环氧树脂对固化物渗水性并无改善.从经济角度考虑选择5#配比混合液就能足够保证粘层材料的防水性能.因此，初定5#配比混合液作为粘层材料研究的配比，即：w(乳化沥青)∶w(环氧组分A)∶w(环氧组分B)=80%∶6%∶14%.

2 渗固粘层材料的路用性能试验及性能评价

2.1 加速加载试验

2.1.1试验方案

为真实模拟行车荷载对施工后渗固粘层表面的磨耗作用效果，采用自主研发的路表面功能加速加载试验系统对固化后的粘层进行加速加载磨耗试验[10-11].加速加载试验一次性可以放置8块弧形板(平面尺寸为30cm×30cm)，因此，为了与现有粘层(乳化沥青碎石)路用性能进行比较，特成型8块弧形车辙板，其中4块弧形板表面均匀涂抹由 1.20kg/m25#配比混合液与1.50kg/m23～5mm碎石组成的粘层材料，简称渗固粘层试件；另外4块弧形板表面均匀涂抹由1.20kg/m2单一乳化沥青(9#配比)与1.50kg/m23～5mm 碎石组成的粘层材料，简称普通粘层试件.待8块车辙板表面粘层固化后进行加速加载试验.

2.1.2渗固性能评价方法及结果

加速加载试件在试验过程中受轮胎压力、摩擦力以及惯性离心力的作用，比实际粘层面受力状况更为苛刻，研究不同加速加载阶段涂抹粘层材料试件的抗剥落性可以反映其渗固性及耐久性能.本研究通过测量材料在经过不同加速加载作用次数n后的质量损失率wloss来表征其渗固性能.试件的质量损失率wloss由式(1)计算：

(1)

式中：mn为车轮加速加载作用n次后的粘层材料加弧形板质量；m1为粘层材料加弧形板的初始质量，m0为未涂抹粘层材料的弧形板质量.2组试件在不同加速加载作用次数后的质量损失率如图2所示.

图2 不同粘层试件的质量损失率随加速 加载作用次数的变化Fig.2 Specimens mass loss rate with different bonding layers changing with loading times

由图2可以看出：(1)随着加速加载作用次数n的增加，2种粘层试件的质量损失率都呈增加趋势；(2)作用5000次时，普通粘层试件的质量损失率较大，超过45%，当作用次数继续增加时，其质量损失率基本无变化，原因是经过5000次加速加载作用后轮迹带处的普通粘层材料已经基本损失完全，因此其后期的质量损失率基本保持不变；(3)对于渗固粘层试件，前期加速加载作用5000次时其质量损失率达13%，作用20000次后质量损失率递增趋势趋于平缓，作用110000次时，渗固粘层试件的质量损失率接近20%，远远小于相应普通粘层试件47%的质量损失率；(4)综合比较2种粘层试件，无论是前期质量损失率还是后期最终质量损失率，渗固粘层均损失较少，且损失较慢.可以预测施工作业车辆对渗固粘层的磨耗作用很小，因此渗固粘层表现出优良的渗固性能.

2.2 层间拉拔及剪切试验

渗固粘层除了要有优良的渗固性能外，还需与沥青面层具有良好的黏结效果，此种黏结效果是否满足使用要求是与传统乳化沥青碎石粘层(普通粘层)的层间结合能力对比而来.因此为研究渗固粘层的层间结合能力，开展了以下试验：渗固粘层与普通粘层的对比、撒布石料粒径的对比、撒布石料量的对比和撒布黏结剂用量的对比，通过以上对比试验比选出最优的粘层材料.对使用2种粘层材料的上下层沥青面层结合试件各成型3组，其抗剪强度、抗拉强度取均值.具体试验数据及分析如下：层间黏结剂用量不同时，固定石料用量和石料粒径范围(1.50 kg/m2的5～10mm碎石)；同理，石料粒径范围不同时，固定黏结剂用量和石料用量(1.20kg/m2黏结剂+1.50kg/m2碎石)；石料用量不同时，固定黏结剂用量和石料粒径范围(1.20kg/m2黏结剂+5～10mm碎石).图3～5是2种粘层试件黏结性能的分析图.

由图3～5可见：(1)无论是抗拉强度还是抗剪强度，渗固粘层试件均远远高于普通粘层试件，说明渗固粘层具有更好的层间结合能力.(2)随黏结剂用量的增加，渗固粘层试件及普通粘层试件的抗拉强度、抗剪强度均呈递增趋势，递增幅度则略有不同，其中渗固粘层试件的层间结合能力随黏结剂用量递增而增幅显著，即改变黏结剂用量对渗固粘层试件黏结性能的影响较大；相反，改变黏结剂用量对普通粘层试件黏结性能的影响不够明显，推断是因为普通粘层黏结剂(乳化沥青)本身黏结能力不强，即使通过改变黏结剂用量也无法弥补其黏结性能不足的缺陷.(3)石料粒径范围对粘层试件的黏结性能也有较明显影响，粒径偏细时粘层试件的层间结合能力低于粒径偏粗时.石料粒径及用量适当无疑是沥青混合料与粘层及基层结合面积的保证，通常认为同一石料用量下粒径偏细时层间结合面积偏大，传统的理念是该种粒径能有效保证层间结合面积.但是通过施工应用发现，3～5mm粒径的石料多被黏结剂淹没，即被黏结剂裹覆住，石料突出粘层面的高度不足，没能与沥青混合料形成接触面的有效结合，因此3～5mm粒径的石料偏细.施工实践发现 5～10mm 粒径的石料可以在很大程度上解决此种不足，而且采用5～10mm粒径石料时会有更好的层间结合效果.过于增大石料粒径同样没法保证层间结合面积，并且对试件黏结性能的提高不明显，因此不予提倡.(4)石料用量对2种粘层试件的层间结合能力影响不明显，其中渗固粘层试件的黏结性能对石料用量的变化较为敏感.

图3 黏结剂用量不同时2种粘层试件黏结性能对比Fig.3 Comparison of bonding capacity of bonding layers with different adhesive contents

图4 石料粒径不同时2种粘层试件黏结性能对比Fig.4 Comparison of bonding capacity of bonding layers with different gravel sizes

图5 石料用量不同时2种粘层试件黏结性能对比Fig.5 Comparison of bonding capacity of bonding layers with different gravel contents

本研究前期过程中亦广泛对比了几种传统粘层材料的路用性能，如热沥青、改性乳化沥青、煤油稀释沥青、高渗透乳化沥青等，发现这些粘层的渗固性能、层间抗拉及抗剪强度均远小于本研究中的水性环氧树脂-乳化沥青渗固粘层.限于篇幅，本文未作出详细对照，仅列出了使用最普遍的传统乳化沥青粘层作为对比.环氧树脂类主要用作钢桥面粘结层，其中以美国环氧和日本环氧最为常用，造价较高，本文使用少量水性环氧树脂-乳化沥青作为粘层油，相对于改性沥青类粘层油的造价略有提高，但因水性环氧树脂掺量较少，其造价并未显著提高，并且使用该渗固粘层的试件层间结合能力提高显著，有力保证了面层层间使用寿命.结合传统粘层材料结构组成参数，综合考虑经济性与实用性，本研究最终选定渗固粘层的黏结剂用量为1.20kg/m2，碎石用量为1.50kg/m2，石料粒径范围5～10mm.

3 结论

(1)通过渗透深度和渗水试验分析，从经济性和适用性考虑，选定粘层材料配比为：w(乳化沥青)∶w(环氧组分A)∶w(环氧组分B)=80%∶6%∶14%.通过加速加载试验发现该渗固粘层具有很好的渗固性能；层间剪切及拉拔试验结果显示该渗固粘层具有较高的抗拉强度和抗剪强度，最终推荐渗固粘层材料形式为：水性环氧树脂-乳化沥青的用量共1.20kg/m2，碎石用量1.50kg/m2，石料粒径范围5～10mm.

(2)本文基于一系列室内试验及分析，对沥青路面粘层材料进行了较深入的研究，并对其性能进行了准确评价.本文使用少量水性环氧树脂-乳化沥青作为粘层油，相对于改性沥青类粘层油的造价略有提高，但因水性环氧树脂掺量较少，其造价并未显著提高，并且使用该渗固粘层的试件层间结合能力提高显著，即最终得到的渗固粘层具有更好的路用性能，有力保证了面层层间使用寿命.因此可以作为新一代沥青面层间粘层材料.