沥青路面坑槽修补粘结料的性能

2019-01-05家伟

材料科学与工程学报 2018年6期

，家伟，，，

(1.陕西省高性能混凝土工程实验室，陕西渭南 714000； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055； 3.包头市公路局，内蒙古包头 014040)

1 引言

在外界荷载、温度、水等因素作用下，沥青路面表层的裂缝、松散、龟裂、沉陷等逐渐演化成尺寸各异的坑槽。修补频率高、材料用量少和运输距离远等施工特点增加了坑槽修补难度。现有的坑槽相关研究主要集中在修补材料及修补工艺等方面[1-3]，亟待完善。坑槽修补后，由于修补材料与原路面材料间粘结力不足，易导致在界面结合处发生破坏，并具有侧面破坏居多、底层破坏占少数的特点，两种破坏形式均与界面结合处的力学特性相关。

道路研究工作者针对坑槽修补作业进行了许多研究，但针对坑槽修补粘结料的专项研究相对较少。王发洲等[4]通过分析硅酸盐水泥与阳离子乳化沥青颗粒的相互作用机理，提出了两者的相互作用模型。梁星敏等[5]研究不同TLA掺量对改性沥青高温、低温性能的影响，并提出了TLA的合理掺量范围。王振军等[6]通过研究半刚性面层复合材料浆体-集料界面的硬度及影响因素，认为矿粉、水泥基集料类型均对其粘结有影响。祝斯月等[7]研究高粘改性沥青关键指标对排水沥青混合料性能的影响，提出了评价高粘改性沥青的关键性指标。郭寅川等[8]对比分析普通沥青、SBS改性沥青和SBS改性乳化沥青粘层材料，提出以不同温度下的抗剪强度作为评价依据。武建民等[9]针对沥青面层与水泥稳定碎石基层的层间粘结问题，从选择性渗透理念出发，研发出兼具渗透性能和层间粘结性能的高粘性透层油。张庆等[10]通过图像分析软件对水性环氧树脂改性乳化沥青的黏附性进行量化，表明水性环氧树脂可以很大程度上提高乳化沥青黏附性，同时认为水性环氧树脂的具体配比对黏附性能有很大影响。沈凡等[11]开发出一种水泥-乳化沥青-水性环氧树脂复合胶结钢箱梁桥面铺装材料，并围绕材料的组成、结构、性能展开研究。

对于较严重的坑槽病害，应采取罩面和铣刨罩面等方法进行处理。本文主要针对局部坑槽病害或病害不甚严重的情况，侧重于对坑槽修补界面粘结料的研究。坑槽修补界面结合层是修补结构的特定组成部分，由此确认坑槽修补粘结料开发及界面特性分析具有重要意义[12]。

2 粘结料剪切性能与拉拔性能及实施方案

2.1 材料和试验方案

将文献[13-15]作为本文试验相关分析的参考。

剪切试验和拉拔试验采用万能材料试验机，其中，剪切试验采用45°斜剪；界面粘结料类型有3种，包括SBS改性乳化沥青、WEA型粘结料和CWEA型粘结料；试验采用的路面结构组合形式为50mm修补层(AC-13)+粘结层+50mm原路面层(AC-16)，均为沥青混合料热补料；采用Φ100×100mm的圆柱形试件；粘结料的撒布剂量分别取为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8kg/m2；试验温度分别为20℃、45℃和60℃；剪切速率设定为2mm/min，拉拔速率设定为20mm/min。

2.2 试验结果分析

剪切破坏和拉拔破坏均在层间发生，表明层间结合处为修补薄弱面，对其力学特性进行分析。

2.2.1粘结料的撒布剂量及试验温度对界面力学性能的影响对于不同类型粘结料，材料强度随撒布剂量的变化见图1。在最佳撒布剂量条件下，材料剪切强度与拉拔强度随温度的变化关系见图2。图1～图2中的(s)、(p)分别代表材料的剪切强度和拉拔强度。

图1 不同粘结剂的强度与撒布剂量之间的关系 (a) SBS改性乳化沥青粘结料; (b) WEA型粘结料; (c) CWEA型粘结料Fig.1 The relationship between strength and spreading content of bonding malerials (a) SBS modified asphalt; (b) WEA; (c) CWEA

图2 不同粘结材料强度与温度的关系Fig.2 Relationship between strength and temperature

由图1可知：

(1)在温度、撒布剂量和粘结料类型一定的情况下，粘结料的剪切强度始终高于拉拔强度。主要原因是界面拉拔强度取决于粘结料性能，而抗剪强度不仅与粘结料黏弹性有关，还与混合料骨料界面间相互嵌挤、相互锁合的摩阻效应有关，二者的耦合作用使抗剪强度得到强化。

(2)温度一定的情况下，随着撒布剂量的增加，剪切强度与拉拔强度均呈现先增大后减小的特点。由此可知，存在最佳撒布剂量，使粘结料的剪切强度与拉拔强度取得最大值。最佳撒布剂量的确定原则是，在达到强度要求的同时最大程度节约成本。值得注意的是，当温度升高到60℃时，WEA型粘结料的最佳撒布剂量规律性发生了变化，主要原因是粘聚力随温度上升而急剧下降，界面过渡层的沥青混合料出现松散，导致界面粘附、摩阻效应退化，力学性能发生波动或重分布。因此，高温条件下，WEA型粘结料不能很好地反映强度随粘结料撒布剂量的变化规律。

由图2可知：

(1)在最佳撒布剂量条件下，三种材料的剪切强度与拉拔强度均在常温下达最大值，随着温度升高，强度呈降低趋势。降低的具体趋势为前期缓和，后期加快。这一现象表明材料有感温性，高温下粘聚力的损失导致强度的损失。强度损失最快的是WEA型粘结料，60℃的剪切强度是45℃的0.275倍和20℃的0.178倍，对应的拉拔强度分别为0.263和0.143倍；而CWEA型粘结料高温剪切强度和拉拔强度损失较小，性能比较稳定。

(2)在最佳撒布剂量下，20℃时，WEA型粘结料剪切强度和拉拔强度均高于SBS改性乳化沥青和CWEA型粘结料相应的强度，但数值相差不大；45℃时，CWEA粘结料剪切强度和拉拔强度均超过SBS改性乳化沥青的1.54倍和WEA粘结料的1.12倍；60℃时，CWEA型粘结料的力学强度均超过SBS改性乳化沥青和WEA型粘结料的1.73倍。由此发现，温度较低时，WEA型粘结料较传统乳化沥青材料能更好地充当修补界面粘结剂；而温度较高时，CWEA型粘结料兼具优异的抗剪和抗拉性能，更适用于高温地区沥青路面坑槽修补。

2.2.2剪切强度与拉拔强度之间的关系沥青混合料强度形成理论有传统的表面理论和近代的胶浆理论。表面理论重在调整级配，加强粗集料骨架作用；胶浆理论则把重点放在增加沥青稠度，增加矿粉用量上。其目的都是为了提高材料的抗剪切强度和破坏强度。对于沥青路面坑槽修补粘结料，剪切强度与拉拔强度之间的关系应以此为切入点进行分析。

调查表明，施工现场通常采用拉拔仪进行拉拔强度检测，但要检测抗剪强度却极为不便。为了能够根据现场检测的拉拔强度定性推断并评价粘结料的抗剪性能，进行沥青混凝土坑槽修补粘结料的抗拉与抗剪强度相关性分析显得重要且必要。

对上述三种粘结料，其15个剪切强度与15个拉拔强度之间对应的关系均为线性相关关系，且R-square均大于0.98。由此，对三种材料的45组剪切强度与拉拔强度数据作归一化处理，以提高所得结论的适用范围，三种材料组合后的拟合结果如图3。

图3 三种粘结料剪切强度与拉拔强度的关系Fig.3 Relationship of shearing strength and pulling-off strength among three kinds of bonding material

由图3可知：剪切强度与拉拔强度依然呈现线性正相关关系，且R-square大于0.98。由于剪切强度还与界面结合处骨料的嵌挤作用相关，拟合出来的公式可能不具很强的代表性，但拉拔强度在一定程度上能够反映出剪切强度的大小。同等条件下，拉拔强度高的粘结料，其抗剪强度也高。

2.2.3坑槽修补实施方案结合工程实际，坑槽修补界面粘结料应具有良好的粘结吸附能力，能有效填充界面过渡层的微细观孔洞、缺陷，防止雨水通过补缝渗透进入基层加剧路面水害破损，但其喷洒工艺对界面粘结质量的影响巨大，因此，对于不同性质材料应采用不同的喷洒工艺。首先，喷洒过程中需严格控制喷涂用量。若用量不足，补缝界面则无法有效粘合，无法形成封闭的防水隔离层；而若用量过多，垂直补缝粘结料极易在槽底淤积，修补后泛油现象严重，且界面易形成富油层，多余的粘结料非但没有粘结效果，还会起到润滑作用。其次，撒布时需根据试验确定的材料固化时间和固化温度，合理控制施工准备工作，固化时间的长短和固化温度的高低对修补效果、粘结强度也有很大影响。