关于复合道面层间粘结剂研究

2021-01-28孙建国谭由容陈玉洁王秋云

黑龙江交通科技 2021年1期

孙建国，谭由容，陈玉洁，王秋云

(1.重庆交通职业学院路桥与建筑学院，重庆 402247；2.重庆交院和瑞检测工程有限公司，重庆 402247)

0 引言

随着复合道面“白改黑”施工养护工艺的大量应用，例如广场、机场、厂区、小区等路面大量采用这种复合道面。复合道面通常是加铺沥青层，且针对复合道面的设计规范都是假定道路各层间是连续的前提条件下进行，但实践中，沥青加铺层与水泥路面层间往往是不连续的，故路面性能与设计预估存在较大偏差。水泥路面上加铺沥青层使得层间剪应力和表层应力增加，利用有限元软件进行沥青混凝土面层力学分析可以得出，层间正好在剪应力最大附近，且剪应力随轴重增加而增大。当面层受较大水平荷载时，如层间粘结力较小，易出现疲劳裂缝，形成剪切性破坏；在长大纵坡或交叉路口及厂区、校区路段，由于车辆频繁制动启动，复合路面结构所承受的剪应力较大，层间抗剪强度不足，引起的路面病害也相应增多。因此，研究层间材料的性能，合理的选择加铺层层间粘接剂对于改善复合道路的抗剪能力、延长道面的使用寿命具有重要意义。

工程上常用的层间粘结剂有以下几种：乳化沥青、改性乳化沥青、环氧粘结剂等，马强曾针对“白改黑”路面结构，通过对比不同复合试件层材料环氧改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青和普通沥青，得出环氧改性乳化沥青的层间抗剪性能最好，本项目正就此基础进行研究，通过调试水性环氧树脂与乳化沥青的类型及掺配量找到最适宜的复合道面层间粘结剂，以提高复合道面面层的抗剪能力。

1 新型层间粘结剂的性能研究

选择沥青作为基础粘结剂，通过配制合适比例的水性环氧树脂、乳化剂及改性剂，同时加入性能可控的稳定剂，采用渗透锚固的方法将合成好的层间粘结剂(环氧改性乳化沥青类)固化在水泥混凝土面层上。待其上铺设高温的沥青混合料后能使粘结剂在高温条件下(100～150 ℃)充分固结，同时因环氧树脂是热固性材料，铺设后沥青混合物的热量可促进树脂的硬化，使其性能发挥得更快，加快加固了无机层和有机层的层间粘结的效果。因此，本研究以互溶固化的方法将配制好的层间粘结剂使下层水泥混凝土与上层沥青路面紧密结合，增强水泥混凝土基层和沥青路面有机层间的整体连续性，从而避免层间剥离、面层推移的问题。

本研究首先对某种水性环氧树脂、改性乳化沥青性能进行评价，再用掺加0、4%、6%和8%的水性环氧树脂与改性乳化沥青对掺，并进行不同水性环氧树脂掺量下粘结剂的拉拔试验、抗剪试验等验证，获得不同环氧树脂掺量下粘结剂使用性能变化规律。

1.1 水性环氧树脂性能评价

(1)材料固化时间

常温下初凝1 mm厚为16 h左右，2 mm为24 h左右；常温下完全固化时间1 mm厚为20 h左右，2 mm为30 h左右；

高温时固化迅速，140 ℃左右1 mm厚固化时间为15 min左右，2 mm为20 min左右。

图1 水性环氧树脂合成

(2)粘结性能检测

通过拉拔试验、斜剪试验研究了水性环氧的粘结性能，发现水性环氧具有良好的粘结性。

①常温下性能测试

水性环氧20 h基本完成固化，强度达到后期强度的80%。将涂抹均匀的拉拔试件及抗剪试件置于常温中固化，其性能测试结果如表1。

表1 常温下水性环氧基本固化后性能测试

②高温固化后性能测试

将涂抹均匀的拉拔试件及抗剪试件置于140 ℃左右环境中固化后，其性能测试结果如表2。

表2 高温下水性环氧基本固化后性能测试

通过对比常温和高温下的拉拔试验及抗剪试验，说明高温固化后的抗拉强度和抗剪强度较常温下的强度有所提高。厚度2 mm比1 mm各性能效果略有增加。

1.2 改性乳化沥青性能评价

丁苯SBR胶乳改性乳化沥青是在乳化沥青的基础上掺入丁苯SBR改性剂、改性偶合剂和其他助剂形成的复合材料，其保持了SBR改性沥青的良好温度稳定性、乳化沥青的良好施工性能和对结合面较强的粘结能力。故SBS改性沥青有较高的抗剪性能，使其低温抗裂性也比较好。本次试验采用丁苯SBR胶乳改性乳化沥青比单一采用乳化沥青做粘结剂抗剪强度提高10%～20%，拉拔试验强度提高15%左右。

1.3 水性环氧-改性乳化沥青粘结性能评价

本研究优选了几种沥青及A、B、C三种乳化剂进行配对实验，并以丁苯SBR胶乳进行改性。经试验，选取市面上某品牌沥青，分别在40%水与60%沥青、45%水与55%沥青、50%水与50%沥青组合下加入上述三种A、B、C三种乳化剂，A、C两种效果较为良好，其中A效果较稳定。在参入一定量的消泡剂、稳定剂后与某种水性环氧树脂溶液进行比例调配，优选最佳水性环氧-改性乳化沥青(以下简称新型层间粘结剂)配比。新型层间粘结剂固化时间，见表3。

表3 新型层间粘结剂固化时间表

1.4 新型层间粘结剂粘结性能检测

随着层间厚度的增加，抗拉拔性能及剪切性能效果改善不明显，同时节约成本等情况，本次试验将水性环氧树脂改性乳化沥青试验的厚度控制在1 mm。

表4 水性环氧基本固化后性能测试

试验过程中发现环境温度对试验结果有一定影响，常温(10～38 ℃)条件下试验结果较为稳定；当温度升高，乳化效果、破乳速度、储存稳定性等效果比低温时好。同时在较高温(60～75 ℃)条件下拉拔强度及抗剪轻度比常温下要低0.1～0.2 mP不等。

2 新型层间粘结剂与传统层间粘结剂性能比对分析

采用混合乳化法制备水性环氧-改性乳化沥青的新型层间粘结剂，通过微观形貌观察、固化成膜试验探究了水性环氧-改性乳化沥青的相容性，并对其在不同水性环氧掺量条件下进行基本性能测试。结果表明：6%水性环氧掺量下改性乳化沥青能较大幅提高了乳化沥青的粘结性能；在6%水性环氧掺量下的改乳化沥青贮存时间在25～45 min之间，共混乳液成膜相容性好，无明显颗粒析出。通过测试改性乳化沥青在不同水性环氧掺量下的力学性能，结果表明：改性乳化沥青在8%以上的水性环氧掺量时粘结性能提高不明显，且掺量越大贮存稳定时间越短。

同时，针对工程上常用的几种层间粘结剂：乳化沥青、改性乳化沥青、环氧粘结剂，分别在不同用量下试验检测对比粘结性能，结果如图2、图3。

图2 不同粘结剂抗剪强度对比

图3 不同粘结剂抗拉强度对比

实验表明采用此种新型粘结层材料具有优良的力学性能，可以改善水泥混凝土面板与沥青混合料之间的粘结，有效抵抗道路交通的影响，提高加铺质量。同时层间接触质量对复合式路面结构的弯沉影响很大，连续的层间粘结状态对减小路面弯沉也起着重要作用。为了提高加铺层的使用寿命，在设计和施工中应确保旧水泥混凝土路面板与地基之间的层间粘结条件。研究表明，系统的控制沥青、乳化剂、改性剂、水性环氧树脂等材料的选择及配比等参数，可有效改良和提高“白改黑”路面面层的结合状态和力学响应状态，并且对进一步指导沥青混凝土加铺层施工有实践应用意义。