水性环氧-SBR改性乳化沥青粘结料界面力学性质分析

2021-07-28张旭景徐义恒

材料科学与工程学报 2021年3期

张倩，张旭景，徐义恒

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055； 2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055)

1 前言

坑槽作为沥青路面常见病害，严重影响着沥青路面行车的安全性和舒适性[1]。坑槽冷补沥青混合料具有施工简单、维修方便、节能环保和不受天气影响等优点，已成为常温或低温条件下修补沥青路面坑槽的有效方式[2-3]。修补后的坑槽，在车辆荷载和温度荷载的复合作用下，边缘部位易出现较大的应力集中[4-5]，当新旧沥青混合料粘结界面力学强度不足时，会严重影响坑槽修补的质量和使用寿命[6]。

目前，对坑槽的研究主要集中在修补材料和施工工艺方面，关于路面层间粘结材料也有部分涉及，但针对坑槽修补界面粘结材料的专项性能研究尚不多见[7-8]。美国公路战略研究计划(SHRP)中关于沥青和路用性能两个领域的研究，涉及到实验研究坑槽修补的最佳方法[9]。英国道路与运输研究所研发出一种永久性冷铺路面材料(PCSM)，能应用于各等级路面的修补工程[10]。加拿大TCG材料公司通过将聚合物改性沥青、稀释剂、集料拌和研制成一种可储存式冷补沥青混合料, 通过调整矿料级配，可适用于不同场合的需要[11]。郑志涛等[12]针对沥青路面各种病害，将吸波材料作为一种添加剂直接与沥青混合料拌和，得到加热时间更短更快捷的路面养护材料。王银虎、黄晓明等[13]研发了一种常温固化的高性能树脂型材料，并针对不同路面病害，分别提出了简单且可操作的施工工艺。国内不少研究机构均对冷补沥青混合料的研发和性能开展过相关研究[14-16]。DU等[17-18]开发了一种具有良好粘结性能的乳化沥青透层油，并通过直剪试验验证其性能。郭寅川等[19]自行研发出多功能剪切仪，提出不同温度下的抗剪强度作为粘结料的评价指标。MOHAMMAD等[20]采用有限元理论分析了不同粘结材料的抗剪切性能。

鉴于此，以自主研发的水性环氧-SBR改性乳化沥青(SW)粘结料为研究对象，针对其在不同路面温度下的抗剪切、拉伸力学性质和冻融循环作用下的层间力学特性，展开坑槽修补界面粘结料的力学性质研究，为粘结料的推广应用及坑槽修补粘结界面力学研究提供参考。

2 坑槽修补料与原路面材料界面力学性质和粘结破损机理分析

2.1 坑槽修补粘结料界面粘结破损机理分析

修补界面是坑槽部位发生粘结破损的最薄弱区域，粘结料使新旧混合料成为一个连续体，故界面粘结强度取决于粘结料的粘结强度。粘结强度作为评价粘结料性能的宏观指标，建立在界面微细观粘结的基础上，因此，研究坑槽修补料与原路面界面微细观粘结机理，并分析界面破损机理，是开发高性能坑槽修补粘结料的基础。

理论上，旧路面沥青混凝土表面分布着微孔、裂隙、疏松等微损伤，喷洒的粘结料需具备一定的渗透作用，可以渗入并填充这些损伤部位；坑槽修补料在铺筑、碾压成型时，粘结料在旧路表(也即坑槽底面和侧壁)形成的一层粘结薄膜包裹，嵌入旧路面经打毛形成的凹坑中，坑槽修补结构交互粘结并咬合成整体[21]，如图1所示。

图1 坑槽修补界面模型 (a) 粘结料用量不足； (b) 粘结料过量； (c) 粘结料适量Fig.1 Pothole repair bonding interface model (a) inadequate dosage; (b) excessive dosage; (c) appropriate dosage

事实上，由于施工质量欠佳，加之新旧沥青混凝土材料之间的差异，造成两者矿料颗粒缩胀率不同、新旧混合料热膨胀系数有差别，引起修补结构粘结界面缩胀变形不同步。此外在荷载的作用下，坑槽修补界缝会因两种材料变形不协调而增大、加上材料自身存在的孔隙，为水渗入提供了条件。水渗入坑槽结构并累积，温度降低时，在集料和界面间产生诸多冻胀内应力，当内应力累加超过粘结料和混合料强度阈值时，会造成粘结界面破损；温度升高后，界面裂隙里的水消融，在冻胀应力的释放和外荷载作用下发生迁移。在温度-荷载-水交变作用下，粘结界面会损伤发育，加上水对沥青-集料界面的剥蚀，粘结界面上的裂隙、孔洞、微裂纹开始萌发、扩展、连通，最终形成较大规模的宏观破裂面。

2.2 坑槽修补粘结料界面力学性质及性能要求

已填补的坑槽是一种新拌混合料填入旧路面的特殊路面结构，存在着不同于常规路面结构的粘结修补界面，修补粘结料应具备以下特征：(1)具备足够粘结力：处于坑槽修补材料和原路面间的粘结层，作用是将两者牢固地粘结在一起，形成一个整体以共同抵抗外界荷载的反复作用，故应具备优良抗拉拔性能。(2)具备足够抗剪力：抗剪性能不足的粘结料用于路面后，使用中会出现推移、拥包、剥落、“两层皮”等病害，造成坑槽二次破坏，此类病害在车辆频繁启动、紧急刹车和长大纵坡路段的坑槽处更为严重。(3)优良的感温性能：坑槽修补粘结料大多以沥青作为基材，是具有感温性的沥青基材料，感温性引起的破坏包括高温时在外载作用下的层间滑移及中低温时的材料开裂。因此，能否抵抗温度变化对材料的影响，是本研究考核粘结料力学性质的重要标准。(4)具备一定防水能力：修补后的坑槽粘结界面是路面结构中易发生水损害的薄弱位置，尤其是车辆在雨天高速行驶时，轮胎挤压产生动水压力。若粘结料防水能力不足，水在压力作用下会沿侧缝进入坑槽结构，极易造成修补材料和原路面、集料与沥青的剥离，导致沥青混合料松散和坑槽修补结构二次破坏。此外，水会继续下渗进入基层并积累，浸泡后的基层极易产生唧浆、软化，引起整个路面结构承载力下降。所以坑槽修补粘结料必须具备一定的防水能力。

2.3 坑槽修补结构界面强度构成

坑槽修补结构包括修补材料、粘结料和原路面，是相互联结结构和材料单一结构概念的总和[22]，各材料的性质均会对坑槽修补结构层间性能产生影响。

有研究采用摩尔-库仑强度理论分析坑槽修补结构界面的抗剪强度和稳定性[23]，认为其强度特性符合式(1)，坑槽修补结构的界面抗剪强度主要由两部分组成，即修补料与原路面矿料颗粒间摩擦、嵌挤产生的摩阻力和粘结料提供的粘结力。

τ=C+σtanφ

(1)

式中，τ为层间抗剪强度；C为粘结料提供的粘结力；σ为由荷载产生的应力；φ为矿料间形成的内摩擦角。

3 坑槽修补粘结料界面力学性质试验设计

3.1 主要试验设备

参考岩土工程的斜剪试验，自制一种可配套万能试验机使用的斜剪模具(图2(a))；利用GDXA40/80型环境箱对试件进行温度控制，温控范围为-40 ℃～80 ℃；加载及微控采用CMT5504型电子万能试验系统。

粘结料拉拔强度采用直接拉伸试验测定，考虑到直接拉伸操作复杂、耗时较长、测试结果离散性大，本研究通过模型建立、有限元分析等方法，设计了一种间接拉伸装置，见图2(c)。

图2 力学性能试验装置 (a) 自制斜剪装置； (b) 直接拉伸装置； (c) 间接拉伸装置Fig.2 Testing device of mechanical properties (a) self-made oblique shear device; (b) direct pull-out device; (c) indirect pull-out device

间接拉伸试验的加载模型图见图3(b)，其中yz面为粘结料喷洒界面，xy面过圆柱体形心、且与yz面垂直相交。

图3 粘结料间接拉伸加载 (a) 间接加载试验； (b) 间接加载模型Fig.3 Indirect tensile test (a) loading; (b) loading model

3.2 试验方案

分别选用SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青和水性环氧-SBR改性乳化沥青(SW)作为坑槽试验的修补界面粘结料；修补结构试件为：50 mmAC-16修补层+粘结层+50 mm原AC-16路面层；采用φ100 mm×100 mm圆柱形试件；试验温度分别为10、45和60 ℃[24]；剪切速率设定为2 mm/min、直接拉伸速率设定为20 mm/min；间接拉伸试验温度分别为10 ℃和45 ℃[25]，控制加载速率为50 mm/min；粘结料洒布剂量分别为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 kg/m2。

冻融循环过程依次为：真空饱水15 min，恢复常压0.5 h，-20 ℃保持6 h，25 ℃恒温水浴7 h。循环次数分别取0、2、5、7和10次[26-29]。

4 坑槽修补粘结料界面力学性质试验结果及分析

试件均在粘结界面发生粘结失效破坏(见图4)，证实了界面是坑槽修补结构薄弱部位，表明坑槽修补界面粘结材料力学性质研究的意义。在水温双重因素引起的冻融循环作用下，修补界面作为路面修补结构的薄弱区域，会加速破坏[30]，因此本研究分别在干燥和冻融循环条件下分析粘结料的力学性质。

图4 试件破坏形式 (a) 直接拉伸破坏； (b) 间接拉伸破坏； (c) 剪切破坏Fig.4 Failure mode of samples (a) direct tensile failure； (b) indirect tensile failure； (c) shear failure

4.1 干燥条件下力学试验结果及分析

4.1.1粘结料用量对修补界面强度的影响从图5可以看出，随粘结料用量的增多，各界面强度值均呈先增后减的变化趋势，这表明粘结料存在最佳撒布用量，这一结论符合摩尔-库仑理论，在最佳用量下修补结构界面强度是由摩阻力和粘结力组成的最佳力学组合提供。试验结果显示当粘结料用量为0.6 kg·m-2时，SBR、SBS、SW三种材料在三种温度环境下均显现出最大界面强度。

图5 干燥条件下各温度时不同粘结料界面强度值与用量的关系 (a1,a2) 10 ℃粘结料剪切和直接拉伸强度； (b1,b2) 45 ℃粘结料剪切和直接拉伸强度； (c1,c2) 60 ℃粘结料剪切和直接拉伸强度； (d1,d2) 10 ℃和45 ℃粘结料间接拉伸强度Fig.5 Relationship between interface strength and the binders at different temperature under dry condition (a1,a2) 10 ℃； (b1,b2) 45 ℃； (c1,c2) 60 ℃； (d1,d2) 10 ℃ and 45 ℃

4.1.2粘结料种类对修补界面强度的影响图5中不同粘结料试件的界面粘结强度差异明显。三种温度下，SW粘结料的剪切、直接拉伸和间接拉伸强度值均高于另外两种粘结材料，以10 ℃为例：在最佳用量下，SW粘结料剪切强度值分别是SBR和SBS粘结料的1.12倍和1.20倍，直接拉伸强度分别是1.04倍和1.14倍，间接拉伸强度分别是1.02倍和1.16倍。表明在不同温度下，SW粘结料具有更优良的界面力学性质,且低于45 ℃时的间接拉伸试验与剪切和直接拉伸试验的规律相同。

4.1.3温度对修补界面强度的影响三种材料不同温度下界面强度值与用量的关系如图6所示。在最佳用量下,当温度由10 ℃升至60 ℃后，SBR粘结料剪切强度衰减了87%、直接拉伸强度衰减了97%，SBS粘结料剪切强度衰减了86%、直接拉伸强度衰减了96%，SW粘结料剪切强度衰减了83%、直接拉伸强度衰减了93%；当温度由10 ℃升至45 ℃后，三种材料的间接拉伸强度分别衰减了88%、87%和87%。温度升高后，三种材料界面强度值均大幅下降，表明三种材料温度敏感性均较高；相比之下，SW抵抗温度变化的能力优于SBR和SBS改性乳化沥青。

图6 干燥条件下三种材料不同温度时界面强度值与用量的关系 (a) SBR改性乳化沥青； (b) SBS改性乳化沥青； (c) SW型粘结料(下标1：剪切强度；下标2：直接拉伸强度；下标3：间接拉伸强度)Fig.6 Relationship between interface strength and spreading volume of the binders at different temperature under dry condition(a) SBR； (b) SBS； (c) SW (subscript1: shear strength; subscript2: direct tensile strength; subscript3: direct tensile strength)

图7 经多次冻融后的试样Fig.7 Samples after different freeze-thaw cycles

对于间接拉伸试验，当温度达到60 ℃时，试件粘结界面处的沥青混凝土会出现松散，引起界面粘附、磨阻效应退化，其力学性质指标发生波动或重分布，导致界面间接拉伸强度急剧下降且离散性较大，故该温度的试验结果可参考性较差，未进行对比分析。

4.2 冻融条件下力学试验结果及分析

三种粘结材料在冻融条件下的界面强度值及变化情况见表1和图8。随着冻融次数的增加，三种粘结料界面强度均有衰减，但经相同冻融循环次数后，SW粘结料剪切和间接拉伸强度始终高于SBR和SBS粘结料的界面强度。引入残留剪切强度和冻融劈裂比TSR进行量化，见式(2)、(3)：

(2)

(3)

表1 冻融循环条件下界面强度值Table 1 Interface strength under different freeze-thaw cycles

图8 三种粘结材料不同冻融循环次数下界面强度值变化 (a) 剪切强度； (b) 间接拉伸强度Fig.8 Variation of interface strength of the three binders under different freeze-thaw cycles (a) shear strength； (b) indirect tensile strength

表2数据表明，三种粘结材料的层间残留剪切强度和冻融劈裂比均随冻融次数的增加而减小，冻融10次后残留剪切强度和TSR大小依次均为：SW>SBS>SBR。