黏層用氯丁膠乳與丙烯酸酯改性乳化瀝青研究

牛小玲(山西交通職業技術學院 工程管理系，山西 晉中 030619)

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黏層用氯丁膠乳與丙烯酸酯改性乳化瀝青研究

牛小玲
(山西交通職業技術學院 工程管理系，山西 晉中 030619)

為了得到性能優良的道路用黏結層材料，利用氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青制備一種黏結力強、柔性較好的材料。通過試驗確定了氯丁膠乳與丙烯酸酯在瀝青乳液中的摻配比例，并采用層間直剪試驗對材料在不同控制因素下的黏結性能及抗剪性能進行了試驗驗證。結果表明：氯丁膠乳與丙烯酸酯復合乳液與乳化劑的比例為1∶1、氯丁膠乳與丙烯酸酯的比例為2∶8時，制得的改性乳化瀝青各項性能最佳，且多項性能都有較大提升。

氯丁膠乳；丙烯酸酯；抗剪性能；黏結層

0 引 言

黏結層主要用于新建路面與水泥混凝土路面加鋪瀝青層或橋面鋪裝層的層間，其主要作用在于加強瀝青層間或瀝青與水泥混凝土路面間的黏結，從而使其成為一個整體。目前，最常見的黏結材料為乳化瀝青，部分采用熱瀝青及熱改性瀝青。然而，由于近年來交通量及軸載不斷增大，道路對黏層材料的性能提出了更高的要求，因此已有研究致力于對于乳化瀝青進行改性，從而提高其使用性能。

郭寅川等將普通瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青分別作為黏結層材料進行對比，結果表明3種材料的黏結性能均受溫度影響明顯，但其變化規律有所差異[1]。陳文龍研究了乳化劑復配比例和乳化劑、改性劑以及穩定劑的用量對改性乳化瀝青性能的影響，制備出了一種高性能乳化瀝青[2]。李自華用SBR改性乳化瀝青作黏結層材料，相比于未改性的乳化瀝青具有更強的黏結性及抗剪切性能[3]。長安大學張爭奇等采用剪切、拉拔等試驗，驗證環氧瀝青作為橋面結構防水黏結層的剪切、拉拔強度明顯優于其他類型材料[4]。徐立紅等比較了幾種不同防水黏結層材料的剪切性能及黏結性能，確定了新型橋面防水黏結材料AMP-100上鋪乳化瀝青撒碎石的防水黏結體系[5]。Randy C .West等對黏結層種類、用量、混合料類型、試驗溫度及法向壓力等因素對黏結性能的影響進行了分析，表明試驗溫度對路面層間黏結性能的影響最為顯著，黏結層種類及用量對黏結性能的影響有所差異[6]。蘇新國等對影響瀝青路面層間黏結性能的因素進行了對比分析，表明改性乳化瀝青作為黏結劑較普通乳化瀝青的層間黏結效果要好，且層間黏結強度隨溫度升高而降低[7]。常艷婷等通過剪切試驗和拉拔試驗，研究了不同環氧乳化瀝青配方、灑布量及溫度條件下的抗剪強度及抗拉拔強度[8]。東南大學顧興宇等通過有限元方法，分析了不同類型橋面防水黏結層的受力特點及其剪應力對鋪裝層各種參數(包括厚度、模量、水平荷載及胎壓等)的敏感性，提出了橋面黏結層的抗剪強度計算公式[9]。

本文利用氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青，制備得到一種黏結力強、柔性較好的材料作為道路用黏結層材料，并研究不同層間接觸狀態、不同溫度及不同荷載大小對氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青、乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青及熱拌瀝青作為黏結層的性能的影響。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

本文選擇SK90#瀝青作為基質瀝青，其技術指標如表1所示，采用陰離子乳化劑制備得到陰離子乳化瀝青的技術性質如表2所示。SBS改性乳化瀝青技術性質如表3所示。氯丁膠乳與丙烯酸酯膠乳pH值大于7，呈堿性。本文選擇AC-13級配成型層間剪切試件，級配曲線如圖1所示。

表1 基質瀝青技術性質

1.2 試驗方法

在尺寸為30 cm×30 cm×5 cm的水凝混凝土板上撒布一定量的黏層油，24 h后再加鋪瀝青混合料，用車轍輪碾儀碾壓成型，得到“5 cm水泥混凝土面板+黏層油+5 cm瀝青鋪裝層”的復合板，然后鉆芯取樣得到直徑為10 cm、高為10 cm的圓柱體試件，最后進行層間剪切試驗[10]。

表3 SBS改性乳化瀝青技術性質

圖1 AC-13級配曲線

考慮到不同界面類型對層間抗剪性能的影響，制備得到光面、毛面及刻槽3種不同界面類型的面板試件。

考慮到溫度對層間抗剪性能的影響，試驗選取3個不同溫度水平(-10 ℃、25 ℃、60 ℃)分別模擬低溫、常溫及高溫狀態下的層間狀態。

考慮到水對層間抗剪性能的影響，將復合試件分為浸水和未浸水2種情況，水溫選擇25 ℃，模擬常溫下的層間狀態。

考慮到不同軸載大小及剪切速率對層間抗剪性能的影響，層間剪切荷載配重選擇3種水平：0、0.7、1.4 MPa。剪切速率分別為5、10、15、20 mm·min-1，試驗溫度均為25 ℃。

2 結果與討論

2.1 黏結層材料的配比設計

采用層間直接剪切試驗對材料的黏結性能進行研究，試驗擬定氯丁膠乳、丙烯酸酯復合乳液與乳化瀝青的比例分別為0∶10、2∶8、4∶6、5∶5、8∶2、10∶0，其中氯丁膠乳與丙烯酸酯的比例分別選擇0∶10、2∶8、4∶6、5∶5、8∶2、10∶0，層間界面類型暫定毛面，試驗溫度為25 ℃，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同配比黏結層材料的黏結強度

圖2中，黏結強度1指氯丁膠乳與丙烯酸酯復合乳液同乳化瀝青比例不同引起的黏層油強度變化；黏結強度2指復合乳液中氯丁膠乳與丙烯酸酯的比例不同引起的黏層油強度變化。

由圖2可知，隨著復合乳液比例的增大，層間黏結強度先增大后減小，分別增長13%、25%、38%、20%、10%，考慮到性能增長幅度與成本問題，復合乳液與乳化劑的比例為1∶1是比較合適的。隨著氯丁膠乳在復合乳液中所占比例增大，其黏結強度呈下降趨勢，在氯丁膠乳與丙烯酸酯質量比為4∶6時降幅較大。這表明丙烯酸酯乳液對乳化瀝青黏結強度的改善較為明顯，而氯丁膠乳對黏結效果的改善效果不明顯。綜合考慮，將氯丁膠乳與丙烯酸酯的比例定為2∶8。

2.2 黏層油最佳用量的確定

層間灑布的黏層油不足會導致層間無法黏結在一起，抗剪強度低，而黏層油用量過大則會形成自由瀝青，起到潤滑作用，同樣導致層間抗剪強度低[11-12]。本文選取光面、毛面及刻槽3種不同界面類型的水泥混凝土面板制備剪切試件，根據已有研究，選擇黏層油用量分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 L·m-2進行層間直接剪切試驗，試驗溫度為25 ℃，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同界面類型及黏層油用量的層間抗剪強度

由圖3可知，隨著黏層油用量的增加，層間抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢，即黏層油存在最佳用量。因而根據選取的水泥混凝土面板紋理深度的不同，推薦光面水泥混凝土黏層油用量為0.4 L·m-2，毛面和刻槽水泥混凝土面板黏層油用量為0.6 L·m-2。

2.3 界面類型對層間抗剪性能的影響

由于水泥混凝土的表面紋理不同，所提供的摩阻力不同，故層間作用方式也有所不同[13]。本文選取光面毛面及刻槽3種不同界面類型的水泥混凝土面板成型剪切試驗所需試件并進行試驗，光面水泥混凝土黏層油用量為0.4 L·m-2，毛面和刻槽水泥混凝土面板黏層油用量為0.6 L·m-2，試驗溫度為25 ℃，試驗結果如圖4所示。

由圖4(a)可知，3種類型的界面層間抗剪性能從大到小依次為：刻槽、毛面、光面。這是由于層間抗剪強度是由摩阻力與黏結力共同提供，水泥混凝土表面紋理深度越大，層間越容易形成嵌擠結構；層間摩阻力越大，抗剪強度也越大[14]。由圖4(b)不同界面類型的混凝土層間剪切位移與剪切強度關系曲線可知，在相同加載速率及相同試驗環境條件下，層間剪切強度呈三段式分布：試驗前期在剪切位移從0到10 mm的過程中，剪切強度變化不大，這期間是儀器啟動后尋找力點的過程；待力點確定后，剪切強度隨位移增大呈線性增長趨勢，達到一個峰值，此時試件發生破壞；隨后層間剪切強度開始下降，不同層間接觸形式的剪切強度下降趨勢不同。由于毛面混凝土的成型工藝簡單，且抗剪切強度適中，故本文選擇毛面混凝土進行進一步試驗研究。

2.4 溫度對層間抗剪性能的影響

黏結層材料一般由瀝青材料或其他高分子材料組成，對溫度較為敏感，在低溫條件下呈脆性，而在高溫條件下表現出一定的流動性，這些都不利于層間黏結。故本文選擇氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青、乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青及熱拌瀝青分別作為黏結層材料，進行層間直接剪切試驗，分析環境溫度對層間抗剪性能的影響，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同溫度下黏層材料的抗剪強度

由圖5可知：溫度對層間抗剪性能的影響均比較顯著，當環境溫度從-10 ℃升高至60 ℃時，4種黏結層材料的層間抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢，在25 ℃左右達到峰值；其中氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青的抗剪強度優于其他黏結材料，尤其在低溫條件下，氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青的黏結性能比SBS改性瀝青高27%，比熱拌瀝青高21%。

2.5 水對層間抗剪性能的影響

瀝青路面長期暴露于自然環境下，容易受到雨水的損害，尤其在車輛荷載的反復作用下，雨水通過路面空隙滲入，到達層間界面，層間黏結材料在雨水的浸潤作用下容易失去原有的黏結性能。因此，本文對比了浸水和未浸水條件下不同黏結材料的抗剪切強度變化情況，試驗結果如圖6所示。

圖6 水對不同黏層材料抗剪性能的影響

由圖6可得，無論何種材料的黏結層，其層間抗剪強度在浸水條件下都有一定的損失，但氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青的抗剪強度損失較其他材料低20%～40%，表明復合改性乳化瀝青具有較好的抗水損害能力。

2.6 荷載對層間抗剪性能的影響

在不同的豎向荷載作用下，路面層間結構表現出的力學特性也有所不同，本試驗層間剪切荷載配重選擇3種水平(0、0.7、1.4 MPa)，用以模擬不同軸載對層間抗剪性能的影響，試驗結果如圖7所示。

圖7 不同荷載水平下黏層材料的抗剪強度

由圖7可以看出：隨著豎向荷載的增大，層間剪切強度隨之增大，這主要是因為豎向荷載的增大使得層間接觸狀態發生了變化，層間嵌擠作用更加顯著；在同樣荷載水平下，氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青的抗剪切強度均高于其他3種材料。

2.7 剪切速率對層間抗剪性能的影響

不同的剪切速率可以用來模擬不同行車速度對層間抗剪性能的影響。選取剪切速率分別為5、10、15、20 mm·min-1，豎向荷載為0.7 MPa。不同剪切速率下剪切試驗結果如圖8所示。

圖8 不同剪切速率下黏層材料的抗剪強度

由圖8可知，剪切速率對層間抗剪強度的影響十分顯著，層間抗剪強度隨著剪切速率增大而增大，當剪切速率由5 mm·min-1增大至20 mm·min-1時，氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青的層間抗剪強度增大了0.487 MPa，增長了近63.7%。

3 結 語

(1)綜合考慮，氯丁膠乳與丙烯酸酯復合乳液與乳化劑的比例為1∶1、氯丁膠乳與丙烯酸酯的比例為2∶8時的黏結效果最佳。

(2)根據選取的水泥混凝土面板紋理深度的不同，推薦光面水泥混凝土黏層油用量為0.4 L·m-2，毛面和刻槽水泥混凝土面板黏層油用量為0.6 L·m-2。

(3)層間界面類型對層間剪切強度具有顯著的影響，其抗剪強度由大到小依次為刻槽、毛面、光面。

在相同加載速率及試驗環境下，層間抗剪強度呈三段式分布。

(4)溫度對不同層間黏結材料抗剪性能的影響均比較顯著，當環境溫度從-10 ℃升高至60 ℃時，4種黏層材料的層間抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢，在25 ℃左右達到峰值，而氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青的抗剪強度優于其他類型的黏結材料。

(5)無論何種材料，其層間抗剪強度在浸水條件下都有一定的損失，氯丁膠乳與丙烯酸酯復合改性乳化瀝青材料具有較好的抗水損害能力；層間抗剪強度隨著剪切速率的增大而增大。

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[責任編輯:王玉玲]

Study on Neoprene Latex and Acrylate Modified Emulsified Asphalt for Tack Coat

NIU Xiao-ling
(Department of Engineering Management, Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Jinzhong 030619, Shanxi, China)

In order to obtain the excellent binder material for the road, a kind of adhesive material with strong adhesive strength and good flexibility was prepared by using neoprene latex and acrylate modified emulsified asphalt. The blending proportions of neoprene latex and acrylate in asphalt emulsion were determined by experiments. The adhesive properties and shear resistance of the material under different control factors were tested by interlayer direct shear test. The results show that when the ratio of the composite emulsion to emulsifier is 1∶1, and the ratio of neoprene latex to acrylate is 2∶8, the modified emulsified asphalt has the best performance, and multiple indicators are greatly improved.

neoprene latex; acrylate; shear resistance; tack coat

1000-033X(2017)06-0062-05

2016-12-18

牛小玲(1984-)，女，山西晉中人，研究方向為土木工程。

U414.03

B