瀝青路面坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料的性能

，家偉， ，，

(1.陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 渭南 714000； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 3.包頭市公路局，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

1 引 言

在外界荷載、溫度、水等因素作用下，瀝青路面表層的裂縫、松散、龜裂、沉陷等逐漸演化成尺寸各異的坑槽。修補(bǔ)頻率高、材料用量少和運(yùn)輸距離遠(yuǎn)等施工特點(diǎn)增加了坑槽修補(bǔ)難度。現(xiàn)有的坑槽相關(guān)研究主要集中在修補(bǔ)材料及修補(bǔ)工藝等方面[1-3]，亟待完善。坑槽修補(bǔ)后，由于修補(bǔ)材料與原路面材料間粘結(jié)力不足，易導(dǎo)致在界面結(jié)合處發(fā)生破壞，并具有側(cè)面破壞居多、底層破壞占少數(shù)的特點(diǎn)，兩種破壞形式均與界面結(jié)合處的力學(xué)特性相關(guān)。

道路研究工作者針對坑槽修補(bǔ)作業(yè)進(jìn)行了許多研究，但針對坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料的專項(xiàng)研究相對較少。王發(fā)洲等[4]通過分析硅酸鹽水泥與陽離子乳化瀝青顆粒的相互作用機(jī)理，提出了兩者的相互作用模型。梁星敏等[5]研究不同TLA摻量對改性瀝青高溫、低溫性能的影響，并提出了TLA的合理摻量范圍。王振軍等[6]通過研究半剛性面層復(fù)合材料漿體-集料界面的硬度及影響因素，認(rèn)為礦粉、水泥基集料類型均對其粘結(jié)有影響。祝斯月等[7]研究高粘改性瀝青關(guān)鍵指標(biāo)對排水瀝青混合料性能的影響，提出了評價(jià)高粘改性瀝青的關(guān)鍵性指標(biāo)。郭寅川等[8]對比分析普通瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青粘層材料，提出以不同溫度下的抗剪強(qiáng)度作為評價(jià)依據(jù)。武建民等[9]針對瀝青面層與水泥穩(wěn)定碎石基層的層間粘結(jié)問題，從選擇性滲透理念出發(fā)，研發(fā)出兼具滲透性能和層間粘結(jié)性能的高粘性透層油。張慶等[10]通過圖像分析軟件對水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的黏附性進(jìn)行量化，表明水性環(huán)氧樹脂可以很大程度上提高乳化瀝青黏附性，同時(shí)認(rèn)為水性環(huán)氧樹脂的具體配比對黏附性能有很大影響。沈凡等[11]開發(fā)出一種水泥-乳化瀝青-水性環(huán)氧樹脂復(fù)合膠結(jié)鋼箱梁橋面鋪裝材料，并圍繞材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能展開研究。

對于較嚴(yán)重的坑槽病害，應(yīng)采取罩面和銑刨罩面等方法進(jìn)行處理。本文主要針對局部坑槽病害或病害不甚嚴(yán)重的情況，側(cè)重于對坑槽修補(bǔ)界面粘結(jié)料的研究。坑槽修補(bǔ)界面結(jié)合層是修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的特定組成部分，由此確認(rèn)坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料開發(fā)及界面特性分析具有重要意義[12]。

2 粘結(jié)料剪切性能與拉拔性能及實(shí)施方案

2.1 材料和試驗(yàn)方案

將文獻(xiàn)[13-15]作為本文試驗(yàn)相關(guān)分析的參考。

剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，其中，剪切試驗(yàn)采用45°斜剪；界面粘結(jié)料類型有3種，包括SBS改性乳化瀝青、WEA型粘結(jié)料和CWEA型粘結(jié)料；試驗(yàn)采用的路面結(jié)構(gòu)組合形式為50mm修補(bǔ)層(AC-13)+粘結(jié)層+50mm原路面層(AC-16)，均為瀝青混合料熱補(bǔ)料；采用Φ100×100mm的圓柱形試件；粘結(jié)料的撒布劑量分別取為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8kg/m2；試驗(yàn)溫度分別為20℃、45℃和60℃；剪切速率設(shè)定為2mm/min，拉拔速率設(shè)定為20mm/min。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

剪切破壞和拉拔破壞均在層間發(fā)生，表明層間結(jié)合處為修補(bǔ)薄弱面，對其力學(xué)特性進(jìn)行分析。

2.2.1粘結(jié)料的撒布劑量及試驗(yàn)溫度對界面力學(xué)性能的影響 對于不同類型粘結(jié)料，材料強(qiáng)度隨撒布劑量的變化見圖1。在最佳撒布劑量條件下，材料剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系見圖2。圖1～圖2中的(s)、(p)分別代表材料的剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度。

圖1 不同粘結(jié)劑的強(qiáng)度與撒布劑量之間的關(guān)系 (a) SBS改性乳化瀝青粘結(jié)料; (b) WEA型粘結(jié)料; (c) CWEA型粘結(jié)料Fig.1 The relationship between strength and spreading content of bonding malerials (a) SBS modified asphalt; (b) WEA; (c) CWEA

圖2 不同粘結(jié)材料強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between strength and temperature

由圖1可知：

(1)在溫度、撒布劑量和粘結(jié)料類型一定的情況下，粘結(jié)料的剪切強(qiáng)度始終高于拉拔強(qiáng)度。主要原因是界面拉拔強(qiáng)度取決于粘結(jié)料性能，而抗剪強(qiáng)度不僅與粘結(jié)料黏彈性有關(guān)，還與混合料骨料界面間相互嵌擠、相互鎖合的摩阻效應(yīng)有關(guān)，二者的耦合作用使抗剪強(qiáng)度得到強(qiáng)化。

(2)溫度一定的情況下，隨著撒布劑量的增加，剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn)。由此可知，存在最佳撒布劑量，使粘結(jié)料的剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度取得最大值。最佳撒布劑量的確定原則是，在達(dá)到強(qiáng)度要求的同時(shí)最大程度節(jié)約成本。值得注意的是，當(dāng)溫度升高到60℃時(shí)，WEA型粘結(jié)料的最佳撒布劑量規(guī)律性發(fā)生了變化，主要原因是粘聚力隨溫度上升而急劇下降，界面過渡層的瀝青混合料出現(xiàn)松散，導(dǎo)致界面粘附、摩阻效應(yīng)退化，力學(xué)性能發(fā)生波動或重分布。因此，高溫條件下，WEA型粘結(jié)料不能很好地反映強(qiáng)度隨粘結(jié)料撒布劑量的變化規(guī)律。

由圖2可知：

(1)在最佳撒布劑量條件下，三種材料的剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度均在常溫下達(dá)最大值，隨著溫度升高，強(qiáng)度呈降低趨勢。降低的具體趨勢為前期緩和，后期加快。這一現(xiàn)象表明材料有感溫性，高溫下粘聚力的損失導(dǎo)致強(qiáng)度的損失。強(qiáng)度損失最快的是WEA型粘結(jié)料，60℃的剪切強(qiáng)度是45℃的0.275倍和20℃的0.178倍，對應(yīng)的拉拔強(qiáng)度分別為0.263和0.143倍；而CWEA型粘結(jié)料高溫剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度損失較小，性能比較穩(wěn)定。

(2)在最佳撒布劑量下，20℃時(shí)，WEA型粘結(jié)料剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均高于SBS改性乳化瀝青和CWEA型粘結(jié)料相應(yīng)的強(qiáng)度，但數(shù)值相差不大；45℃時(shí)，CWEA粘結(jié)料剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均超過SBS改性乳化瀝青的1.54倍和WEA粘結(jié)料的1.12倍；60℃時(shí)，CWEA型粘結(jié)料的力學(xué)強(qiáng)度均超過SBS改性乳化瀝青和WEA型粘結(jié)料的1.73倍。由此發(fā)現(xiàn)，溫度較低時(shí)，WEA型粘結(jié)料較傳統(tǒng)乳化瀝青材料能更好地充當(dāng)修補(bǔ)界面粘結(jié)劑；而溫度較高時(shí)，CWEA型粘結(jié)料兼具優(yōu)異的抗剪和抗拉性能，更適用于高溫地區(qū)瀝青路面坑槽修補(bǔ)。

2.2.2剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度之間的關(guān)系 瀝青混合料強(qiáng)度形成理論有傳統(tǒng)的表面理論和近代的膠漿理論。表面理論重在調(diào)整級配，加強(qiáng)粗集料骨架作用；膠漿理論則把重點(diǎn)放在增加瀝青稠度，增加礦粉用量上。其目的都是為了提高材料的抗剪切強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度。對于瀝青路面坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料，剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度之間的關(guān)系應(yīng)以此為切入點(diǎn)進(jìn)行分析。

調(diào)查表明，施工現(xiàn)場通常采用拉拔儀進(jìn)行拉拔強(qiáng)度檢測，但要檢測抗剪強(qiáng)度卻極為不便。為了能夠根據(jù)現(xiàn)場檢測的拉拔強(qiáng)度定性推斷并評價(jià)粘結(jié)料的抗剪性能，進(jìn)行瀝青混凝土坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料的抗拉與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析顯得重要且必要。

對上述三種粘結(jié)料，其15個(gè)剪切強(qiáng)度與15個(gè)拉拔強(qiáng)度之間對應(yīng)的關(guān)系均為線性相關(guān)關(guān)系，且R-square均大于0.98。由此，對三種材料的45組剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度數(shù)據(jù)作歸一化處理，以提高所得結(jié)論的適用范圍，三種材料組合后的擬合結(jié)果如圖3。

圖3 三種粘結(jié)料剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship of shearing strength and pulling-off strength among three kinds of bonding material

由圖3可知：剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度依然呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系，且R-square大于0.98。由于剪切強(qiáng)度還與界面結(jié)合處骨料的嵌擠作用相關(guān)，擬合出來的公式可能不具很強(qiáng)的代表性，但拉拔強(qiáng)度在一定程度上能夠反映出剪切強(qiáng)度的大小。同等條件下，拉拔強(qiáng)度高的粘結(jié)料，其抗剪強(qiáng)度也高。

2.2.3坑槽修補(bǔ)實(shí)施方案 結(jié)合工程實(shí)際，坑槽修補(bǔ)界面粘結(jié)料應(yīng)具有良好的粘結(jié)吸附能力，能有效填充界面過渡層的微細(xì)觀孔洞、缺陷，防止雨水通過補(bǔ)縫滲透進(jìn)入基層加劇路面水害破損，但其噴灑工藝對界面粘結(jié)質(zhì)量的影響巨大，因此，對于不同性質(zhì)材料應(yīng)采用不同的噴灑工藝。首先，噴灑過程中需嚴(yán)格控制噴涂用量。若用量不足，補(bǔ)縫界面則無法有效粘合，無法形成封閉的防水隔離層；而若用量過多，垂直補(bǔ)縫粘結(jié)料極易在槽底淤積，修補(bǔ)后泛油現(xiàn)象嚴(yán)重，且界面易形成富油層，多余的粘結(jié)料非但沒有粘結(jié)效果，還會起到潤滑作用。其次，撒布時(shí)需根據(jù)試驗(yàn)確定的材料固化時(shí)間和固化溫度，合理控制施工準(zhǔn)備工作，固化時(shí)間的長短和固化溫度的高低對修補(bǔ)效果、粘結(jié)強(qiáng)度也有很大影響。

3 結(jié) 論

1．當(dāng)試驗(yàn)溫度在20℃和45℃時(shí)，SBS改性乳化瀝青、WEA型與CWEA型粘結(jié)料最佳撒布劑量分別確定為0.6、0.5和0.6kg/m2，但當(dāng)溫度升高至60℃時(shí)，三種粘結(jié)料最佳撒布劑量皆為0.6kg/m2。

2．隨溫度升高，三種坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料的剪切強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度衰減程度的大小順序?yàn)椋篠BS改性乳化瀝青> WEA型> CWEA型，這表明CWEA型粘結(jié)料高溫抗剪、抗拉性能最佳，SBS改性乳化瀝青最差。

3．相對于傳統(tǒng)乳化瀝青材料，WEA型粘結(jié)料可更好地用作非炎熱地區(qū)坑槽界面修補(bǔ)結(jié)合劑，而CWEA型粘結(jié)料在高溫時(shí)兼具優(yōu)異的抗剪和抗拉性能，適合于高溫濕熱地區(qū)瀝青路面坑槽修補(bǔ)。

4．剪切強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度之間均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)受限于現(xiàn)場試驗(yàn)，無法進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，可用拉拔強(qiáng)度對其進(jìn)行預(yù)估，有極大的便捷性。