鋼渣瀝青混合料薄層罩面層間剪切性能研究

羅 程，顏 峰，夏海廷,2，盧開宇，周 彬，馮明杰

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南省土木工程防災重點實驗室，昆明 650500；2.昆明理工大學民航與航空學院，昆明 650500；3.云南省公路科學技術研究院，昆明 650500)

0 引 言

預防性養護是在路面結構強度滿足要求，路表功能衰減的情況下，恢復路面功能的周期性養護措施。薄層罩面是預防性養護中的措施之一，它是在原有路面上加鋪薄瀝青面層，改善原有瀝青路面的使用質量，提高路面的防水、抗滑和平整度。薄層罩面厚度一般為2.5～3.5 cm，相比于普通罩面層，有良好的經濟效益。對于夏季高溫、多雨的山區道路[1]，罩面層在使用過程中容易產生推移、擁包、剝落、龜裂等病害[2]，對罩面層和黏結層的性能提出了更加嚴苛的要求[3-4]。選用優質的薄層罩面和黏結層材料，對于抵抗病害、提高罩面層耐久性有重要作用。

王選倉等[5]對粘層材料的剪切疲勞特性進行研究，提出了基于剪切疲勞的層間設計方法；張娟[6]對溶劑型粘結劑、水性瀝青基涂料和SBS改性瀝青三種不同防水粘層材料的剪切疲勞性能進行研究，發現應力比與疲勞壽命的對數呈良好的線性關系，并得出溶劑型粘結劑的疲勞性能最好；Yang等[7]對五種不同的層間結合狀態的疲勞壽命進行研究，得到了一種基于剪切疲勞模型和軸載換算方法的層間穩定性評價方法；Cho等[8]基于時-溫疊加原理，探究了混凝土路面的大范圍溫度下的粘結層剪切強度，提出剪切層強度的設計依據；Tozzo等[9]研究了瀝青與瀝青層之間的粘結性能，施加不同的橫向荷載，得出橫向應力與粘結層層間疲勞之間的關系。鋼渣作為集料在薄層罩面的應用研究，主要集中于鋼渣作為粗集料代替傳統集料。鋼渣與傳統集料相比，鋼渣有良好的耐磨、壓碎值好等特性，優于傳統集料[10]。通過設計不同的級配，探究鋼渣瀝青混合料的路用性能，并提出最佳代換率和級配曲線，對鋼渣應用于路面提供了參考[11]。鋼渣的應用對環境的保護，資源的有效利用起到促進作用。

目前對于薄層罩面與黏結層的層間剪切性能和鋼渣瀝青混合料的應用研究，主要集中在傳統的薄層罩面和黏結層的剪切性能的影響。在探究黏結材料用量、黏結劑的類型、溫度、周期性荷載和不同車輛的荷載等條件對黏結層的剪切性能的影響，并提出了控制指標和評價方法，以及鋼渣薄層罩面配合比設計方面，對鋼渣薄層罩面和表面層與黏結層的結合強度方面研究較少。本文主要對鋼渣瀝青混合料薄層罩面的路用性能，以及不同因素(溫度、構造深度、黏結材料用量和應力比)對黏結層的剪切性能進行研究。為鋼渣用于路面預防性養護及薄層罩面的層間抗剪切性能和疲勞性能提供試驗依據，為鋼渣瀝青混合料用于工程實踐提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

薄層罩面粗集料選用鋼渣，細集料采用石灰巖(0～5 mm)，采用SBS(I-D)改性瀝青；表面層選用石灰巖為粗集料，細集料采用石灰巖(0～5 mm)，采用70#基質瀝青。黏結材料采用SBR改性乳化瀝青。材料性能均符合規范要求，主要原材料的性能參數如表1～3所示。

表1 鋼渣及石灰巖粗集料性能Table 1 Properties of steel slag and limestone coarse aggregate

表2 鋼渣集料的化學成分Table 2 Chemical composition of steel slag aggregate

表3 SBR改性乳化瀝青技術指標Table 3 Technical index of SBR modified emulsified asphalt

1.2 瀝青混合料級配設計

本文參考國內SMA-10級配和美國瀝青路面協會(NAPA)薄層罩面技術指南[12]，設計了一種間斷級配的鋼渣瀝青混合料DG-10(Discontinuous grading 10)。圖1為瀝青混合料的級配曲線圖。表面層采用兩種不同配合比為AC-13C型的石灰巖瀝青混合料，模擬不同表面層構造深度,級配曲線如圖1(a)所示。如圖1(b)所示，這種級配不同于國內的SMA級配，不用摻加纖維、也不增加瀝青的使用量，采用馬歇爾方法確定鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量。

圖1 瀝青混合料的級配曲線圖Fig.1 Grading curve of asphalt mixture

通過配合比設計，最終確定鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.8%，表面層瀝青混合最佳瀝青用量為4.9%。

構造深度1表示構造深度為0.92 mm的表面層級配AC-13C-1；構造深度2表示構造深度為0.71 mm的表面層級配AC-13C-2。不同表面層的表面形貌照片如圖2所示。

圖2 不同表面層的表面形貌照片Fig.2 Surface topography images of different surface layers

1.3 試驗方案

1.3.1 試件制作方法

試件采用已經成型的車轍板通過鉆芯取樣得到100 mm直徑，高為90 mm的圓柱體試件，如圖3所示。先用高為50 mm的車轍板模具成型表面層，標好成型試件的碾壓方向，待試件冷卻后，涂刷改性乳化瀝青，靜置使改性乳化瀝青完全破乳之后，將試件按照碾壓方向裝回加工用的50 mm的車轍板模具內，用加工用的高為40 mm的薄層罩面模塊，裝在50 mm厚的車轍板模具上，鋪設罩面層，鋪設完成后，標清楚碾壓方向，將試件靜置1 d，用鉆芯機鉆取芯樣，標出芯樣的碾壓方向。做剪切試驗時，順碾壓方向做剪切試驗。

圖3 試件示意圖Fig.3 Schematic diagram of specimen

1.3.2 試驗方法

(1)薄層罩面的路用性能試驗，按照《公路工程瀝青及混合料試驗規程》(JTG E 20—2011)中(T 0709—2011)、(T 0729—2000)的方法進行馬歇爾穩定度、凍融劈裂強度、動穩定度試驗。

(2)直剪試驗，試驗溫度為25 ℃、40 ℃、60 ℃。灑布量為400 g/m2、600 g/m2、800 g/m2。抗剪強度試件尺寸是直徑為100 mm的圓柱形試件。在試驗規定溫度下，保溫4 h，進行剪切試驗，試驗加載速率為2.54 mm/min[13]。

剪切強度計算公式為：

τ=P/A

(1)

式中：τ為剪切強度，MPa；P為剪切破壞力，N；A為試件截面面積，mm2。

(3)剪切疲勞試驗，表4為在25 ℃時SBR改性乳化瀝青最佳用量條件下的黏結層抗剪強度，得到試件破壞的最大抗剪強度，剪切疲勞測試施加的力為相應試件最大抗剪強度的0.3倍、0.4倍、0.5倍和0.6倍，采用半正弦波[14]。剪切疲勞加載方式為：加載頻率為10 Hz[15]，設置接觸力為100 N。具體剪切試驗和剪切疲勞試驗的測試方式如圖4所示。剪切應力比與剪切疲勞壽命之間存在下列關系：

圖4 剪切試驗和剪切疲勞試驗的測試方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of shear test and shear fatigue test

表4 在25 ℃時SBR改性乳化瀝青最佳用量條件下的黏結層抗剪強度Table 4 Shear strength of adhesive layer under optimum dosage of SBR modified emulsified asphalt at 25 ℃

Nf=k(1/σ0)n

(2)

式中：Nf為剪切疲勞壽命，次；σ0為剪切應力比；k、n為回歸系數。

2 結果與討論

2.1 瀝青混合料的性能

圖5為薄層罩面DG-10和表面層瀝青混合料AC-13C的浸水馬歇爾穩定度、凍融劈裂強度和瀝青混合料動穩定度。薄層罩面DG-10的浸水馬歇爾穩定度48 h后有初始強度的86.16%，凍融劈裂強度比為85.94%，動穩定度為6 537次/mm。表面層瀝青混合料AC-13C-1的浸水馬歇爾在48 h后還具有初始強度的87%，表面層瀝青混合料AC-13C-2的浸水馬歇爾48 h后具有初始強度的83.85%，凍融劈裂強度比，表面層瀝青混合料AC-13C-1和AC-13C-2分別為80.07%和82.08%，表面層瀝青混合料AC-13C-1動穩定度為4 405次/mm，表面層瀝青混合料AC-13C-2動穩定度為3 890次/mm。薄層罩面DG-10和表面層瀝青混合料AC-13C的路用性能均符合規范要求，因鋼渣內部含有的鐵、錳等礦物，使得鋼渣粗集料的壓碎值和磨耗值低于普通石灰巖粗集料，鋼渣集料的表面多孔，呈現堿性，使得鋼渣集料與瀝青的粘附性好，所以鋼渣瀝青混合料的路用性能優于傳統石灰巖瀝青混合料的路用性能。

圖5 瀝青混合料的路用性能Fig.5 Road performance of asphalt mixture

2.2 黏結層的層間剪切性能

圖6為黏結層在不同溫度條件下的SBR改性乳化瀝青用量與剪切強度關系的擬合曲線。在三種不同溫度條件下，黏結層的剪切強度，隨著乳化瀝青用量的升高，先上升后下降。通過分析，不同構造深度和溫度條件下均存在最佳用量，對于構造深度1，在25 ℃、40 ℃和60 ℃溫度下，改性乳化瀝青的最佳用量分別為671 g/m2、621 g/m2和656 g/m2，對于不同溫度，黏結層的最佳改性乳化瀝青用量選為650 g/m2；對于構造深度2，在25 ℃、40 ℃和60 ℃溫度下，改性乳化瀝青的最佳用量分別為562 g/m2、550 g/m2和582 g/m2，不同溫度條件下，黏結層的最佳改性乳化瀝青用量選為560 g/m2。從圖6中看出隨著溫度的升高，最佳改性乳化瀝青用量的擬合曲線逐漸平滑，在高溫條件下，黏結材料的用量對黏結層的抗剪強度影響不顯著。

圖7為不同溫度、不同構造深度和不同SBR改性乳化瀝青用量條件下黏結層剪切強度圖，在溫度為25 ℃、40 ℃和60 ℃，SBR改性乳化瀝青用量為400 g/m2、600 g/m2和800 g/m2時，表面構造深度2的黏結層抗剪強度強度均高于表面構造深度1。表面構造深度1的黏結層抗剪強度強度與表面構造深度2相比，在SBR改性乳化瀝青用量為400 g/m2，溫度為25 ℃、40 ℃和60 ℃增幅分別為40%、32%、127%；在SBR改性乳化瀝青用量為600 g/m2，溫度為25 ℃、40 ℃和60 ℃增幅分別為42%、5%、86%；在SBR改性乳化瀝青用量為800 g/m2，溫度為25 ℃、40 ℃和60 ℃增幅分別為4%、10%、55%。在不同溫度條件下，以25 ℃下SBR改性乳化瀝青用量400 g/m2、表面層構造深度1的剪切強度作為基準強度(100%)，在溫度為40 ℃時，SBR改性乳化瀝青用量為400 g/m2、600 g/m2和800 g/m2時，不同構造深度的層間抗剪強度下降超過50%；在溫度為60 ℃時，SBR改性乳化瀝青用量為400 g/m2、600 g/m2和800 g/m2時，不同構造深度的抗剪強度下降超過80%。

圖7 不同溫度、不同構造深度和不同SBR改性乳化瀝青用量條件下黏結層剪切強度圖Fig.7 Shear strength diagram of adhesive layer under the condition of different temperatures,different texture depths and different dosages of SBR modified emulsified asphalt

綜上，隨著SBR改性乳化瀝青用量的增加，構造深度對抗剪切強度的影響降低。黏結材料對溫度敏感，因為瀝青從低溫到高溫，瀝青材料的狀態由低溫時的脆硬性固體、常溫時的黏彈性狀態到高溫時的流動狀態，其勁度模量降低，黏結作用降低，導致黏結層抗剪強度隨著溫度的上升，剪切強度迅速衰減，喪失黏結性能[16]。

圖8為黏結層剪切試驗后的斷口形貌照片，構造深度1和構造深度2隨瀝青用量的增加表面逐漸平整，內部所含的坑洞被黏結材料所填滿。不同的表面構造條件造成了其剪切強度不相同，其剪切的破壞原因不同。

圖8 黏結層剪切試驗后斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of adhesive layer after shear test

2.3 黏結層的剪切疲勞性能

圖9為在25 ℃時SBR改性乳化瀝青最佳用量條件下的黏結層剪切疲勞壽命，在加載力為剪切應力的0.3倍、0.4倍、0.5倍和0.6倍情況下，黏結層的層間剪切疲勞壽命隨應力比(應力比=疲勞試驗施加應力/最大剪切應力)的增大而降低。在應力比為0.4時相比于應力比0.3黏結層的層間剪切疲勞的壽命下降20%～40%，在應力比為0.5時相比于應力比0.3黏結層的層間剪切疲勞的壽命下降50%～70%，應力比為0.6時相比于應力比0.3黏結層的層間剪切疲勞壽命下降80%～90%。

圖9 在25 ℃時SBR改性乳化瀝青最佳用量條件下的黏結層剪切疲勞壽命Fig.9 Shear fatigue life of adhesive layer under the condition of optimum dosage of SBR modified emulsified asphalt and 25 ℃

圖10為25 ℃條件下應力比為0.3時，構造深度1和構造深度2的表面層層間剪切疲勞失效曲線。第一階段為初始變形階段，很少加載次數下，產生初始變形，持續時間短；第二階段為變形積累階段，此階段內剪切變形小，線段的斜率低，持續時間長；第三階段為破壞階段，此時應變迅速增加，斜率迅速增大，很少次數內迅速破壞，不同應力比的加載條件下均經歷以上三個階段。

圖10 在應力比為0.3時黏結層剪切疲勞壽命Fig.10 Shear fatigue life of the adhesive layer when the stress ratio is 0.3

3 層間剪切性能分析

3.1 黏結層的剪切破壞機理分析

圖11為路面黏結材料與表面層和薄層罩面的結構示意圖，在圖11中可以看出隨黏結層中SBR改性乳化瀝青用量的增加，薄層罩面和表面層之間的內部坑洞處逐漸被填滿，隨著用量的繼續增加黏結層獨自成為一個新的層，作用于薄層罩面與表面層之間。黏結材料對薄層罩面與表面層之間的作用，由開始時在表面層與薄層罩面接觸的集料處產生的集中力發生破壞，轉變為黏結材料與薄層罩面和表面層的共同作用，在坑洞處由SBR改性乳化瀝青提供黏結作用，提升了抗剪強度，隨著SBR改性乳化瀝青的用量上升，黏結材料與薄層罩面和表面層的共同作用轉換為黏結材料的層間作用，由于黏結材料的抗剪強度較低，剪切強度降低。

圖11 路面黏結材料與表面層和薄層罩面的結構示意圖Fig.11 Structure diagram of pavement binder,surface layer and thin overlay

圖12為構造深度1的黏結層剪切破壞微觀形貌圖。結合圖9可以看出，在構造深度1時，當黏結材料的用量為400 g/m2時，由于黏結材料用量過少，黏結層與薄層罩面和表面層之間的結合不夠，如圖12中(a)所示，黏結層的破壞主要發生在接觸點應力集中處，石料出現摩擦破碎的情況，導致了剪切強度降低；當黏結材料用量到600 g/m2，如圖12中(b)所示，黏結劑能更好的結合表面層和薄層罩面，剪切破壞主要發生在集料表面的瀝青膜發生脫落，由于集料的棱角性，部分區域會出現集料的摩擦破壞，在坑洞處，由于黏結材料填充完全，黏結材料發生剪切破壞，增強了坑洞處的受力，提高剪切強度；當黏結材料用量到800 g/m2，如圖12中(c)所示，此時黏結材料用量超過最佳用量，黏結材料會出現富裕，黏結層與薄層罩面和表面層結合的同時，黏結材料單獨成層，此時的剪切破壞主要發生在黏結材料自身破壞，這是因為黏結層將薄層罩面、表面層分離，黏結材料與薄層罩面和表面層的共同作用轉換為黏結材料的層間作用，黏結材料與薄層罩面和表面層的剪切力大于黏結層自身剪切力，導致了剪切強度降低，同時黏結材料留存在集料的表面[17-18]。

圖12 構造深度1的黏結層剪切破壞微觀形貌照片Fig.12 Microtopography images of shear failure of adhesive layer under the condition of texture depth 1

在構造深度2時，表面平整，涂刷黏結材料的表面層與薄層罩面的接觸面積大，黏結材料更容易與薄層罩面和表面層結合，與構造深度1相比，黏結材料用量較少時，黏結材料就可以起到很好的作用，達到更好的層間剪切強度。當黏結材料超過最佳用量后，隨著黏結材料用量上升，構造深度1和構造深度2的表面層層間剪切強度會趨近，原因是黏結層的單獨成層，黏結層的抗剪強度影響因素由黏結材料與薄層罩面和表面層的共同作用，變為黏結材料對抗剪強度影響，所以在黏結材料的用量上升后，不同構造深度的表面層層間剪切強度趨近。

圖13為25 ℃時不同改性乳化瀝青用量條件下黏結層剪切強度，從圖13可以看出，在黏結材料用量為600 g/m2時，黏結層的破壞位移最大和抗剪強度最好，并且構造深度小、接觸面積大的構造深度2的破壞位移整體高于構造深度1，可以更好地印證隨表面構造深度的減少、接觸面積增加黏結材料可以更好地與薄層罩面和表面層結合，在較少黏結材料用量條件下，可以達到更好的抗剪強度。

圖13 25 ℃時不同改性乳化瀝青用量條件下黏結層剪切強度Fig.13 Shear strength of adhesive layer under different dosage of modified emulsified asphalt at 25 ℃

3.2 黏結層的剪切疲勞破壞分析

表5和圖14分別為25 ℃時不同構造深度的表面層層間剪切疲勞壽命方程和表面層層間剪切疲勞壽命擬合曲線，k為擬合曲線的斜率，b為擬合曲線的截距[19]。從圖中可以看出不同構造深度的表面層剪切疲勞壽命與應力比之間的擬合曲線有良好的線性關系，對于表面構造深度2擬合曲線的斜率k高于構造深度1，說明構造深度2的表面層對于應力比的變化較為敏感，荷載對于構造深度2的表面層層間剪切疲勞壽命影響顯著。表面構造深度1擬合線的截距b值高于構造深度2，構造深度1的表面層剪切疲勞性能更好。

表5 25 ℃時不同構造深度的表面層層間剪切疲勞壽命方程Table 5 Interlaminar shear fatigue life equation of surface layers with different texture depths at 25 ℃

圖14 25 ℃時不同構造深度的表面層層間剪切疲勞壽命的擬合線Fig.14 Fitting lines of interlaminar shear fatigue life equation of surface layers with different texture depths at 25 ℃

4 結 論

(1)表面構造深度為0.92 mm的最佳改性乳化瀝青用量為650 g/m2，表面構造深度為0.71 mm的最佳改性乳化瀝青用量為560 g/m2。不同構造深度的瀝青路面表面層，隨著接觸面積的增大，黏結材料的用量減少，黏結層剪切強度增加。在具體的道路施工過程中可以依據不同路段，不同表面層的構造深度選用合適的黏結材料用量，達到更好的經濟效益。

(2)黏結層間的破壞是在構造深度和黏結材料用量共同作用下，受層間接觸面積對剪切強度的影響。不同構造深度的剪切強度，隨黏結材料用量的上升，層間剪切強度會逐漸接近，構造深度對層間剪切性能的影響減弱。黏結材料對溫度很敏感，隨著溫度的上升，黏結層的剪切強度迅速衰減，抗剪強度喪失。

(3)通過疲勞試驗發現黏結層的剪切疲勞壽命隨應力比的增加，剪切疲勞壽命迅速衰減，黏結層的剪切疲勞性能對應力敏感。表面構造深度為0.92 mm的剪切疲勞壽命方程為Nf=1 279.676(1/σ0)2.381 2，表面構造深度為0.71 mm的剪切疲勞壽命方程為Nf=427.956 9(1/σ0)2.817 6。