薄層膠粉改性瀝青磨耗層層間粘結性能試驗研究

陳志偉

（河北交通投資集團有限公司 河北石家莊 050041）

與新建路面相比，在養護維修工程中的下承層存在或多或少的裂縫、微裂縫等病害，處理不當會引起下部裂縫向上反射，上部水分向下滲透的局面，通過大量研究發現[1]，良好的層間處治材料可顯著改善瀝青面層各結構層之間的接觸條件，起到承上啟下抗裂防水的作用，可以有效預防和推遲推移、擁包、剝離及水損壞等瀝青路面常見病害發生[2-3]，在很大程度上提升路面整體性能。因此，如何確保、提高薄層膠粉改性瀝青磨耗層的使用壽命和抗裂性能，其與下承層粘結效果的好壞是關鍵。本研究通過在抗裂磨耗層下面設置膠粉改性瀝青防水粘結層，擬充分利用膠粉改性瀝青良好的抗裂性能來緩解上述問題。本研究以AC-20瀝青混合料模擬原路面，以ARHM-10型膠粉改性瀝青混合料作為磨耗層，制作復合型試件，采用萬能試驗機和專用的剪切試驗工具對試件進行拉拔、直剪和斜剪試驗，研究了試驗溫度、瀝青灑布量、單粒徑玄武巖碎石灑布量等因素對層間粘結強度的影響規律，最后推薦出膠粉改性瀝青防水粘結層材料的最佳配合比。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

本次試驗選用膠粉改性瀝青（20%摻量）材料作為防水粘結層的膠結料進行試驗，基本性能及技術要求見表1。防水粘結層所用的碎石為通過7.2 mm～9.5 mm篩孔后所得的單粒徑玄武巖。

表1 膠粉改性瀝青（20%摻量）的主要技術指標

1.2 試驗方法

（1）試件制作

將AC-20瀝青混合料制作的GTM試件（直徑10 cm）對半切開，選取其中一半進行清洗、晾干后，首先將膠粉改性瀝青均勻涂抹在接觸面（將原試件兩端的粗糙面作為接觸面）上，其次迅速將單粒徑玄武巖碎石均勻撒布在熱瀝青上，最后將其放入GMT試模，隨后裝入ARHM-10型瀝青混合料在GTM機成型試件，如圖1所示。其中，本次試驗中對于膠粉改性瀝青涂抹量，是按瀝青的質量來計算的；單粒徑玄武巖碎石的撒布量，是通過試件截面的面積計算碎石用量，即試件的碎石撒布質量=布滿試件截面的碎石質量*相應的撒布比例。

圖1 試件制作

（2）試驗步驟

近年來，國內相關科研機構對瀝青混合料層間粘結強度的試驗方案以及檢測指標開展了大量的研究[2-5]，目前一般采用拉拔試驗、直接剪切以及斜剪試驗來檢測層間粘結強度。本次試驗研究的拉拔試驗參考了秦祿生在SBS改性瀝青黏層抗剪試驗研究中的試驗方案以及評價指標[5]；直接剪切以及斜剪試驗參考了李理在SBS改性瀝青防水粘結層材料試驗研究中的試驗方案以及評價指標[4]。

2 試驗結果分析

2.1 溫度對層間粘結強度的影響

按照表2中的試樣方案成型試件，但由于膠粉改性瀝青感溫性的特性，成型的試件極易在自重作用下破壞，導致不能準確測試出層間粘結強度。為比較不同方案的層間粘結效果，設定了拉拔試驗的測試環境溫度分別為：60℃、40℃、20℃。試驗結果如表2所示：

表2 層間拉拔試驗檢測結果（不同試驗溫度）

由上述實驗結果分析易得，隨著試驗測試溫度的升高，膠粉改性瀝青防水粘結層的拉拔強度均迅速降低，且當達到60℃的實驗測試溫度時，試件的層間粘結強度已經降至很低，這說明環境溫度對瀝青類防水粘結層材料的影響較大。

按照下表要求制作試件，進行層間剪切實驗。設定了剪切試驗的測試環境溫度分別為：50℃、60℃、70℃。試驗結果見表3。

表3 層間剪切試驗檢測結果（不同試驗溫度）

由上圖2.1可得，隨試驗溫度的不斷升高，膠粉改性瀝青粘結材料的層間直剪強度和45°斜剪強度實驗結果均呈現了降低趨勢。根據庫倫的內摩擦理論，隨試驗溫度的升高，瀝青的粘度下降，粘聚力c下降，而此時內摩擦角φ保持不變，粘聚力c對剪切強度的貢獻越來越小，內摩擦角φ所占比例越來越大，所以呈現出膠粉改性瀝青粘結材料抗剪切強度隨溫度升高而降低，從60℃升至70℃時膠粉改性瀝青的粘結性能下降遠大于從50℃升至60℃之間粘結性能的變化，在直剪試驗中的表現就是直剪強度從60℃升至70℃的降幅遠大于50℃升至60℃的降幅。而在斜剪試驗中，在內摩擦角φ和粘聚力c復雜的共同作用下，斜剪強度從50℃升至60℃的降幅大于60℃升至70℃的降幅。

2.2 瀝青灑布量對層間粘結強度的影響

防水粘結層的膠粉改性瀝青灑布量對層間粘結效果影響很大，膠粉改性瀝青用量少則粘結層無法形成連續整體的瀝青薄膜；用量多則粘結層會產生富油層導致層間發生潤滑現象。本試驗研究初步選定了1.2 kg/m2，1.4 kg/m2，1.6 kg/m2和1.8 kg/m2等4個粘結層瀝青用量，試驗溫度分別為層間剪切試驗60℃、拉拔試驗20℃。按照表4制作試件，并進行層間剪切以及拉拔試驗，得到膠粉改性瀝青灑布量與層間粘結強度的關系。根據試驗結果，可得出：

表4 層間粘結強度試驗檢測結果（不同瀝青撒布量）

①隨膠粉改性瀝青灑布量的增加，試件的直剪強度先增大后降低，在灑布量1.6～1.8 kg/m2達到最大值。主要原因隨著瀝青用量的增加，碎石被瀝青裹覆的程度越來越好，一定程度上減小其相對滑動的可能性，但當瀝青用量更大時，過多的自由瀝青會增加其滑動性，從而降低碎石間的嵌擠性。

②膠粉改性瀝青灑布量范圍內，試件的層間45°斜剪強度呈現先增大后減小的趨勢，在1.8 kg/m2達到最大值1652 kPa，可能是相對于45°斜剪強度來說，在膠粉改性瀝青達到1.8 kg/m2后，再度提高膠粉改性瀝青用量會產生自由瀝青增加層間的滑動性，從而降低層間剪切強度。

③隨著膠粉改性瀝青灑布量的增加，試件的拉拔強度不斷增大，在灑布量為1.6 kg/m2時達到最大，這是由于當瀝青含量較少時，瀝青難以在防水粘結層中形成整體的連續薄膜，故而層間拉拔強度較低，隨著膠粉改性瀝青用量的增多，膠粉改性瀝青開始在層間形成連續的瀝青薄膜，呈現出拉拔強度的增強。但當膠粉改性瀝青用量繼續增加后，試樣的拉拔強度開始降低，這說明膠粉改性瀝青含量在1.6kg/m2時已經達到飽和，瀝青用量的繼續增加會使得防水粘結層中產生自由的膠粉改性瀝青，對防水粘結層起到潤滑作用導致拉拔強度降低。

2.3 碎石撒布量對層間抗剪強度的影響

防水粘結層中的碎石不僅會增強層間的抗剪切能力，還會防止在鋪筑抗裂磨耗層時施工車輛對封層油膜的破壞，可見碎石對防水粘結層粘結效果的好壞起到重要作用。然而防水粘結層中碎石的撒布量則需要控制在一個合理的范圍之內，過多或過少的碎石撒布量均會對防水粘結層的應用效果產生負面作用。因此，本試驗研究選定了50%、55%、60%和65%等4個碎石撒布量，溫度為20℃，按照下表5制作試件進行了拉拔試驗，試驗結果如下表所示：

表5 層間拉拔試驗檢測結果（不同碎石撒布量）

由上表可知，隨7.2～9.5 mm單粒徑碎石撒布量的增大，膠粉改性瀝青層間拉拔強度均呈現先增大，之后又不斷減小變化規律，在撒布量為60%時出現拉拔強度峰值。

根據下表6制作試件，層間剪切試驗溫度為60℃，加載速率為50 mm/min，按照下表變化7.2～9.5 mm的單粒徑玄武巖碎石撒布量。

表6 層間剪切試驗檢測結果（不同碎石撒布量）

由表6可得出，隨7.2～9.5 mm單粒徑碎石撒布量的增大，膠粉改性瀝青層間粘結的直剪強度和45°斜剪強度均呈現先增大，之后又不斷減小變化規律。膠粉改性瀝青層間剪切強度的最大值均出現在在撒布量為60%時，分別為257 kPa和1480 kPa。這是由于當碎石撒布量過少時，過多的瀝青用量會出現泛油現象，富油層的出現會導致層間粘結效果降低，且碎石嵌入抗裂磨耗層的量太少也會導致層間拉拔強度降低。反之，過多的碎石撒布量會影響碎石嵌擠抗裂磨耗層內，形成層間碎石的架空現象，導致下承層與超薄磨耗層中間形成一層沒有粘結材料的夾層，會嚴重削弱抗裂磨耗層與下承層間的粘結效果，造成層間拉拔強度的減弱，嚴重影響超薄磨耗層的使用壽命。

3 施工工藝

3.1 銑刨及清掃銑刨面

在鋪設薄層膠粉改性瀝青混凝土時，應確保下承層的表面干凈、清潔、無浮塵。具體工作如下：用銑刨機銑去20 mm厚舊路面結構層，用機械鋼絲掃帚自行清掃殘余在銑刨面上的松散料；組織人工仔細清理粘附在銑刨面上的瀝青砂漿，直到銑刨面清潔、干凈、無松散顆粒為止；在撒布膠粉改性瀝青粘結層前，采用高壓吹風機認真吹除表面的浮塵。

3.2 粘結防水層施工

先期提前將膠粉瀝青預先加熱到180℃；將5～10 mm粒徑的玄武巖碎石，過7.2～9.5 mm篩并利用拌合樓按照瀝青混合料生產工作進行拌合加熱，最后獲得清潔、干燥的7.2～9.5 mm單粒徑玄武巖碎石；用專用高性能瀝青灑布車將加熱到180℃的膠粉改性瀝青按1.7 kg/cm3（±0.1 kg/cm3）用量均勻的撒布到已吹除浮塵地銑刨面上；待瀝青冷卻后，用專用的碎石撒布車將高溫狀態的單粒徑碎石按60%（±2%）數量均勻撒布在粘層油上，最后用輕型壓路機或者輪胎壓路機碾壓一邊。

3.3 混合料的攤鋪

待粘結防水層完全冷卻后，才可以開始鋪筑膠粉改性瀝青混合料，否則，運料車行走在粘結防水層上，容易產生瀝青粘輪現象。一旦發生上述現象，應人工將粘在輪胎上的瀝青清除并扔到路外。

4 結語

通過室內試驗，根據防水粘結層材料的特點與性能要求，對膠粉改性瀝青在采用不同瀝青用量、溫度條件以及碎石用量下的拉拔性能進行了研究，得出如下結論：（1）膠粉改性瀝青粘結防水層的拉拔強度、直剪強度、45°斜剪強度均隨試驗溫度的提高不斷下降的趨勢。（2）試件拉拔強度隨膠粉改性瀝青用量的增加而不斷增大，在灑布量為1.6 kg/m2時達到最大，之后的強度開始小幅降低。隨膠粉改性瀝青灑布量的增加，直剪強度先增大，之后又不斷減小，在灑布量為1.6 kg/m2達到最大值，45°斜剪強度呈先增后降低趨勢，在1.8 kg/m2達到最大值。（3）隨7.2～9.5 mm單粒徑碎石撒布量的增大，防水粘結層的拉拔強度、直剪強度和45°斜剪強度均呈現先增大均呈現先增大，之后又不斷減小變化規律，各指標的最大值均出現在撒布量約60%時。綜上，本文提出了薄層瀝青抗裂磨耗層的膠粉改性瀝青防水粘結層材料最佳配合比為：20%膠粉改性瀝青灑布量為1.6～1.8 kg/m2、單粒徑（7.2～9.5 mm）玄武巖碎石撒布量為60%。