一種公路層面之間用的改性粘結(jié)劑制備及穩(wěn)定性研究

摘要：為避免公路面層與基層出現(xiàn)滑移，提高公路面層與基層粘接質(zhì)量，制備一種公路面層與基層層間粘結(jié)劑，并對(duì)其穩(wěn)定性分析。分別采用基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青與SBR改性瀝青制備公路面層與基層層間粘接試件，通過(guò)紫外光老化測(cè)試、熱穩(wěn)定性測(cè)試、剪切測(cè)試等方法，測(cè)試每種試件的穩(wěn)定性，以評(píng)估粘結(jié)劑質(zhì)量。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知：基質(zhì)瀝青在高溫狀態(tài)下的針入度變化較大，且無(wú)法保持良好的延度與運(yùn)動(dòng)黏度，其熱穩(wěn)定性較差，同時(shí)其抗低溫性能較弱；SBR改性瀝青雖然在高溫狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)良好的穩(wěn)定性，但其抗剪性能、抗車轍性能均要低于SBS改性瀝青粘結(jié)劑，而SBS改性瀝青可以在不同溫度環(huán)境中維持良好的穩(wěn)定性，其在60℃時(shí)仍然能夠保持0.135 MPa的抗剪強(qiáng)度，為此，SBS改性瀝青粘結(jié)劑更適用于公路面層與基層層間粘接。

關(guān)鍵詞：面層與基層；粘結(jié)劑；穩(wěn)定性；紫外光老化；剪切測(cè)試；針入度

中圖分類號(hào)：TQ522.65；U416文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0043-04

Study on preparation and stability of a modified binder used between highway layers

JIN Jun

（Pingliang Highway Development Center，Pingliang 744000，Gansu China）

Abstract：To avoid slippage of the highway surface layer and the base layer，and improve the bonding quality be-tween the road surface layer and the base layer，a bonding agent between the road surface layer and the base layer was prepared，and its stability was analyzed.Adhesion specimens between road surface and base layers were pre-pared using matrix asphalt，SBS modified asphalt，and SBR modified asphalt.The stability of each specimen was tested through UV aging test，thermal stability test，shear test，and other methods to evaluate the quality of the adhe-sive.The test results show that the penetration of the base asphalt varied greatly under high temperature conditions，and it could not maintain good ductility and kinematic viscosity.Its thermal stability was poor，and itslow-tempera-ture resistance was weak.Although SBR modified asphalt could achieve good stability at high temperatures，its shear and rutting resistance were lower than those of SBS modified asphalt binder.SBS modified asphalt could main-tain good stability in different temperature environments，and it could still maintain a shear strength of 0.135 MPa at 60℃.Therefore，SBS modified asphalt binder is more suitable for bonding between road surface and base layers.

Key words：surface layer and base layer；adhesive；stability；ultraviolet light aging；shear test；needle penetration

公路面層與基層是公路工程中兩個(gè)重要的組成部分，分別位于公路路面結(jié)構(gòu)的上層和下層[1-2]。基層承載車輛荷載并通過(guò)地基或地表分散荷載[3]，具備承載力和抗變形能力。面層位于基層之上，提供良好的行車舒適性和安全性，保護(hù)基層[4-5]。面層材料選擇依據(jù)交通量、車速、氣候等因素，并使用瀝青混凝土、水泥混凝土等材料[6]。粘結(jié)劑用于連接和固定公路面層與基層，對(duì)粘接質(zhì)量和穩(wěn)定性有重要影響[7-8]。

有較多學(xué)者對(duì)公路施工用粘結(jié)劑進(jìn)行研究，例如郭成軍等[9]，研究泡沫瀝青冷再生技術(shù)在高速公路基層處治中的適用性，該方法通過(guò)冷再生方式制備了泡沫瀝青材料，并對(duì)其路用性能進(jìn)行測(cè)試，雖然這一材料具有良好的抗車轍能力，但其耐高溫效果并不明顯；例如楊毅等[10]，研究永久性路面面層高摻量橡膠瀝青材料路用性能，該方法在瀝青材料中摻入了大量的橡膠，從而增強(qiáng)材料的抗高溫效果，但這一材料抗剪性能較差。

為此，研究公路面層與基層層間粘結(jié)劑制備及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)添加不同改性劑制成的粘結(jié)劑材料，并充分測(cè)試每種粘結(jié)劑的穩(wěn)定性，為公路施工提供可靠材料。

1公路面層與基層層間粘結(jié)劑設(shè)計(jì)

1.1公路面層與基層層間粘結(jié)劑制備

公路面層和基層之間的粘結(jié)劑能夠?qū)?者牢固地粘接在一起，防止公路在使用過(guò)程中面層與基層發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或分離[11-12]。同時(shí)，粘結(jié)劑能夠填補(bǔ)基層表面的不平坦和有孔隙的區(qū)域，填充細(xì)小的空隙，形成一個(gè)均勻、緊密的結(jié)構(gòu)，這可以減少結(jié)構(gòu)因載荷或溫度變化引起的變形和損傷[13-14]。為此，選用合適的粘結(jié)劑材料，可以提高公路施工的質(zhì)量。為此，本文制備公路面層與基層層間粘結(jié)劑，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1.1.1材料準(zhǔn)備

選擇基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及SBR改性乳化瀝青作為公路面層與基層層間粘結(jié)劑，并采用不同試驗(yàn)方法對(duì)每種粘結(jié)劑的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。在試驗(yàn)過(guò)程中所使用的具體材料如下：

（1）基質(zhì)瀝青：70#石油瀝青（永誠(chéng)廣建公路材料（山東）有限公司）；

（2）SBS改性瀝青：選擇SBS791作為改性劑，基質(zhì)瀝青加熱至160℃后逐漸加入適量的SBS改性劑，手動(dòng)攪拌混合。保持溫度160℃，高速攪拌2 h。降溫至125℃，持續(xù)處理15 h進(jìn)行溶脹處理。最后，對(duì)改性瀝青進(jìn)行30 min的剪切，得到所需的SBS改性瀝青；

（3）SBR改性瀝青：配比為基質(zhì)瀝青93.95%、相容劑2%、SBR為4%、穩(wěn)定劑為0.05%，將基質(zhì)瀝青加熱至160℃使其可流動(dòng)。預(yù)先加熱至160℃的SBR逐漸加入到瀝青中，并進(jìn)行攪拌，確保混合均勻。持續(xù)攪拌改性劑和瀝青的混合物[15]，并逐漸加入相容劑與穩(wěn)定劑。持續(xù)攪拌15 h后，獲得SBR改性瀝青；

（4）面層與基層材料準(zhǔn)備：測(cè)試公路面層與基層層間粘結(jié)劑的應(yīng)用效果，采用靜壓成型方法制備試件。面層材料使用AC-20瀝青混凝土，按設(shè)計(jì)配合比將石子、砂子和瀝青等材料充分?jǐn)嚢韬突旌虾螅湃腱o壓模具中進(jìn)行靜壓成型。基層材料使用水泥穩(wěn)定碎石，按設(shè)計(jì)要求將碎石和水泥混合后填充到靜壓模具中，在一定壓力下進(jìn)行靜壓成型，得到特定尺寸和形狀的面層與基層試件。

1.1.2試件制備

當(dāng)制成3種粘結(jié)劑材料后，面層與基層粘接試件進(jìn)行制作，先將基層與面層板材切割成規(guī)定尺寸，之后分別向每個(gè)基層試件上均勻?yàn)伈煌辰訛r青材料，灑鋪完成后，加鋪面層瀝青混凝土層，放置24 h后，制成3種面層與基層間粘接試件。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1紫外熱老化測(cè)試

為評(píng)估3種粘結(jié)劑的穩(wěn)定性，對(duì)制備好的粘結(jié)劑材料進(jìn)行紫外光老化測(cè)試，采用紫外光老化試驗(yàn)箱作為試驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)紫外光輻照強(qiáng)度模擬不同粘結(jié)劑在室外老化過(guò)程中的性能變化[16]。紫外光老化試驗(yàn)箱共配備4個(gè)紫外光燈泡，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

通過(guò)表1參數(shù)模擬公路紫外線光照環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑穩(wěn)定性測(cè)試。

1.2.2熱穩(wěn)定性測(cè)試

采用STA449/3/G同步熱分析儀測(cè)試不同粘結(jié)劑試樣的熱穩(wěn)定性，并繪制TG曲線，設(shè)置溫度范圍為25～600℃，氮?dú)夥諊郎厮俾蕿?0℃/min。

1.2.3抗低溫性能測(cè)試

為評(píng)估不同粘結(jié)劑在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，通過(guò)BBR測(cè)試法測(cè)試試樣在低溫狀態(tài)下的蠕變速率與勁度模量，以此測(cè)試每種粘結(jié)劑的抗低溫效果。

1.2.4層間剪切測(cè)試

采用45°斜剪試驗(yàn)方法測(cè)試每組粘結(jié)劑試樣的抗剪性能，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將每個(gè)粘接好的試件放置在壓力機(jī)上并施加壓力，當(dāng)試件發(fā)生破壞時(shí)，確定試件的抗剪強(qiáng)度。

測(cè)試每種試件在不同溫度下的抗剪強(qiáng)度，以此評(píng)估溫度對(duì)粘結(jié)劑的影響。

1.2.5抗車轍性能測(cè)試

車轍試驗(yàn)是一種有效的方法，用于檢測(cè)公路路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在該試驗(yàn)中，試件置于60℃的條件下，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輪壓為0.7 MPa的車輪在試件上行走，測(cè)定每增加1mm車轍深度所需的行走次數(shù)，獲取動(dòng)穩(wěn)定度，其單位以次/mm表示，通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度可以評(píng)估公路面層與階層在粘接后的穩(wěn)定性[17]。

2試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1粘結(jié)劑抗紫外熱老化性能分析

（1）粘結(jié)劑在紫外光老化試驗(yàn)下針入度變化分析

分析不同粘結(jié)劑試件在紫外光老化過(guò)程中的針入度變化，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，隨著紫外光老化時(shí)間的增加，每種粘結(jié)劑試件的針入度開(kāi)始下降。其中，基質(zhì)瀝青的針入度下降幅度最大，當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到16 h時(shí)，其針入度已下降至40（25℃）/0.1 mm。這說(shuō)明在紫外光照射下，基質(zhì)瀝青發(fā)生了較大的變化。而其他2種粘結(jié)劑材料的針入度下降幅度相對(duì)較小，而SBS改性瀝青的針入度變化幅度最小，說(shuō)明SBS改性瀝青在紫外光老化試驗(yàn)下可以維持良好的抗老化能力。

（2）粘結(jié)劑在紫外老化試驗(yàn)下延度變化分析

分析每種粘結(jié)劑在長(zhǎng)時(shí)間的紫外光照射下延度變化情況，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在紫外光老化試驗(yàn)下，粘結(jié)劑材料的延度通常會(huì)減小。基質(zhì)瀝青未經(jīng)老化的延度較小，在老化試驗(yàn)中延度明顯下降。而其他兩種粘結(jié)劑材料的延度相對(duì)較高，尤其是SBS改性瀝青，即使經(jīng)過(guò)16 d的紫外光老化，其延度仍保持在20 cm左右，表明其有良好的穩(wěn)定性。

（3）粘結(jié)劑在紫外光老化試驗(yàn)下的運(yùn)動(dòng)黏度分析

分析3種粘結(jié)劑在老化試驗(yàn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)黏度變化，以評(píng)估粘結(jié)劑穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)老化時(shí)間逐漸加大，每種粘結(jié)劑的運(yùn)動(dòng)黏度也隨之升高。在3組粘結(jié)劑試件中，當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到16 d時(shí)，SBS改性瀝青的運(yùn)動(dòng)黏度可以達(dá)到2.5 Pa·s以上，在3組粘結(jié)劑中保持最高，由此說(shuō)明，SBS改性瀝青在紫外光老化情況下的耐久性較好。

2.2粘結(jié)劑熱穩(wěn)定性分析

分析3組粘結(jié)劑材料在高溫狀態(tài)下的TG曲線，以此評(píng)估每種粘結(jié)劑的熱穩(wěn)定性，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)試驗(yàn)溫度在100℃以下時(shí)，3種粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未出現(xiàn)明顯變化，表明它們?cè)谠摐囟确秶鷥?nèi)能夠保持良好的性能。隨著溫度的增加，當(dāng)達(dá)到200℃時(shí)，SBR改性瀝青和基質(zhì)瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降，而SBS改性瀝青仍然保持了100%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到300℃時(shí)，只有SBS改性瀝青試件的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持較高水平。這說(shuō)明在高溫環(huán)境下，SBS改性瀝青能夠保持良好的穩(wěn)定性。

2.3粘結(jié)劑抗低溫性能分析

研究不同粘結(jié)劑在低溫條件下的蠕變速率，以評(píng)估其抗低溫效果，分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，每種粘結(jié)劑試件的蠕變速率也隨之下降。在-12℃時(shí)，3種粘結(jié)劑的蠕變速率均超過(guò)了0.4。隨著溫度的降低，粘結(jié)劑無(wú)法有效釋放溫度引起的應(yīng)力，從而逐漸發(fā)生低溫開(kāi)裂問(wèn)題。當(dāng)環(huán)境溫度降至-18℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的蠕變速率約為0.3左右，而SBR改性瀝青的蠕變速率為0.34，而SBS改性瀝青的蠕變速率最高。因此，在低溫環(huán)境下，基質(zhì)瀝青和SBR改性瀝青更容易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。

分析3組粘結(jié)劑在低溫試驗(yàn)時(shí)的勁度模量變化，從而評(píng)估其在低溫狀態(tài)下的穩(wěn)定性，分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在低溫環(huán)境下，粘結(jié)劑易變脆硬化，導(dǎo)致勁度模量增大，引發(fā)開(kāi)裂問(wèn)題。在3組粘結(jié)劑試件中，基質(zhì)瀝青的勁度模量明顯較高，達(dá)到400 MPa以上。相比之下，SBR改性瀝青的勁度模量尚未達(dá)到400 MPa，而SBS改性瀝青的勁度模量保持較低水平，約為200～250 MPa。因此，在低溫環(huán)境下，SBS改性瀝青具有較好的穩(wěn)定性。

2.4試件抗剪性能分析

設(shè)置不同的試驗(yàn)溫度，分析每種試件在常溫狀態(tài)下與高溫狀態(tài)下的試件抗剪性能，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，每種試件在25℃常溫環(huán)境下的抗剪強(qiáng)度略高于在60℃環(huán)境下的抗剪強(qiáng)度。基質(zhì)瀝青試件在常溫和高溫狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度較低，容易發(fā)生剪切破壞。而其他兩種試件的抗剪切性能較好，尤其是SBS改性瀝青試件，在60℃仍保持較高的抗剪強(qiáng)度，故在高溫環(huán)境下更不易受損。

2.5試件抗車轍能力分析

分析3種粘接試件的抗車轍能力，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，對(duì)比不同試件，可以看出SBS改性瀝青粘接試件的動(dòng)穩(wěn)定度明顯最高。因此，使用SBS改性瀝青粘結(jié)劑可以有效降低路面面層與基層滑移風(fēng)險(xiǎn)，提高路面的穩(wěn)定性。

3結(jié)語(yǔ)

研究公路面層與基層層間粘結(jié)劑制備及穩(wěn)定性分析，制備了不同類型的粘結(jié)劑試件，并充分測(cè)試了每種粘結(jié)劑的應(yīng)用效果，從中選擇出穩(wěn)定性最佳的粘結(jié)劑材料，將其用于公路面層與基層層間粘接，未來(lái)可對(duì)該材料繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高這一粘結(jié)劑的耐受性與可靠性。

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（責(zé)任編輯：張玉平）