薄層復(fù)合式路面層間粘層技術(shù)研究

劉定清，何立平，劉姝麟，劉樂平

(1.廣西壯族自治區(qū)高速公路管理局，廣西 南寧 530021；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

薄層復(fù)合式路面層間粘層技術(shù)研究

劉定清，何立平，劉姝麟，劉樂平

(1.廣西壯族自治區(qū)高速公路管理局，廣西 南寧 530021；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

針對薄層復(fù)合式路面層間粘結(jié)問題，文章采用不同界面處理方式和不同層間粘結(jié)材料系統(tǒng)研究層間粘結(jié)技術(shù)。結(jié)果表明：采用酸洗加刻槽的界面處理方式，結(jié)合SBS改性瀝青或橡膠瀝青粘結(jié)材料等能有效提高薄層復(fù)合式路面的層間粘結(jié)強度和抗剪強度。

復(fù)合式路面；界面處理；橡膠瀝青；抗剪強度；層間粘結(jié)技術(shù)

0 引言

復(fù)合式路面采用瀝青混凝土面層(AC)作為水泥混凝土路面(CC)的加鋪層，是一種典型的補強方法[1]。該路面的水泥混凝土板穩(wěn)定、堅實，瀝青面層抗滑系數(shù)較高、平整度好，其形式結(jié)構(gòu)大大改善了路面的使用性能。鑒于此，為提高道路路面結(jié)構(gòu)使用壽命及其耐久性，近年來我國在多條高速公路陸續(xù)開展了復(fù)合式路面的試驗及研究[2，3]。然而由于材料差異大，這種結(jié)合了剛性、柔性兩種形式的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生層間滑移。并且水泥混凝土路面板上存在接縫，有裂縫、錯臺及脫空等損壞現(xiàn)象產(chǎn)生，使得復(fù)合結(jié)構(gòu)中奇異部位突出，這就會在罩面層對應(yīng)于舊路面板接縫、裂縫的位置上出現(xiàn)反射裂縫，影響路面的使用性能[4，5]。針對以上問題，本文從界面處理方式和層間粘結(jié)材料方面對復(fù)合式路面層間的粘層技術(shù)進行系統(tǒng)研究。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及其技術(shù)指標

本試驗制備橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青為泰普克70#A級道路石油瀝青，其性能指標如

表1所示。橡膠粉為廣西交通科學(xué)研究院生產(chǎn)的廢舊輪胎膠粉，黑色顆粒，粒徑為30～80目，各項性能指標滿足相關(guān)行業(yè)標準。橡膠瀝青是基質(zhì)瀝青與橡膠粉投入混合灌中在180 ℃～190 ℃高速攪拌，再泵入反應(yīng)罐中發(fā)育45～120 min獲得橡膠瀝青成品，其性能指標如表2所示。為了研究不同粘結(jié)材料的性能，選擇了SBS改性瀝青、乳化瀝青和溶劑型防水粘結(jié)劑進行對比，其性能指標如表3～5所示。

表1 泰普克70#A級道路石油瀝青檢測結(jié)果表

表2 不同膠粉摻量的橡膠瀝青檢測結(jié)果表

表3 SBS改性瀝青檢測結(jié)果表

表4 乳化瀝青檢測結(jié)果表

表5 溶劑型防水粘結(jié)劑檢測結(jié)果表

1.2 試驗設(shè)備及方法

(1)直剪儀試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用課題組購置長安大學(xué)的JHY-A結(jié)構(gòu)材料剪切儀，可用于路面加鋪層及橋面防水層剪切試驗。儀器由單片微機控制步進電機驅(qū)動剪切機構(gòu)，最大剪切力和位移由力傳感器和位移傳感器分別測量，可設(shè)定速度并控制馬達自動工作?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，可存儲20個試驗數(shù)據(jù)，同時可顯示、處理、保持峰值，雙四位液晶顯示。RS232接口連接PC機處理。剪切試驗：從復(fù)合式路面鉆芯取樣，在室內(nèi)放入達到試驗溫度的烘箱養(yǎng)生4 h后進行剪切試驗，按10 mm/min的加荷速度進行。

(2)拉拔儀試驗設(shè)備

為了對施工現(xiàn)場層間粘結(jié)效果進行檢測，課題組購置了LGZ-1結(jié)構(gòu)層材料強度拉拔儀?？捎糜诼访?、建筑防水層的拉拔試驗，可設(shè)定拉拔速度并控制馬達自動工作，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，可存儲20個試驗數(shù)據(jù)，可顯示、處理、保持峰值。RS232接口連接PC機處理。試驗直接在施工現(xiàn)場進行，試驗溫度按測試時的界面溫度，加荷速度按10 mm/min進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥混凝土界面處理技術(shù)對層間粘結(jié)強度的影響

表6為隆百高速公路橡膠瀝青粘結(jié)層試驗段芯樣的抗剪試驗，該試驗段未對界面進行處理，橡膠瀝青粘結(jié)材料的灑鋪量為1.5 kg/m3，抗剪強度試驗的溫度為20 ℃。由表6中的試驗結(jié)果可知，未對界面進行處理的路段，水平抗剪強度在0.31～0.42 MPa的范圍內(nèi)波動，位移量在3.2～3.8 mm之間波動。部分標段芯樣的抗剪強度>0.4 MPa，可認為其層間粘結(jié)在一定時間內(nèi)是滿足使用要求的，但其長期粘結(jié)效果不好做定量分析。由芯樣的破壞情況可以看出，芯樣的破壞面發(fā)生在界面處，主要因為水泥混凝土界面的浮漿比較多，橡膠瀝青粘結(jié)層與水泥混凝土界面粘結(jié)力會因為行車荷載的剪切作用而導(dǎo)致整個橡膠瀝青粘結(jié)層發(fā)生推移性剪切病害。因此對水泥混凝土路面進行界面處理是提高復(fù)合式路面層間抗剪強度的有效措施之一。

表6 隆百高速公路未處理界面的芯樣抗剪強度表

隆百高速公路試驗段不同界面處理方式的芯樣抗剪強度見表7，采用了中度銑刨、裸化、拋丸、刻槽4種界面處理措施，各種方法處理后再在其上加鋪1.5 kg/m3灑布量的橡膠瀝青粘結(jié)層和橡膠瀝青混凝土面層，通過鉆取芯樣，在室內(nèi)進行水平抗剪強度的試驗，試驗溫度為20 ℃。從表7中可知，水泥混凝土界面經(jīng)糙化處理后，與未經(jīng)過界面處理的試驗段(如表6所示)相比，芯樣平均抗剪強度均>0.4 MPa，抗剪的平均位移也有較明顯的增大，糙化處理界面有利于層間的粘結(jié)。在經(jīng)過銑刨、裸化、拋丸和刻槽界面處理措施，水泥混凝土界面的松散浮漿被磨掉，粗糙度提高，提高了橡膠瀝青粘結(jié)層與水泥路面表面的機械咬合，提高了瀝青加鋪層與水泥混凝土界面的抗剪能力。經(jīng)過刻槽處理方式的試樣與經(jīng)過銑刨和拋丸處理的試樣相比，其抗剪強度較小，主要因為刻槽后，漿層并未除掉，經(jīng)刻槽松動和槽邊失去原有約束，芯樣經(jīng)剪切后漿層易被剝起，影響芯樣抗剪強度。

表7 隆百高速公路不同界面處理方式的芯樣抗剪強度表

根據(jù)隆百高速公路試驗段界面處理前后，采用橡膠瀝青粘結(jié)層芯樣的抗剪強度結(jié)果分析和總結(jié)，本課題小組在欽崇高速公路連線工程，對界面進行了刻槽+酸洗的處理方式，后再在其上加鋪1.5 kg/m3灑布量的橡膠瀝青粘結(jié)層和橡膠瀝青混凝土面層，通過鉆取芯樣，在室內(nèi)進行水平抗剪強度的測試，試驗溫度為20℃，試驗結(jié)果匯總見表8。由表8可知，欽崇高速公路連線刻槽后芯樣的平均抗剪強度為0.54 MPa，比隆百高速公路的試驗結(jié)果高出不少，并且破壞界面位于粘結(jié)層。主要原因是采用酸洗清除了界面的浮漿，無軟弱的浮漿層，并且欽崇高速公路連線的水泥混凝土細集料為河砂，界面的摩擦系數(shù)經(jīng)酸洗后遠大于隆百高速公路的混凝土界面，有利于應(yīng)吸收層與水泥界面的相互吸附，可提高層間的粘結(jié)強度。提高層間的粘結(jié)強度關(guān)鍵在于清除掉水泥混凝土界面的浮漿，提高界面粗糙度，保證界面的潔凈及干燥，利于粘結(jié)材料與界面的相互吸附。銑刨處理方式對于清楚機制砂混凝土界面的浮漿效果明顯，銑刨處理后芯樣的抗剪強度最大，主要是因為層間的機械咬合力較好，但銑刨處理對水泥混凝土路面和灌封材料的破壞比較大，會影響路面結(jié)構(gòu)層的耐久性，因此不建議采用銑刨處理水泥混凝土界面。拋丸處理可有效清除機制砂混凝土界面的浮漿，二次拋丸效果更好，對于河砂混凝土界面同樣適用?？滩厶幚碓跈C制砂混凝土界面效果不佳，處理河砂混凝土界面效果較好，并且處理的方式靈活多變，適用于水泥面板的端部及大長縱坡等特殊段落，在幾種處理方式中的造價最小，可大面積使用于河砂的水泥混凝土結(jié)構(gòu)。

表8 欽崇高速公路連線刻槽+酸處理方式的芯樣抗剪強度表

2.2 粘結(jié)材料對層間粘結(jié)強度的影響

2.2.1 乳化瀝青粘結(jié)材料

在欽崇高速公路連線工程試驗段，直接在未處理的水泥面板上噴灑乳化瀝青后加鋪面層，噴灑量為0.3～0.6 kg/m2，通過鉆芯發(fā)現(xiàn)瀝青層底面與水泥混凝土表面易分離，呈平整的光面，瀝青層與水泥混凝土表面界面無明顯粘結(jié)痕跡，其原因可能在于乳化瀝青含固量較低，所用基質(zhì)瀝青的黏度偏弱，導(dǎo)致復(fù)合式路面層間粘結(jié)效果較差。在同等水泥混凝土界面條件下，采用了0.5 kg/m2乳化瀝青+1.5 kg/m2橡膠瀝青應(yīng)力吸收層與單采用乳化瀝青這兩種方案進行了拉拔試驗對比，試驗溫度：40 ℃；加荷速率10 mm/min，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，在同等界面條件下，兩種方案的復(fù)合式路面芯樣拉拔強度區(qū)別不大，并且40 ℃拉拔強度較小，僅有0.02 MPa左右。從芯樣界面破壞情況來看，拉拔破壞的主要原因是乳化瀝青與橡膠瀝青層脫離。乳化瀝青可能與水泥混凝土表面粘結(jié)尚可，但與橡膠瀝青層粘結(jié)不良導(dǎo)致分離，即粘結(jié)失效面上移，同樣會造成拉拔強度偏低。由以上檢測數(shù)據(jù)可知，乳化瀝青不適合作為復(fù)合式路面的層間粘結(jié)材料，乳化瀝青+橡膠瀝青層的結(jié)構(gòu)方案同樣存在一定的風(fēng)險。

圖1 乳化瀝青粘層芯樣的拉拔強度柱狀圖

2.2.2SBS改性瀝青粘結(jié)材料

在欽崇高速公路連線工程課題試驗段采用普通瀝青灑布車灑布SBS改性瀝青液體；同步碎石灑布車灑布碎石。SBS改性瀝青加工好后，用噴灑油罐車運輸?shù)戒佒F(xiàn)場進行噴灑，分三個等級進行灑布，灑布量為1.1～1.5kg/m2間隔0.2kg/m2。集料選擇9.5～13.2mm粒徑石灰?guī)r碎石，灑布量為6～8kg/m2，基本上在灑布以后是60%碎石覆蓋面，混凝土界面未進行處理。對不同灑布量的路段進行了拉拔試驗，試驗溫度為40 ℃；加荷速率10mm/min。試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，在未處理的水泥混凝土界面，當(dāng)SBS粘結(jié)材料的灑布量達到1.3kg/m2時，40 ℃的拉拔強度最高，達到0.085MPa。

圖2 不同SBS灑布量的拉拔強度柱狀圖

2.2.3 溶劑型防水粘結(jié)劑材料

施工現(xiàn)場采用的溶劑型防水粘結(jié)劑為AF類二階反應(yīng)型，它是一種單組份黑色粘稠液體，其主要成分為天然瀝青、樹脂、石油瀝青以及石油基活性反應(yīng)物質(zhì)。施工現(xiàn)場，在未處理的界面條件下進行了不同AF涂抹量的現(xiàn)場拉拔試驗，試驗溫度為40 ℃，加荷速率10mm/min，試驗結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，AF類溶劑型粘結(jié)劑的40 ℃拉拔強度都能達到0.18MPa以上，粘結(jié)效果較好，對于未處理的混凝土界面，涂抹量為0.4kg/m2時，拉拔強度達到最大。

圖3 不同AF涂抹量的拉拔強度柱狀圖

2.2.4 橡膠瀝青粘結(jié)材料

同普通熱瀝青及SBS改性瀝青一樣，橡膠瀝青類粘結(jié)材料采用普通瀝青灑布車噴灑；同步碎石灑布車灑布碎石。橡膠瀝青加工好后，用噴灑油罐車運輸?shù)戒佒F(xiàn)場進行噴灑。在欽崇高速公路連線工程施工現(xiàn)場經(jīng)過不同膠粉摻量的橡膠瀝青在190 ℃下的噴灑試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠粉摻量>18%時，橡膠瀝青很難噴灑均勻，形成條帶狀，因此橡膠瀝青粘結(jié)層的最佳膠粉摻量宜控制在15%。

在施工現(xiàn)場對未進行處理的水泥混凝土界面灑布不同量的橡膠瀝青(膠粉摻量15%)，進行了現(xiàn)場拉拔試驗，試驗溫度：40 ℃，加荷速率10mm/min。結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果并綜合考慮現(xiàn)場因素，灑布量定為1.2～1.8kg/m2，間隔0.3，試驗結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，橡膠瀝青粘結(jié)材料未處理的界面結(jié)構(gòu)中拉拔強度較好，在1.2～1.8kg/m2的灑布量范圍內(nèi)，40 ℃的拉拔強度超過了0.08MPa，比室內(nèi)試驗的結(jié)果較好，當(dāng)灑布量在1.5kg/m2時拉拔強度最高，達到了0.081MPa。

圖4 不同灑布量的橡膠瀝青拉拔強度柱狀圖

2.2.5 幾種粘結(jié)材料在不同界面處理方式下的拉拔試驗分析

圖5是通過不同界面處理方式，采用AF類二階反應(yīng)劑、SBS改性瀝青、橡膠瀝青(膠粉摻量為15%)三種粘結(jié)材料試樣的拉拔試驗。在幾種界面處理方式中，橡膠瀝青粘結(jié)材料的粘結(jié)強度變化不大，裸化最好，拋丸較差。主要是因為橡膠瀝青存在未溶脹的顆粒，當(dāng)界面粗構(gòu)造不明顯時，橡膠瀝青的吸附效果較差。AF類二階反應(yīng)劑的粘結(jié)強度變化較大，拋丸及裸化處理最好，銑刨較差。可能是因為較粗的界面構(gòu)造影響了AF粘結(jié)劑與面層的接觸面積，層間存在孔隙，影響了粘結(jié)強度。也可以認為，在粗構(gòu)造的界面使用AF類二階反應(yīng)劑存在一定的風(fēng)險，界面孔隙的存在容易造成面層的水損壞。AF類粘結(jié)劑雖然是一種較好的粘結(jié)材料，但是此類粘結(jié)劑存在有機高分子的成分， 由于相似相溶的原因，容易腐蝕掉部分面層的瀝青，產(chǎn)生不利的影響，如果抹量過大，影響更加嚴重。SBS改性瀝青在幾種界面處理方式中粘結(jié)效果都較好，銑刨處理方式略低，其他幾種方式中拉拔強度均超過了橡膠瀝青，是一種較好的層間粘結(jié)材料。綜合拉拔對比試驗，橡膠瀝青或SBS改性瀝青+刻槽處理的結(jié)構(gòu)方案及AF粘結(jié)劑+拋丸處理的結(jié)構(gòu)方案較好，在機械處理的基礎(chǔ)上增加酸處理，糙化效果會更好。

圖5 不同界面處理及不同粘結(jié)材料拉拔強度柱狀圖

3 結(jié)語

提高薄層復(fù)合式路面層間粘結(jié)強度的有效措施是對界面進行機械處理，為提高界面粗糙度，本文通過幾種機械處理方式的對比研究，發(fā)現(xiàn)拋丸和刻槽是最有效的方式，拋丸適合機制砂和河砂水泥混凝土路面的界面處理，刻槽與酸洗組合適合河砂水泥混凝土路面的界面處理。

粘結(jié)材料采用橡膠瀝青或SBS改性瀝青，界面處理方式采用刻槽加酸洗的處理方式能有效提高薄層復(fù)合式路面層間粘結(jié)強度和抗剪能力。

[1]袁 明，凌天清，張睿卓，等.復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，30(6)：1318-1322.

[2]王朝輝，王選倉.復(fù)合式路面瀝青混凝土層壓縮量研究[J].公路，2007(7)：103-108.

[3]王朝輝，王選倉，徐 偉，等.復(fù)合式路面瀝青混凝土加鋪層設(shè)計方法探討[J].公路，2007(6)：96-100.

[4]李 盛，劉朝暉，李宇峙.剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青層荷載疲勞損傷特性及開裂機理[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，44(9)：3857-3862.

[5]李祖仲，王伯禹，陳栓發(fā).軸載對復(fù)合式路面應(yīng)力吸收層荷載應(yīng)力的影響[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，32(1)：20-25.

Study on Interlayer Adhesion Technology of Thin-layer Composite Pavement

LIU Ding-qing，HE Li-ping，LIU Shu-lin，LIU Le-ping

(1.Guangxi Highway Administration Bureau，Nanning，Guangxi，530021； 2.Guangxi Transportation Re-search Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Regarding the interlayer adhesion problem of thin-layer composite pavement，this article studied the interlayer adhesion technology by using different interface treatment approaches and different interlayer adhesion material systems.The results showed that：the interface treatment of pickling and notch groove，combined with SBS modified asphalt or rubber asphalt adhesion material，can effectively improve the inter-layer adhesion strength and shear strength of thin-layer composite pavement.

Composite pavement； Interface treatment； Rubber asphalt； Shear strength； Interlayer adhesion technology

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.005

1673-4874(2015)06-0018-04

2015-04-05

劉定清，工程師，主要從事高速公路規(guī)劃、建設(shè)和管理等工作;

何立平，博士，高級工程師，主要從事道路工程、水運工程等相關(guān)工作;

劉姝麟，碩士，助理工程師，主要從事水運工程材料、檢測等工作;

劉樂平，博士，工程師，主要從事道路材料、水運工程材料研究工作。