同步碎石下封層層間粘結(jié)性能影響因素研究

李 博

(廣西正和高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

半剛性路面是我國高速公路中最常用的路面結(jié)構(gòu)形式，其由具有強度大和板

體性好等特點的水泥穩(wěn)定碎石基層與具有行車舒適性好和養(yǎng)護維修簡便等特點的瀝青混凝土面層組合而成。但研究發(fā)現(xiàn)，此種結(jié)構(gòu)類型容易產(chǎn)生反射裂縫、層間滑移及基層表面水損害等病害，嚴重影響瀝青路面使用壽命[1-7]。而上述現(xiàn)象基本都與瀝青面層與水泥穩(wěn)定碎石基層層間粘結(jié)性能有關(guān)，因此如何提高層間粘結(jié)性能一直是學(xué)者們研究的熱點。

同步碎石封層因具有優(yōu)良的抗?jié)B及防滑等性能，早期在路面表面層預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，而近年來研究發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用于瀝青路面和半剛性基層之間(即下封層)能有效延緩反射裂縫，并能防止水分侵入基層表面[8-9]。因此研究掌握同步碎石下封層層間粘結(jié)性能影響因素，以尋求合理的改善措施，對提高瀝青路面使用壽命有重要意義。為此，本文基于斜剪試驗得出的抗剪強度，分析各因素對同步碎石封層粘結(jié)性能的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

瀝青選用AH-70和SBS(I-D)，兩者主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 AH-70和SBS(I-D)主要技術(shù)指標對比表

1.1.2 集料及級配

試驗用石灰?guī)r集料，礦粉由石灰?guī)r磨細而得，基層為水泥穩(wěn)定碎石，水泥劑量6%，最佳含水量5.2%，最大干密度2.305 g/cm3，下面層為ATB-25，采用AH-70瀝青，油石比3.6%，兩者級配如表2所示。

表2 水泥穩(wěn)定碎石基層和ATB-25下面層集料級配表

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

使用振動法成型300 mm×300 mm×50 mm水泥穩(wěn)定碎石試件，室溫養(yǎng)護2 d脫模后灑布乳化瀝青透層，用量1.0 kg/m2，然后移入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d。將制備的水泥穩(wěn)定碎石移入300 mm×300 mm×100 mm試模，加熱AH-70瀝青至140 ℃或SBS(I-D)瀝青至170 ℃涂抹于透層表面，并隨即撒布干燥潔凈的單一粒徑碎石，然后在其上使用輪碾法加鋪50 mm厚ATB-25，脫模后鉆芯取得直徑98 mm×高100 mm試樣。

1.2.2 層間抗剪強度測定

使用斜剪法測定層間抗剪強度，如圖1所示。其中剪切夾具斜角為45°，試驗過程中采用馬歇爾穩(wěn)定儀以50 mm/min速率加載，可將正壓力F分解為與剪切面垂直的正應(yīng)力和水平的剪應(yīng)力τ，其中τ計算方法如下頁公式1所示。

圖1 斜剪法示意圖

(1)

式中：τ——水平剪應(yīng)力(MPa)；F——破壞荷載(kN)；S——試件剪切面積(cm2)；α——45°。

2 試驗溫度對層間粘結(jié)性能影響

為研究試驗溫度對同步碎石下封層層間粘結(jié)性能的影響，使用AH-70和SBS(I-D)兩種類型瀝青作封層油，用量1.8 kg/m2，碎石粒徑則為9.5 mm(表示9.5～13.2 mm)，撒布面積70%，制作試件分別置于25 ℃、45 ℃和60 ℃的烘箱中保溫后進行抗剪強度測定，結(jié)果如表3所示。由此可得出如下結(jié)論：

表3 不同試驗溫度下層間抗剪強度試驗結(jié)果表

(1)復(fù)合試件層間粘結(jié)性能隨溫度的升高逐漸下降，尤其低于45 ℃時表現(xiàn)明顯。溫度由25 ℃增加至45 ℃時，采用基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青制作的同步碎石封層層間抗剪強度分別下降52.0%和55.9%，而溫度由45 ℃增加至60 ℃時兩者僅分別下降18.6%和20.0%。

(2)同步碎石封層使用SBS改性瀝青時成型的復(fù)合試件層間粘結(jié)性能明顯優(yōu)于70號基質(zhì)瀝青，但溫度提高時兩者相差幅度減小。各個試驗溫度下SBS改性瀝青制作的試件抗剪強度值均高于基質(zhì)瀝青，其中溫度為25 ℃時較其高出17.7%，而溫度上升到60 ℃時僅高出8.9%。分析原因為將SBS加入瀝青后，其吸收輕質(zhì)組分溶脹，瀝青粘稠度增加，同時SBS在瀝青中形成相互交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而進行剪切試驗時瀝青相和SBS相共同受力，故抗剪強度高于基質(zhì)瀝青[10]，但SBS也增加了瀝青黏度對溫度的敏感性，故試驗溫度提高時其效應(yīng)與基質(zhì)瀝青逐漸接近。

3 材料組成對層間粘結(jié)性能影響

為研究瀝青用量、集料粒徑和集料撒布率對同步碎石下封層層間粘結(jié)性能的影響，選擇1.4 kg/m2、1.6 kg/m2和1.8 kg/m2三個用量的SBS(I-D)改性瀝青，4.75 mm、9.5 mm和13.2 mm三種集料粒徑，60%、70%和80%三個集料撒布率，制作17種不同類型復(fù)合試件進行抗剪強度試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 不同材料組成下層間抗剪強度試驗結(jié)果表

3.1 瀝青用量影響

將編號為1、6、13，2、7、14和3、8、15復(fù)合試件的層間抗剪強度試驗結(jié)果繪制于圖2。由此可得出如下結(jié)論：

圖2 瀝青用量對層間抗剪強度影響曲線圖

(1)復(fù)合試件同步碎石層間粘結(jié)性能隨瀝青用量的增加先增強后減弱，用量為1.6 kg/m2時效果最好，分析原因為瀝青在層間同時起到粘附和潤滑的作用，用量過少時主要起粘附作用，此時集料容易脫落，而用量過多時瀝青主要起潤滑作用，不利于粘結(jié)。

(2)集料撒布率不同時，層間粘結(jié)性能對瀝青用量的敏感性不同。瀝青用量由1.4 kg/m2增加至1.6 kg/m2，60%、70%和80%集料撒布率的復(fù)合試件層間抗剪強度分別增加17.9%、8.9%和18.4%，顯然此時增加瀝青用量對提高60%和80%集料撒布率的同步碎石封層層間粘結(jié)性能效果較好，而瀝青用量由1.6 kg/m2增加至1.8 kg/m2，三者分別降低5.4%、5.1%和8.6%，此時增加瀝青用量使80%集料撒布率的同步碎石封層層間粘結(jié)性能降低較快。

3.2 集料粒徑影響

將編號為7、9、11，8、10、12和13、16、17復(fù)合試件的層間抗剪強度試驗結(jié)果繪制于圖3。由此可得出如下結(jié)論：

圖3 集料粒徑對層間抗剪強度影響曲線圖

(1)復(fù)合試件同步碎石層間粘結(jié)性能隨集料粒徑的增加逐漸降低，分析原因在于粒徑較小時瀝青在集料高度方向的作用范圍增加，因而集料粘結(jié)穩(wěn)定性好。

(2)集料撒布率不同時層間粘結(jié)性能對集料粒徑的敏感性不同。集料粒徑由4.75 mm增加至9.5 mm時，70%和80%集料撒布率的復(fù)合試件層間抗剪強度分別下降20.5%和15.1%，顯然此時70%撒布率的抗剪強度下降更為明顯，而集料粒徑由9.5 mm增加至13.2 mm時，兩者分別下降32.9%和35.5%，敏感性與前述正好相反。

3.3 集料撒布率影響

將編號為1～3，6～8和13～15復(fù)合試件的層間抗剪強度試驗結(jié)果繪制于圖4。由此可得出如下結(jié)論：

圖4 集料撒布率對層間抗剪強度影響曲線圖

(1)復(fù)合試件同步碎石層間粘結(jié)性能隨集料撒布率的增加先增強后減弱，用量為70%時效果最好，分析原因在于集料撒布率過低時瀝青對層間潤滑作用明顯，抗剪強度較低，而撒布率過高時其對下面層和基層阻隔作用增大，下面層瀝青與同步碎石用瀝青不能形成有效粘結(jié)。

(2)瀝青用量不同時，層間粘結(jié)性能對集料撒布率的敏感性不同。集料撒布率由60%增加至70%時，1.4 kg/m2、1.6 kg/m2和1.8 kg/m2瀝青用量的復(fù)合試件層間抗剪強度分別增加12.8%、4.1%和4.5%，而集料撒布率由70%增加至80%，三者分別降低12.5%、4.8%和8.4%，顯然瀝青用量為1.4 kg/m2、1.8 kg/m2和1.6 kg/m2時層間抗剪強度對集料撒布率的敏感性依次降低。

4 結(jié)語

(1)層間粘結(jié)性能隨試驗溫度的升高顯著下降，溫度由25 ℃增加至45 ℃時層間抗剪強度下降程度達50%以上；采用SBS改性瀝青作封層油時粘結(jié)性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，但溫度提高時兩者相差幅度減小。

(2)瀝青用量和集料撒布率增加時層間粘結(jié)性能先上升后下降，分別在用量1.6 kg/m2和撒布率70%時效果最好，其中集料撒布率為80%時層間抗剪強度對瀝青用量最為敏感，而瀝青用量為1.4 kg/m2時層間抗剪強度對集料撒布率最為敏感。

(3)集料粒徑增加時層間粘結(jié)性能逐漸下降，其中集料粒徑由4.75 mm增加至9.5 mm時，集料撒布率為70%的復(fù)合試件對層間抗剪強度敏感性高于撒布

率80%，而由9.5 mm增加至13.2 mm時兩者正好相反。

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