李小華

(常德市交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，湖南 常德 415000)

0 前言

在交通荷載和外界環(huán)境的長(zhǎng)期作用下，瀝青路面易出現(xiàn)老化，使路面韌性變差，變形能力降低，因此容易引發(fā)開裂［1］。研究表明，使用碎石封層對(duì)瀝青路面進(jìn)行修復(fù)能明顯提高瀝青路面的防水能力、減緩瀝青老化速度，還能提高路面的粗糙度和抗滑能力，提高了行車安全［2，3］。然而，在具體使用時(shí)，碎石封層的使用性能較差，容易出現(xiàn)泛油、集料松散和脫皮等病害，而這些病害與碎石封層層間粘結(jié)性能的好壞密切相關(guān)［4～7］。而影響碎石封層層間粘結(jié)性能的因素多種多樣，因此研究各因素對(duì)碎石封層層間粘結(jié)性能的影響具有重要意義?；诖?，本文通過試驗(yàn)，研究瀝青灑布量、碎石用量和溫度等因素對(duì)橡膠瀝青碎石封層和SBS 改性瀝青碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的影響，為促進(jìn)碎石封層的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

橡膠瀝青是在AS70#基質(zhì)瀝青中摻入一定比例的橡膠粉制得，橡膠粉細(xì)度為400 目，基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示;SBS 改性瀝青選用北京某公司生產(chǎn)的線型SBS 改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示;碎石選用9.5～13.2 mm 的玄武巖碎石，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

表1 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS 改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 直接剪切試驗(yàn)方法

制作尺寸為300 mm×300 mm ×50 mm 的水泥混凝土板，成型30 min 后在其表面進(jìn)行拉毛處理，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d 后，將水泥混凝土板放入300 mm ×300 mm ×100 mm 的試模內(nèi)，在其表面鋪設(shè)碎石封層，最后在封層上成型AC－13 瀝青混合料，成型12 h 后將試件取出，并鉆芯取樣。最后采用多功能材料剪切儀測(cè)定不同情況下的層間抗剪強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碎石和瀝青灑布量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

測(cè)定不同瀝青灑布量和不同碎石用量時(shí)，橡膠瀝青碎石封層和SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度，研究瀝青灑布量和碎石用量對(duì)兩種碎石封層層間抗剪性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 碎石和瀝青用量對(duì)碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，隨著瀝青灑布量的增多，兩種瀝青碎石封層的層間抗剪強(qiáng)度都出現(xiàn)增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)橡膠瀝青灑布量為1.9 kg/m2時(shí)，橡膠瀝青碎石封層層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，當(dāng)SBS 改性瀝青灑布量為1.7 kg/m2時(shí)，SBS 改性瀝青碎石封層層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。例如對(duì)碎石用量為11.5 kg/m2的情況，當(dāng)橡膠瀝青灑布量由1.5 kg/m2增大至1.9 kg/m2時(shí)，橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度由0.388 5 MPa 增大至0.481 6 MPa，增長(zhǎng)了24.0%，而當(dāng)橡膠瀝青灑布量由1.9 kg/m2增大至2.3 kg/m2時(shí)，橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度由 0.481 6 MPa 減小至 0.371 3 MPa，減小了22.9%。這是因?yàn)?，?dāng)橡膠瀝青和SBS 改性瀝青灑布量小于最佳灑布量時(shí)，瀝青用量太少，瀝青無法裹附在碎石表面形成吸附膜，碎石封層層間的粘結(jié)強(qiáng)度較低，此時(shí)增大瀝青灑布量能明顯提高層間的粘結(jié)強(qiáng)度，因此抗剪強(qiáng)度提高;而當(dāng)橡膠瀝青和SBS改性瀝青灑布量大于最佳灑布量時(shí)，過多的瀝青使封層施工碾壓后出現(xiàn)表面泛油現(xiàn)象，層間易滑移，因此再增大橡膠瀝青用量反而會(huì)使抗剪強(qiáng)度降低。

當(dāng)橡膠瀝青灑布量相同時(shí)，當(dāng)碎石用量由11.5 kg/m2增大至13.5 kg/m2時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度大幅提高，而當(dāng)碎石用量超過13.5 kg/m2時(shí)，再增大碎石用量反而會(huì)使層間抗剪強(qiáng)度下降，例如當(dāng)瀝青灑布量為1.913.5 kg/m2，碎石用量由11.5 kg/m2增大至13.5 kg/m2時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度由0.481 6 MPa 增大至0.533 5 MPa，增大了10.8%，而當(dāng)碎石用量由13.5 kg/m2增大至15.7 kg/m2時(shí)，橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度由0.533 5 MPa 減小至0.487 5 MPa，減小了9.4%。SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度也隨碎石用量的增大出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)碎石用量為13.5 kg/m2時(shí)，SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，唯一不同的是，當(dāng)碎石用量為15.4 kg/m2時(shí)層間的抗剪強(qiáng)度反而小于碎石用量為13.5 kg/m2時(shí)層間的抗剪強(qiáng)度。解釋其原因?yàn)?，?dāng)碎石用量小于最佳用量時(shí)，碎石顆粒之間的接觸點(diǎn)較少，而且瀝青相對(duì)比例較大，能起到潤(rùn)滑作用，此時(shí)層間的抗剪強(qiáng)度較低，因此增大碎石用量能明顯提高碎石顆粒之間的接觸點(diǎn)，因此抗剪強(qiáng)度提高;而當(dāng)碎石用量大于最佳用量時(shí)，碎石顆粒之間的瀝青膜較少較薄，碎石顆粒與瀝青之間的粘結(jié)較差，碎石顆粒變得松散，使碎石層和面層界面處形成貧油層，粘結(jié)能力較小，因此抗剪強(qiáng)度反而隨碎石用量的增多而降低。

2.2 溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

瀝青材料是典型的感溫性材料，溫度升高時(shí)變軟，粘度下降，而溫度降低時(shí)變硬，容易發(fā)生脆性斷裂。對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度不同，碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度必定有所不同。為了模擬研究環(huán)境溫度對(duì)兩種碎石封層層間抗剪性能的影響，測(cè)定不同溫度(20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃和 60 ℃)時(shí)，兩種碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著溫度的升高，兩種碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度都出現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律，其中當(dāng)溫度超過50 ℃時(shí)，兩種碎石封層層間抗剪強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)都較小。例如當(dāng)溫度由20 ℃升高至50 ℃時(shí)，橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度由0.799 5 MPa 降低為0.118 2 MPa，降低了 85.2%;SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度由0.945 8 MPa 降低為0.102 3 MPa，降低了89.2%;而當(dāng)溫度由50 ℃升高至60 ℃時(shí)，橡膠瀝青碎石封層和SBS改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度分別降低49.6%和43.9%。這是因?yàn)?，瀝青材料為典型的感溫性材料，當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青逐漸軟化，粘度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，瀝青與碎石顆粒之間的粘結(jié)力降低，因此使碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度降低，其中當(dāng)溫度超過50 ℃時(shí)，瀝青的軟化程度明顯，此時(shí)再升高溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。

圖2 溫度對(duì)碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的影響

當(dāng)溫度相同時(shí)，SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度大于橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度，且溫度越低兩者之間的差距越明顯，例如當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度和橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度分別為0.799 5 MPa 和0.945 8 MPa，兩者相差0.146 3 MPa，而當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度和橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度分別為0.056 5 MPa 和 0.066 3 MPa，兩者相差 0.009 8 MPa。這是因?yàn)?，SBS 改性劑在瀝青中能產(chǎn)生很好的吸附作用，吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，使瀝青粘度增長(zhǎng)明顯，而橡膠粉的吸附能力相比于SBS 改性明顯較弱，對(duì)瀝青粘度的提高程度小于SBS 改性劑，因此SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度大于橡膠瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

碎石封層是一種性能優(yōu)異的瀝青路面功能層，主要用于新建或改建瀝青路面的鋪裝，具有防水粘結(jié)、吸收應(yīng)力和減緩路面反射裂縫等功能。實(shí)際中，碎石封層的層間抗剪能力直接決定著其使用壽命，而抗剪能力碎石封層本身的材料組成與外界環(huán)境密切相關(guān)。本文通過層間剪切試驗(yàn)，對(duì)比研究了原材料和溫度對(duì)兩種碎石封層層間抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示:分別存在最佳的瀝青灑布量和碎石用量時(shí)兩種碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大;溫度越高，層間抗剪強(qiáng)度越低;相同條件下，SBS 改性瀝青碎石封層層間的抗剪強(qiáng)度大于橡膠瀝青碎石封層。

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