張 倩，張旭景，徐義恒

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

1 前 言

坑槽作為瀝青路面常見病害，嚴(yán)重影響著瀝青路面行車的安全性和舒適性[1]?？硬劾溲a(bǔ)瀝青混合料具有施工簡(jiǎn)單、維修方便、節(jié)能環(huán)保和不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，已成為常溫或低溫條件下修補(bǔ)瀝青路面坑槽的有效方式[2-3]。修補(bǔ)后的坑槽，在車輛荷載和溫度荷載的復(fù)合作用下，邊緣部位易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中[4-5]，當(dāng)新舊瀝青混合料粘結(jié)界面力學(xué)強(qiáng)度不足時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響坑槽修補(bǔ)的質(zhì)量和使用壽命[6]。

目前，對(duì)坑槽的研究主要集中在修補(bǔ)材料和施工工藝方面，關(guān)于路面層間粘結(jié)材料也有部分涉及，但針對(duì)坑槽修補(bǔ)界面粘結(jié)材料的專項(xiàng)性能研究尚不多見[7-8]。美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)中關(guān)于瀝青和路用性能兩個(gè)領(lǐng)域的研究，涉及到實(shí)驗(yàn)研究坑槽修補(bǔ)的最佳方法[9]。英國(guó)道路與運(yùn)輸研究所研發(fā)出一種永久性冷鋪路面材料(PCSM)，能應(yīng)用于各等級(jí)路面的修補(bǔ)工程[10]。加拿大TCG材料公司通過(guò)將聚合物改性瀝青、稀釋劑、集料拌和研制成一種可儲(chǔ)存式冷補(bǔ)瀝青混合料, 通過(guò)調(diào)整礦料級(jí)配，可適用于不同場(chǎng)合的需要[11]。鄭志濤等[12]針對(duì)瀝青路面各種病害，將吸波材料作為一種添加劑直接與瀝青混合料拌和，得到加熱時(shí)間更短更快捷的路面養(yǎng)護(hù)材料。王銀虎、黃曉明等[13]研發(fā)了一種常溫固化的高性能樹脂型材料，并針對(duì)不同路面病害，分別提出了簡(jiǎn)單且可操作的施工工藝。國(guó)內(nèi)不少研究機(jī)構(gòu)均對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的研發(fā)和性能開展過(guò)相關(guān)研究[14-16]。DU等[17-18]開發(fā)了一種具有良好粘結(jié)性能的乳化瀝青透層油，并通過(guò)直剪試驗(yàn)驗(yàn)證其性能。郭寅川等[19]自行研發(fā)出多功能剪切儀，提出不同溫度下的抗剪強(qiáng)度作為粘結(jié)料的評(píng)價(jià)指標(biāo)。MOHAMMAD等[20]采用有限元理論分析了不同粘結(jié)材料的抗剪切性能。

鑒于此，以自主研發(fā)的水性環(huán)氧-SBR改性乳化瀝青(SW)粘結(jié)料為研究對(duì)象，針對(duì)其在不同路面溫度下的抗剪切、拉伸力學(xué)性質(zhì)和凍融循環(huán)作用下的層間力學(xué)特性，展開坑槽修補(bǔ)界面粘結(jié)料的力學(xué)性質(zhì)研究，為粘結(jié)料的推廣應(yīng)用及坑槽修補(bǔ)粘結(jié)界面力學(xué)研究提供參考。

2 坑槽修補(bǔ)料與原路面材料界面力學(xué)性質(zhì)和粘結(jié)破損機(jī)理分析

2.1 坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料界面粘結(jié)破損機(jī)理分析

修補(bǔ)界面是坑槽部位發(fā)生粘結(jié)破損的最薄弱區(qū)域，粘結(jié)料使新舊混合料成為一個(gè)連續(xù)體，故界面粘結(jié)強(qiáng)度取決于粘結(jié)料的粘結(jié)強(qiáng)度。粘結(jié)強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)粘結(jié)料性能的宏觀指標(biāo)，建立在界面微細(xì)觀粘結(jié)的基礎(chǔ)上，因此，研究坑槽修補(bǔ)料與原路面界面微細(xì)觀粘結(jié)機(jī)理，并分析界面破損機(jī)理，是開發(fā)高性能坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料的基礎(chǔ)。

理論上，舊路面瀝青混凝土表面分布著微孔、裂隙、疏松等微損傷，噴灑的粘結(jié)料需具備一定的滲透作用，可以滲入并填充這些損傷部位；坑槽修補(bǔ)料在鋪筑、碾壓成型時(shí)，粘結(jié)料在舊路表(也即坑槽底面和側(cè)壁)形成的一層粘結(jié)薄膜包裹，嵌入舊路面經(jīng)打毛形成的凹坑中，坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)交互粘結(jié)并咬合成整體[21]，如圖1所示。

圖1 坑槽修補(bǔ)界面模型 (a) 粘結(jié)料用量不足； (b) 粘結(jié)料過(guò)量； (c) 粘結(jié)料適量Fig.1 Pothole repair bonding interface model (a) inadequate dosage; (b) excessive dosage; (c) appropriate dosage

事實(shí)上，由于施工質(zhì)量欠佳，加之新舊瀝青混凝土材料之間的差異，造成兩者礦料顆?？s脹率不同、新舊混合料熱膨脹系數(shù)有差別，引起修補(bǔ)結(jié)構(gòu)粘結(jié)界面縮脹變形不同步。此外在荷載的作用下，坑槽修補(bǔ)界縫會(huì)因兩種材料變形不協(xié)調(diào)而增大、加上材料自身存在的孔隙，為水滲入提供了條件。水滲入坑槽結(jié)構(gòu)并累積，溫度降低時(shí)，在集料和界面間產(chǎn)生諸多凍脹內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力累加超過(guò)粘結(jié)料和混合料強(qiáng)度閾值時(shí)，會(huì)造成粘結(jié)界面破損；溫度升高后，界面裂隙里的水消融，在凍脹應(yīng)力的釋放和外荷載作用下發(fā)生遷移。在溫度-荷載-水交變作用下，粘結(jié)界面會(huì)損傷發(fā)育，加上水對(duì)瀝青-集料界面的剝蝕，粘結(jié)界面上的裂隙、孔洞、微裂紋開始萌發(fā)、擴(kuò)展、連通，最終形成較大規(guī)模的宏觀破裂面。

2.2 坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料界面力學(xué)性質(zhì)及性能要求

已填補(bǔ)的坑槽是一種新拌混合料填入舊路面的特殊路面結(jié)構(gòu)，存在著不同于常規(guī)路面結(jié)構(gòu)的粘結(jié)修補(bǔ)界面，修補(bǔ)粘結(jié)料應(yīng)具備以下特征：(1)具備足夠粘結(jié)力：處于坑槽修補(bǔ)材料和原路面間的粘結(jié)層，作用是將兩者牢固地粘結(jié)在一起，形成一個(gè)整體以共同抵抗外界荷載的反復(fù)作用，故應(yīng)具備優(yōu)良抗拉拔性能。(2)具備足夠抗剪力：抗剪性能不足的粘結(jié)料用于路面后，使用中會(huì)出現(xiàn)推移、擁包、剝落、“兩層皮”等病害，造成坑槽二次破壞，此類病害在車輛頻繁啟動(dòng)、緊急剎車和長(zhǎng)大縱坡路段的坑槽處更為嚴(yán)重。(3)優(yōu)良的感溫性能：坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料大多以瀝青作為基材，是具有感溫性的瀝青基材料，感溫性引起的破壞包括高溫時(shí)在外載作用下的層間滑移及中低溫時(shí)的材料開裂。因此，能否抵抗溫度變化對(duì)材料的影響，是本研究考核粘結(jié)料力學(xué)性質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。(4)具備一定防水能力：修補(bǔ)后的坑槽粘結(jié)界面是路面結(jié)構(gòu)中易發(fā)生水損害的薄弱位置，尤其是車輛在雨天高速行駛時(shí)，輪胎擠壓產(chǎn)生動(dòng)水壓力。若粘結(jié)料防水能力不足，水在壓力作用下會(huì)沿側(cè)縫進(jìn)入坑槽結(jié)構(gòu)，極易造成修補(bǔ)材料和原路面、集料與瀝青的剝離，導(dǎo)致瀝青混合料松散和坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)二次破壞。此外，水會(huì)繼續(xù)下滲進(jìn)入基層并積累，浸泡后的基層極易產(chǎn)生唧漿、軟化，引起整個(gè)路面結(jié)構(gòu)承載力下降。所以坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料必須具備一定的防水能力。

2.3 坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)界面強(qiáng)度構(gòu)成

坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)包括修補(bǔ)材料、粘結(jié)料和原路面，是相互聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)和材料單一結(jié)構(gòu)概念的總和[22]，各材料的性質(zhì)均會(huì)對(duì)坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)層間性能產(chǎn)生影響。

有研究采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論分析坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)界面的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性[23]，認(rèn)為其強(qiáng)度特性符合式(1)，坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的界面抗剪強(qiáng)度主要由兩部分組成，即修補(bǔ)料與原路面礦料顆粒間摩擦、嵌擠產(chǎn)生的摩阻力和粘結(jié)料提供的粘結(jié)力。

τ=C+σtanφ

(1)

式中，τ為層間抗剪強(qiáng)度；C為粘結(jié)料提供的粘結(jié)力；σ為由荷載產(chǎn)生的應(yīng)力；φ為礦料間形成的內(nèi)摩擦角。

3 坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料界面力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

參考巖土工程的斜剪試驗(yàn)，自制一種可配套萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)使用的斜剪模具(圖2(a))；利用GDXA40/80型環(huán)境箱對(duì)試件進(jìn)行溫度控制，溫控范圍為-40 ℃～80 ℃；加載及微控采用CMT5504型電子萬(wàn)能試驗(yàn)系統(tǒng)。

粘結(jié)料拉拔強(qiáng)度采用直接拉伸試驗(yàn)測(cè)定，考慮到直接拉伸操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、測(cè)試結(jié)果離散性大，本研究通過(guò)模型建立、有限元分析等方法，設(shè)計(jì)了一種間接拉伸裝置，見圖2(c)。

圖2 力學(xué)性能試驗(yàn)裝置 (a) 自制斜剪裝置； (b) 直接拉伸裝置； (c) 間接拉伸裝置Fig.2 Testing device of mechanical properties (a) self-made oblique shear device; (b) direct pull-out device; (c) indirect pull-out device

間接拉伸試驗(yàn)的加載模型圖見圖3(b)，其中yz面為粘結(jié)料噴灑界面，xy面過(guò)圓柱體形心、且與yz面垂直相交。

圖3 粘結(jié)料間接拉伸加載 (a) 間接加載試驗(yàn)； (b) 間接加載模型Fig.3 Indirect tensile test (a) loading; (b) loading model

3.2 試驗(yàn)方案

分別選用SBR改性乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青和水性環(huán)氧-SBR改性乳化瀝青(SW)作為坑槽試驗(yàn)的修補(bǔ)界面粘結(jié)料；修補(bǔ)結(jié)構(gòu)試件為：50 mmAC-16修補(bǔ)層+粘結(jié)層+50 mm原AC-16路面層；采用φ100 mm×100 mm圓柱形試件；試驗(yàn)溫度分別為10、45和60 ℃[24]；剪切速率設(shè)定為2 mm/min、直接拉伸速率設(shè)定為20 mm/min；間接拉伸試驗(yàn)溫度分別為10 ℃和45 ℃[25]，控制加載速率為50 mm/min；粘結(jié)料灑布劑量分別為0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 kg/m2。

凍融循環(huán)過(guò)程依次為：真空飽水15 min，恢復(fù)常壓0.5 h，-20 ℃保持6 h，25 ℃恒溫水浴7 h。循環(huán)次數(shù)分別取0、2、5、7和10次[26-29]。

4 坑槽修補(bǔ)粘結(jié)料界面力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件均在粘結(jié)界面發(fā)生粘結(jié)失效破壞(見圖4)，證實(shí)了界面是坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)薄弱部位，表明坑槽修補(bǔ)界面粘結(jié)材料力學(xué)性質(zhì)研究的意義。在水溫雙重因素引起的凍融循環(huán)作用下，修補(bǔ)界面作為路面修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，會(huì)加速破壞[30]，因此本研究分別在干燥和凍融循環(huán)條件下分析粘結(jié)料的力學(xué)性質(zhì)。

圖4 試件破壞形式 (a) 直接拉伸破壞； (b) 間接拉伸破壞； (c) 剪切破壞Fig.4 Failure mode of samples (a) direct tensile failure； (b) indirect tensile failure； (c) shear failure

4.1 干燥條件下力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1.1粘結(jié)料用量對(duì)修補(bǔ)界面強(qiáng)度的影響 從圖5可以看出，隨粘結(jié)料用量的增多，各界面強(qiáng)度值均呈先增后減的變化趨勢(shì)，這表明粘結(jié)料存在最佳撒布用量，這一結(jié)論符合摩爾-庫(kù)侖理論，在最佳用量下修補(bǔ)結(jié)構(gòu)界面強(qiáng)度是由摩阻力和粘結(jié)力組成的最佳力學(xué)組合提供。試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)粘結(jié)料用量為0.6 kg·m-2時(shí)，SBR、SBS、SW三種材料在三種溫度環(huán)境下均顯現(xiàn)出最大界面強(qiáng)度。

圖5 干燥條件下各溫度時(shí)不同粘結(jié)料界面強(qiáng)度值與用量的關(guān)系 (a1,a2) 10 ℃粘結(jié)料剪切和直接拉伸強(qiáng)度； (b1,b2) 45 ℃粘結(jié)料剪切和直接拉伸強(qiáng)度； (c1,c2) 60 ℃粘結(jié)料剪切和直接拉伸強(qiáng)度； (d1,d2) 10 ℃和45 ℃粘結(jié)料間接拉伸強(qiáng)度Fig.5 Relationship between interface strength and the binders at different temperature under dry condition (a1,a2) 10 ℃； (b1,b2) 45 ℃； (c1,c2) 60 ℃； (d1,d2) 10 ℃ and 45 ℃

4.1.2粘結(jié)料種類對(duì)修補(bǔ)界面強(qiáng)度的影響 圖5中不同粘結(jié)料試件的界面粘結(jié)強(qiáng)度差異明顯。三種溫度下，SW粘結(jié)料的剪切、直接拉伸和間接拉伸強(qiáng)度值均高于另外兩種粘結(jié)材料，以10 ℃為例：在最佳用量下，SW粘結(jié)料剪切強(qiáng)度值分別是SBR和SBS粘結(jié)料的1.12倍和1.20倍，直接拉伸強(qiáng)度分別是1.04倍和1.14倍，間接拉伸強(qiáng)度分別是1.02倍和1.16倍。表明在不同溫度下，SW粘結(jié)料具有更優(yōu)良的界面力學(xué)性質(zhì),且低于45 ℃時(shí)的間接拉伸試驗(yàn)與剪切和直接拉伸試驗(yàn)的規(guī)律相同。

4.1.3溫度對(duì)修補(bǔ)界面強(qiáng)度的影響 三種材料不同溫度下界面強(qiáng)度值與用量的關(guān)系如圖6所示。在最佳用量下,當(dāng)溫度由10 ℃升至60 ℃后，SBR粘結(jié)料剪切強(qiáng)度衰減了87%、直接拉伸強(qiáng)度衰減了97%，SBS粘結(jié)料剪切強(qiáng)度衰減了86%、直接拉伸強(qiáng)度衰減了96%，SW粘結(jié)料剪切強(qiáng)度衰減了83%、直接拉伸強(qiáng)度衰減了93%；當(dāng)溫度由10 ℃升至45 ℃后，三種材料的間接拉伸強(qiáng)度分別衰減了88%、87%和87%。溫度升高后，三種材料界面強(qiáng)度值均大幅下降，表明三種材料溫度敏感性均較高；相比之下，SW抵抗溫度變化的能力優(yōu)于SBR和SBS改性乳化瀝青。

圖6 干燥條件下三種材料不同溫度時(shí)界面強(qiáng)度值與用量的關(guān)系 (a) SBR改性乳化瀝青； (b) SBS改性乳化瀝青； (c) SW型粘結(jié)料(下標(biāo)1：剪切強(qiáng)度；下標(biāo)2：直接拉伸強(qiáng)度；下標(biāo)3：間接拉伸強(qiáng)度)Fig.6 Relationship between interface strength and spreading volume of the binders at different temperature under dry condition(a) SBR； (b) SBS； (c) SW (subscript1: shear strength; subscript2: direct tensile strength; subscript3: direct tensile strength)

圖7 經(jīng)多次凍融后的試樣Fig.7 Samples after different freeze-thaw cycles

對(duì)于間接拉伸試驗(yàn)，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，試件粘結(jié)界面處的瀝青混凝土?xí)霈F(xiàn)松散，引起界面粘附、磨阻效應(yīng)退化，其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)發(fā)生波動(dòng)或重分布，導(dǎo)致界面間接拉伸強(qiáng)度急劇下降且離散性較大，故該溫度的試驗(yàn)結(jié)果可參考性較差，未進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2 凍融條件下力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果及分析

三種粘結(jié)材料在凍融條件下的界面強(qiáng)度值及變化情況見表1和圖8。隨著凍融次數(shù)的增加，三種粘結(jié)料界面強(qiáng)度均有衰減，但經(jīng)相同凍融循環(huán)次數(shù)后，SW粘結(jié)料剪切和間接拉伸強(qiáng)度始終高于SBR和SBS粘結(jié)料的界面強(qiáng)度。引入殘留剪切強(qiáng)度和凍融劈裂比TSR進(jìn)行量化，見式(2)、(3)：

(2)

(3)

表1 凍融循環(huán)條件下界面強(qiáng)度值Table 1 Interface strength under different freeze-thaw cycles

圖8 三種粘結(jié)材料不同凍融循環(huán)次數(shù)下界面強(qiáng)度值變化 (a) 剪切強(qiáng)度； (b) 間接拉伸強(qiáng)度Fig.8 Variation of interface strength of the three binders under different freeze-thaw cycles (a) shear strength； (b) indirect tensile strength

表2數(shù)據(jù)表明，三種粘結(jié)材料的層間殘留剪切強(qiáng)度和凍融劈裂比均隨凍融次數(shù)的增加而減小，凍融10次后殘留剪切強(qiáng)度和TSR大小依次均為：SW>SBS>SBR。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的界面強(qiáng)度Table 2 Interface strength under different freeze-thaw cycles

凍融10次后，SW粘結(jié)料試件間接拉伸后未從層間破壞，而壓頭區(qū)域的混合料出現(xiàn)剝落，如圖9所示。表明此時(shí)水對(duì)混合料的侵蝕作用使試件整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，層間粘結(jié)界面已不是修補(bǔ)結(jié)構(gòu)組合試件最薄弱的部位。

圖9 凍融10次后間接拉伸試件未從層間界面破壞Fig.9 Indirect tensile test specimens not failed from the bonding interface after 10 freezing-thaw cycles

5 結(jié) 論

本研究從坑槽修補(bǔ)界面粘結(jié)破損病害機(jī)理入手，針對(duì)研發(fā)的SW粘結(jié)料，選取SBS和SBR改性乳化瀝青粘結(jié)料作對(duì)比，利用直接拉伸和自行設(shè)計(jì)的斜剪及間接拉伸試驗(yàn)，分析坑槽修補(bǔ)界面處粘結(jié)料的力學(xué)性質(zhì)，得到以下結(jié)論：

1．隨修補(bǔ)界面粘結(jié)料用量的增多，界面強(qiáng)度值呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。三種粘結(jié)材料最佳用量均為0.6 kg·m-2，此時(shí)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)界面強(qiáng)度為摩阻力和粘結(jié)力的最佳力學(xué)組合。

2．干燥條件下三種粘結(jié)材料均具有較高溫敏感性，在相同溫度環(huán)境下，SW粘結(jié)料表現(xiàn)出更優(yōu)越的粘結(jié)性能，溫度敏感性低于SBR和SBS改性乳化瀝青粘結(jié)料，更適合于高溫地區(qū)路面坑槽的修補(bǔ)。

3．溫度低于45 ℃時(shí)，間接拉伸與剪切和直接拉伸試驗(yàn)的規(guī)律一致，即粘結(jié)界面的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系；溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，瀝青混合料試件屬于粘彈性體，間接拉伸試驗(yàn)不再適用

4．凍融對(duì)粘結(jié)料界面強(qiáng)度破壞作用明顯。凍融10次后，三種粘結(jié)料殘留剪切強(qiáng)度大小依次為：SW(73.6%)>SBS(54.1%)>SBR(49.1%)，但此時(shí)粘結(jié)界面已不是試件的最薄弱部位，表明SW粘結(jié)料能夠有效抵抗水分對(duì)坑槽修補(bǔ)界面的侵蝕。