成高立，張偉，盧川，張爭(zhēng)奇

(1.陜西高速機(jī)械化工程有限公司，陜西 西安 710038；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

1 引言

冷補(bǔ)料與舊路界面黏結(jié)性能不良將會(huì)直接影響到坑槽修補(bǔ)的耐久性，導(dǎo)致坑槽二次病害的發(fā)生。日常坑槽修補(bǔ)過(guò)程中，一般使用乳化瀝青作為新舊路面界面黏結(jié)液，而在低溫氣候條件下，由于乳化瀝青破乳困難、黏結(jié)性能不足，修補(bǔ)界面甚至不使用界面黏結(jié)液，僅依靠冷補(bǔ)料的黏聚性來(lái)保證新舊路面的黏結(jié)，無(wú)法提供足夠的黏結(jié)力來(lái)抵抗車輛荷載的揉搓剪切以及積水的剝蝕作用，這無(wú)疑是坑槽修補(bǔ)失效的重要原因。基于此，該文選取5種物化性質(zhì)不同的界面黏結(jié)液進(jìn)行低溫工作性能研究，分析界面黏結(jié)材料在不同試驗(yàn)溫度下的黏度變化規(guī)律和固化時(shí)間的差異性，通過(guò)對(duì)不同的摻量、溫度和濕度試驗(yàn)條件下進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，確定黏結(jié)性能最好的界面黏結(jié)液類型和用量。

2 原材料

選擇5種材料進(jìn)行新舊路面黏結(jié)試驗(yàn)研究，分別是：乳化瀝青、水性環(huán)氧乳化瀝青、輕質(zhì)瀝青、基于氰基丙烯酸乙酯類的水性界面黏結(jié)液A和油性界面黏結(jié)液B。

2.1 乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青

為增強(qiáng)乳化瀝青殘留物的溫度穩(wěn)定性和黏附性能，該文選取BH-653+BH532水性環(huán)氧固化體系對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性，水性環(huán)氧樹脂乳液的最佳摻量為4%，水性環(huán)氧樹脂與固化劑的比例為1∶1。乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 輕質(zhì)瀝青

輕質(zhì)瀝青是經(jīng)過(guò)稀釋劑降黏的一種能在常溫或低溫條件下處于流淌狀態(tài)，具有較低黏度的液態(tài)物質(zhì)，其主要成分及摻配比為：SK90#基質(zhì)瀝青∶柴油稀釋劑∶增黏劑∶抗剝落劑=100∶50∶4∶0.6。

2.3 界面黏結(jié)液A和B

基于氰基丙烯酸乙酯類的水性界面黏結(jié)液A和油性界面黏結(jié)液B是以α-氰基丙烯酸乙酯為主，加入增黏劑、穩(wěn)定劑、增韌劑、阻聚劑等，通過(guò)先進(jìn)生產(chǎn)工藝合成的單組分瞬間固化黏結(jié)，能黏結(jié)絕大多數(shù)材質(zhì)的物質(zhì)。根據(jù)溶劑化學(xué)性質(zhì)的不同，將水溶性黏結(jié)液定義為黏結(jié)液A，油性黏結(jié)液定義為黏結(jié)液B。界面黏結(jié)液A和B能夠在低溫潮濕等特殊條件下快速形成強(qiáng)度，保持較好的黏結(jié)性能和防水性能，兩種界面黏結(jié)液相關(guān)技術(shù)指標(biāo)匯總見表2。

表2 界面黏結(jié)液主要技術(shù)指標(biāo)

2.4 冷補(bǔ)瀝青混合料

該文所用冷補(bǔ)瀝青混合料為適應(yīng)低溫季節(jié)、低溫地區(qū)坑槽修補(bǔ)而研制的一種低溫型冷補(bǔ)料，此種冷補(bǔ)料能克服普通常溫型冷補(bǔ)料低溫季節(jié)施工和易性不佳，早期強(qiáng)度形成較慢的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)其低溫抗裂性能也能起到一定提升作用，其相關(guān)性能指標(biāo)見表3。

表3 冷補(bǔ)瀝青混合料性能指標(biāo)

3 界面黏結(jié)液工作性能分析

3.1 黏度試驗(yàn)

界面黏結(jié)液在低溫條件下需要具有適宜的黏度，以保證其在涂刷過(guò)程中的便利可操作性。選取的5種界面黏結(jié)液在不同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行工作性能試驗(yàn)分析，試驗(yàn)采用Brookfield 黏度計(jì)，對(duì)5種界面黏結(jié)液在不同溫度下的黏度進(jìn)行了試驗(yàn)和研究。試驗(yàn)選取5、20、35 ℃3個(gè)試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同界面黏結(jié)液黏度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：

(1)5種界面黏結(jié)液黏度在相同溫度條件下有很大的差異，且同一種材料在不同的溫度下其黏度也有差異。

(2)乳化瀝青、水性乳化瀝青和輕質(zhì)瀝青的黏度隨著溫度升高而逐漸降低，說(shuō)明其低溫條件下具有較好的黏結(jié)力和路用性能。

(3)界面黏結(jié)液A和界面黏結(jié)液B的黏度則隨著溫度的升高有所提升，這是因?yàn)閮烧咴跍囟壬哌^(guò)程中，材料內(nèi)部的固化物分子存在少量固化作用，提高了界面黏結(jié)液的黏度。

(4)輕質(zhì)瀝青在5 ℃時(shí)黏度較大，其20、35 ℃的黏度達(dá)到其他黏結(jié)液黏度的40～200倍，輕質(zhì)瀝青用于坑槽修補(bǔ)時(shí)的界面黏結(jié)液需要加熱處理。其他4種黏結(jié)液的強(qiáng)度均滿足坑槽修補(bǔ)要求。

3.2 固化時(shí)間分析

界面黏結(jié)液的物理化學(xué)反應(yīng)速率與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，活化分子數(shù)增多，有效碰撞增加，反應(yīng)速率加快，相應(yīng)界面黏結(jié)液的固化時(shí)間也會(huì)加快。在低溫條件下，界面黏結(jié)液的固化時(shí)間相比于常溫條件會(huì)變長(zhǎng)。該文對(duì)等量的5種界面黏結(jié)材料分別涂刷在干凈的玻璃板上，然后放置于5 ℃低溫環(huán)境下，觀察其達(dá)到表干程度和完全固化需要的時(shí)間，結(jié)果見表5。

表5 黏結(jié)液固化時(shí)間

由表5可知：

(1)固化時(shí)間最短的為黏結(jié)液B，其表干時(shí)間為1～2 h，完全固化時(shí)間為4 h左右，其次為水性環(huán)氧乳化瀝青，表干時(shí)間為4～6 h，固化速度最慢的為輕質(zhì)瀝青，其完全固化時(shí)間大于72 h。

(2)黏結(jié)液B和黏結(jié)A是一種化學(xué)膠體物質(zhì)，其油性界面黏結(jié)液B相比較水性黏結(jié)液A固含量較大，且在低溫條件下黏度適中，表干時(shí)間和完全固化時(shí)間較短。而水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青和乳化瀝青同屬于水油混合體系，其乳化瀝青的破乳速度受環(huán)境溫度影響顯著，隨著溫度的提高，其破乳固化速度能明顯提高。而輕質(zhì)瀝青中含有柴油稀釋劑，當(dāng)溫度較低時(shí)，柴油稀釋劑成分揮發(fā)速度較慢，故其黏結(jié)強(qiáng)度在低溫條件下形成較慢。

(3)油性界面黏結(jié)液B在選擇的5種黏結(jié)液中固化成型速度較快，滿足冷補(bǔ)料修補(bǔ)坑槽所用界面黏結(jié)液固化速度的要求。

4 界面黏結(jié)性能分析

4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

新舊界面的黏結(jié)性能與界面黏結(jié)材料、界面濕度條件(干燥或者濕潤(rùn))、應(yīng)用溫度條件影響有關(guān)。通過(guò)對(duì)5種界面黏結(jié)材料不同試驗(yàn)條件下的層間拉拔試驗(yàn)和層間剪切試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)不同界面材料在不同界面條件和溫度下的抗剪和抗拉力學(xué)性能。該文選取SBS改性瀝青混合料作為鋪筑復(fù)合車轍板下面板路用材料。試驗(yàn)選取工程中常用的AC-13型級(jí)配，礦料選用石灰?guī)r，油石比定為4.8%。

4.2 黏結(jié)液用量對(duì)界面黏結(jié)性能影響分析

黏結(jié)液用量的多少直接決定著新舊路面結(jié)合部位黏結(jié)性能的好壞，黏結(jié)液劑量過(guò)少無(wú)法保證新舊路面接觸充分，黏結(jié)效果不佳；而黏結(jié)液用量過(guò)多則會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)其固化時(shí)間，無(wú)法在短時(shí)內(nèi)形成足夠的強(qiáng)度，該文選取界面黏結(jié)材料用量分別為0.1、0.3、0.5、0.7和0.9 kg/m2，界面濕度條件定為干燥狀態(tài)，養(yǎng)生固化條件為5 ℃下養(yǎng)生3 d，待界面黏結(jié)液完全固化后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和層間剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同界面黏結(jié)液用量下界面黏結(jié)性能

由圖1可知：

(1)5種界面黏結(jié)材料的抗拉和抗剪強(qiáng)度均隨著材料用量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)黏結(jié)液用量過(guò)少時(shí)，黏結(jié)液無(wú)法充分滲透到試件一定深度范圍內(nèi)，進(jìn)而無(wú)法提供有效的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；相反，當(dāng)黏結(jié)液用量過(guò)多時(shí)，黏結(jié)液無(wú)法全部固化，未固化的黏結(jié)液易形成薄弱層，無(wú)法提供所需的黏結(jié)強(qiáng)度。推薦黏結(jié)液B的最佳用量為0.3～0.4 kg/m2，水性環(huán)氧乳化瀝青和乳化瀝青的最佳用量為0.4～0.5 kg/m2，輕質(zhì)瀝青最佳用量為0.3～0.4 kg/m2，黏結(jié)液A的最佳用量為0.4～0.5 kg/m2。

(2)5種界面黏結(jié)液中，氰基丙烯酸乙酯類油性黏結(jié)液B的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，其次為水性環(huán)氧乳化瀝青，最差的為水性黏結(jié)液A，黏結(jié)性能綜合排序?yàn)椋吼そY(jié)液B>水性環(huán)氧乳化瀝青>輕質(zhì)瀝青>乳化瀝青>黏結(jié)液A>不加黏結(jié)液。

4.3 養(yǎng)生溫度對(duì)界面黏結(jié)性能影響分析

該文冷補(bǔ)料設(shè)定-10、5、20、35及50 ℃共5個(gè)養(yǎng)生試驗(yàn)溫度，對(duì)5種界面黏結(jié)液在不同的試驗(yàn)溫度下分別進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，界面濕度條件為干燥狀態(tài)，養(yǎng)生時(shí)間為3 d，黏結(jié)液用量為上節(jié)確定的最佳用量，養(yǎng)生溫度與界面黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)生溫度條件下界面黏結(jié)性能

由圖2可知：

(1)5種界面黏結(jié)液的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著溫度的提高而增加，從-10 ℃到50 ℃，輕質(zhì)瀝青、乳化瀝青、水性環(huán)氧乳化瀝青、黏結(jié)液A、黏結(jié)液B抗剪強(qiáng)度增幅分別為：61.2%、85.7%、106.9%、147.1%、36.9%，抗拉強(qiáng)度的增幅分別為95.6%、201.6%、182.0%、180.8%、98.0%。

(2)在低溫(5 ℃)養(yǎng)生條件下，黏結(jié)液B的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于其他4種黏結(jié)液，在5 ℃溫度條件下，黏結(jié)液B的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別是水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的1.2倍和2.2倍，且其黏結(jié)性能隨著溫度升高也在不斷升高。

(3)由乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)可知，兩種乳化瀝青在常溫或高溫條件下能更快破乳形成足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，而在低溫氣候條件下黏結(jié)效果不佳。

4.4 界面濕度對(duì)界面黏結(jié)性能影響因素分析

為分析界面濕度條件對(duì)新舊界面黏結(jié)性能的影響，在制作復(fù)合車轍板過(guò)程中，對(duì)AC-13下面板選擇進(jìn)行濕處理和干燥處理兩個(gè)試驗(yàn)條件，AC-13下面板濕處理噴水量為0、0.15、0.3、0.45、0.6 kg/m2共5個(gè)試驗(yàn)方案，濕處理后分別涂刷5種界面黏結(jié)劑，待黏結(jié)材料在相應(yīng)的試驗(yàn)條件下固化完成后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和層間剪切試驗(yàn)、以分析界面濕度條件對(duì)界面黏結(jié)性能的影響。養(yǎng)生固化條件為5 ℃養(yǎng)生3 d，黏結(jié)液用量為確定的最佳用量，養(yǎng)生溫度與黏結(jié)液黏結(jié)性能的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同界面濕度條件下界面黏結(jié)性能

由圖3可知：

(1)界面水分的存在對(duì)黏結(jié)液的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有顯著影響。輕質(zhì)瀝青噴水量從0 kg/m2增至0.6 kg/m2，其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降幅分別為75.5%和71.2%；其次黏結(jié)液A，降幅分別為62.2%和51.1%；降幅最低為黏結(jié)液B，分別為47.2%和23.1%。而乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的降低在50%左右。

(2)對(duì)于乳化瀝青、水性環(huán)氧、界面黏結(jié)液A和界面黏結(jié)液B這4種黏結(jié)材料，其黏結(jié)性能的降低速率呈現(xiàn)逐漸增大的過(guò)程，而對(duì)于輕質(zhì)瀝青，其降低速率逐漸降低，這主要是因?yàn)槿榛癁r青，水性環(huán)氧乳化瀝青，界面黏結(jié)液A同屬于水性體系，噴灑適量水只會(huì)將其稀釋，隨著水分的蒸發(fā)，其黏結(jié)性能損害不多；相反噴水量過(guò)大時(shí)，水分蒸發(fā)慢，易損害界面的黏結(jié)性能。而對(duì)于輕質(zhì)瀝青，在5 ℃下瀝青層和水分直接分離，新舊路面結(jié)合部位形成了隔斷層，進(jìn)而直接損害輕質(zhì)瀝青的黏結(jié)性能。

(3)水分對(duì)新舊路面結(jié)合處的黏結(jié)性能影響較為顯著，在實(shí)際施工過(guò)程中，要將坑槽四周清理干凈，使結(jié)合部位干燥，才能保證黏結(jié)材料發(fā)揮其最優(yōu)異的黏結(jié)效果。

4.5 考慮溫度、濕度綜合作用下的黏結(jié)性能

在研究溫度、濕度單一變量對(duì)黏結(jié)性能影響的基礎(chǔ)上，研究濕度、溫度綜合作用下的黏結(jié)性能。在設(shè)定的試驗(yàn)條件下分別進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和層間剪切試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)復(fù)雜氣候環(huán)境條件下5種界面黏結(jié)液的黏結(jié)性能。試驗(yàn)養(yǎng)生溫度設(shè)定為5、20 ℃；養(yǎng)生濕度設(shè)定為干燥和潮濕(灑水量為0.3 kg/m2)，養(yǎng)生時(shí)間為設(shè)定試驗(yàn)條件下養(yǎng)生3 d。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同養(yǎng)生條件下界面黏結(jié)性能

由圖4可知:

(1)5種界面黏結(jié)材料在界面潮濕及5 ℃養(yǎng)生條件下所表現(xiàn)出來(lái)的黏結(jié)特性在4種試驗(yàn)條件下最差。

(2)當(dāng)養(yǎng)生條件限定為干燥時(shí)，在常溫條件下(20 ℃)，輕質(zhì)瀝青、乳化瀝青、水性環(huán)氧乳化瀝青、黏結(jié)液A及黏結(jié)液B的抗剪強(qiáng)度分別較低溫條件下(5 ℃)增長(zhǎng)了10.4%、20.2%、24.9%、35.6%和6.8%，而抗拉強(qiáng)度則分別增長(zhǎng)了10.1%、13.1%、16.2%、32%、17.3%。

(3)當(dāng)養(yǎng)生條件限定在低溫條件下時(shí)，干燥界面下的輕質(zhì)瀝青、乳化瀝青、水性環(huán)氧乳化瀝青、黏結(jié)液A及黏結(jié)液B的抗拉強(qiáng)度分別較潮濕界面下的增長(zhǎng)了95.4%、58.6%、28.3%、47.1%和22.6%，抗剪強(qiáng)度則分別增長(zhǎng)了136.2%、14.8%、24.4%、17.4%和12.4%。

(4)在最不利環(huán)境下，界面黏結(jié)液B的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于其他4種界面黏結(jié)液，因此在選擇界面黏結(jié)液作為坑槽修補(bǔ)時(shí)新舊界面的黏結(jié)材料時(shí)，黏結(jié)液B在低溫復(fù)雜環(huán)境下仍具有較好的黏結(jié)性能。

5 結(jié)論

(1)5種界面黏結(jié)液中，輕質(zhì)瀝青的低溫黏度最大，其他4種界面黏結(jié)液黏度均滿足低溫施工要求；完全固化時(shí)間：輕質(zhì)瀝青>黏結(jié)液A>乳化瀝青>水性環(huán)氧乳化瀝青>黏結(jié)液B。

(2)不同黏結(jié)液摻量下界面抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：氰基丙烯酸乙酯類油性黏結(jié)液B的最佳用量為0.3～0.4 kg/m2，水性環(huán)氧乳化瀝青和乳化瀝青的最佳用量為0.4～0.5 kg/m2，輕質(zhì)瀝青最佳用量為0.3～0.4 kg/m2，氰基丙烯酸乙酯類水性黏結(jié)液A的最佳用量為0.4～0.5 kg/m2。在最佳黏結(jié)液用量下黏結(jié)性能排序?yàn)椋吼そY(jié)液B>水性環(huán)氧乳化瀝青>輕質(zhì)瀝青>乳化瀝青>黏結(jié)液A。

(3)不同溫度、濕度試驗(yàn)條件下的界面抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：界面黏結(jié)液B的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于其他4種界面黏結(jié)液。因此選擇氰基丙烯酸乙酯類油性界面黏結(jié)液B作為坑槽修補(bǔ)時(shí)新舊界面的黏結(jié)材料。