SBS改性乳化沥青黏层材料的剪切性能

尚庆芳，田俊壮，牛昌昌，郑南翔

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061； 2.广西交通科学研究院有限公司 广西道路结构与材料重点实验室，广西 西宁 530007； 3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

SBS改性乳化沥青黏层材料的剪切性能

尚庆芳1，田俊壮2，牛昌昌1，郑南翔3

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061； 2.广西交通科学研究院有限公司 广西道路结构与材料重点实验室，广西 西宁 530007； 3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

为了解决安徽地区沥青路面层间黏结性能差的问题，防止发生拥包、推移等病害,通过研究4种不同黏层材料(SBS、SBR改性乳化沥青、普通乳化沥青和热沥青)的抗剪强度，评价不同黏层材料的性能。结果表明：4种材料中，SBS改性乳化沥青黏层材料的抗剪性能较好，且其涂布量为0.8 kg·m-2左右时层间抗剪效果最佳。

黏结性能；黏层材料；SBS改性乳化沥青；抗剪强度

0 引 言

随着汽车使用量的增加，中国公路的实际交通量远大于其设计通行能力，再加上高温、重载等不利条件，致使通车不久后的沥青路面就出现拥包、层间滑移等病害，严重影响路面的使用性能。出现上述病害的主要原因是：在实际道路施工中，路面是分层铺筑的，为了使每一层结构的表面光滑、平整，铺筑时要对每一层都进行充分的碾压，这样就降低了2个结构层之间的摩擦力；而层间的黏结性能主要是由黏层材料性能的好坏来决定的。若洒布的黏层材料性能不好，结构层间的黏结强度不高，就不能够很好地抵御外界作用与层间的剪切力，层间就很容易产生病害。

由于乳化沥青具有众多优点，如常温下呈液态、可直接施工而不需要加热、对环境的污染较小等，因而引起众多道路研究人员的广泛关注[1-6]。但是，面对现在苛刻的公路环境，大部分黏层材料的某些性能还是达不到路面使用的要求。近年来，SBS改性乳化沥青得到广泛的应用，其黏结性好、弹性恢复能力强、抗裂性能好等[7-13]优点能改善中国地域差别和气温差别大带来的不利影响，因此具有较好的应用前景。本文就SBS改性乳化沥青黏层材料的剪切性能进行研究。

1 试验用原材料及方案

1.1 原材料和级配

试验用沥青为壳牌SBS改性沥青，按照《公路工程及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的相关规定进行性能检测，结果见表1。

表1 SBS改性沥青技术指标

试验用粗、细集料的技术指标见表2、3，其性能的检测按《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中的规定进行。

表2 粗集料指标

表3 细集料指标

混合料试验用填料矿粉的技术指标见表4，其性能检测按《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中的相关规定进行。

表4 矿粉技术指标

做剪切试验时采用双层车辙板试件，其上、下两层均是AC-13混合料，级配按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的有关规定进行设计，见表5，与之对应的级配曲线如图1所示。为避免级配不同对试验结果造成影响，此次试验统一采用AC-13级配中值。

表5 AC-13沥青混合料级配矿料组成 %

图1 AC-13沥青混合料级配曲线

此次试验采用的成品黏层材料有SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青、普通乳化沥青和普通热沥青(SK-90#基质沥青)，基本性能按《公路工程及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的相关规定进行检测，其中SK-90#沥青的技术指标见表6，各黏层材料基本指标对比见表7。

1.2 试件成型方法及剪切仪器

首先成型双层车辙版试件，顺序为：成型下层结构(AC-13沥青混合料)；洒布黏层材料，室温下待其破乳；成型上层结构(AC-13沥青混合料)。

车辙版尺寸为30 cm×30 cm×5 cm，将烘干的矿料和已熔融好的沥青按一定的比例依次倒入拌和锅进行拌和，称取一定质量的已拌好的混合料装入已加热的试模中，温度高时先用小锤进行适当击实，等到温度达到要求时再用轮碾机碾压成型，上下两层的碾压方向须一致。将成型好的试件在规定的条件下养护，然后用钻芯机钻取芯样以备试验。

表6 SK-90#基质沥青技术指标

表7 三种乳化沥青指标对比

图2 剪切试验加载过程

剪切试验仪采用长安大学自主研发的多功能道路层间力测试仪。试件的加载方式如图2所示：将芯样固定在移动小车下方夹具中，并调整小车位置，使芯样的中轴线与夹具中心对正；调整夹具高度，使其与试件高度相同；控制液压源在垂直方向上对试件施加竖向正压力，控制水平方向液压源在水平方向上对试件施加剪切力，试件沿上下层接触面发生破坏。

剪切强度计算公式为

G=F/s

(1)

式中：G为剪切强度(kPa)；F为最大加载值(kN)；s为接触面积(m2)，对于直径为150 mm的试件，s=0.017 67 m2。

2 试验结果与分析

大量研究资料表明，压应力、拉拔应力和剪应力是影响沥青路面层间状态的主要因素，而拉拔应力和剪应力对沥青层间的黏结有不利影响，且剪应力是引起层间破坏的主要因素之一[14-17]。因此，本次试验用抗剪强度来评价层间黏结材料的黏结性能。

2.1 黏结材料类型

由于不同种类的黏层材料对路面层间黏结性能的影响不同，故本试验选择4种黏层材料：SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青、普通乳化沥青和热沥青。试验温度分别为25 ℃、45 ℃、60℃，控制竖向压应力的大小为0.7 MPa。乳化沥青类的涂布量定为0.8 kg·m-2，热沥青的涂布量定为0.4 kg·m-2，试验结果如图3所示。

图3 不同温度下不同类型乳化沥青的抗剪强度对比

由图3可知，相同温度时的抗剪强度从大到小排序为：SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青、普通乳化沥青、普通热沥青。由于试验用试件为同一类型的混合料，故其层间的摩擦力基本相同。由此可知， SBS改性乳化沥青是4种黏层材料中抗剪效果最好的。

2.2 乳化沥青涂布量

黏层材料用量过多易导致层间滑移病害；用量过少层间黏结又不足。层间洒布适量的黏层材料，可以使路面形成一个整体结构，因此黏层材料的洒布量很关键。洒布量定义为单位面积路面上材料的用量。由于黏层材料和上下两层混合料之间存在交互作用，所以黏层材料中结构沥青的多少直接影响其黏结强度的大小。黏层材料的黏度在夏季高温季节下降，结构沥青膜的厚度也随之减小。因此可知，黏层的抗剪强度在很大程度上是受其涂布量和结构沥青膜厚度的影响。

此次试验选择了6种涂布量(黏层材料选用SBS改性乳化沥青)，即0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 kg·m-2，成型试件并在温度分别为20 ℃、45 ℃、60 ℃时进行剪切试验，所施加的竖向压应力为0.7 MPa，试验结果如图4所示。

图4 不同温度下乳化沥青涂布量与抗剪强度的关系

通过分析可知，在3种试验温度下，随着SBS改性乳化沥青涂布量的增加，层间剪切力先逐渐增大，后逐渐减小，中间有最大值。其原因为：黏层材料涂布量合适时，层间的黏结力较强，但涂布量较多时，路面层间易形成富油层，多出来的这部分黏层材料增加了层间的润滑作用，降低了黏结性，故层间的黏结力有所下降，因此存在一个最佳用量。

当SBS改性乳化沥青涂布量为0.2～0.4 kg·m-2时，由于黏层材料的用量很少，在层间未能构成有效的结构沥青，故其抗剪强度较低。但是，随着改性乳化沥青用量的增加，层间沥青膜变厚，使之能够在层间形成有效的结构沥青，从而层间抗剪强度增加。当SBS改性乳化沥青涂布量超过0.8 kg·m-2时，层间的沥青膜更厚，此时层间出现自由沥青，导致黏层材料的润滑作用大于抗剪作用，使层间的抗剪强度降低。由此可知，黏层材料的最佳涂布量为0.6～1.0 kg·m-2。

2.3 乳化沥青固含量

试验选择4个固含量进行剪切试验，即50%、55%、60%、65%，控制试验施加的竖向压应力大小为0.35 MPa，涂布量统一选用0.8 kg·m-2，黏层材料为SBS改性乳化沥青，其中乳化沥青中改性剂和乳化剂添加量分别为为3.5%和1.5%，试验结果如图5所示。

图5 不同乳化沥青固含量下的抗剪强度

由图5可知，在任一温度时，黏层材料的抗剪强度均随着乳化沥青固含量的增加呈现上升趋势。温立影[18]的研究表明，乳化沥青蒸发残留物的延度和针入度随着其固含量的增加而逐渐增大，同时其大小还会对软化点及弹性恢复产生一定的影响，因此乳化沥青固含量的增加有利于改善黏层材料的性能以及层间的抗剪强度。但是，乳化沥青的固含量越高，其制备就越困难，而且施工洒布时需要的温度也就更高；此外，乳化沥青固含量的增加与其抗剪强度的增加并不是线性、同比例的。因此，从制备难易和经济性方面考虑，建议施工时最好采用固含量为50%的改性乳化沥青。

3 结 语

(1)黏层材料抗剪性能从大到小排序为：SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青、普通乳化沥青。

(2)本试验中，黏层材料涂布量为0.8 kg·m-2左右时层间抗剪效果最好，在实际施工中可以根据具体情况进行施工控制。

(3)层间的抗剪性能受温度变化的影响比较大，当温度从20 ℃上升到60 ℃时，层间的剪应力急剧减小，说明在夏季高温季节路面更易产生层间推移破坏。

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ShearPropertiesofSBSModifiedEmulsifiedAsphaltasBindingMaterial

SHANG Qing-fang1, TIAN Jun-zhuang2, NIU Chang-chang1, ZHENG Nan-xiang3

(1. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China;2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Material, Guangxi Transportation Research Institute,Nanning 530007, Guangxi, China; 3. School of Highway, Chang’an University,Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to solve the problem of poor adhesion between the courses of asphalt pavement in Anhui Province and to prevent the diseases such as upheaval and slippage, the shear strength of four different binding materials, including SBS modified emulsified asphalt, SBR modified emulsified asphalt, ordinary emulsified asphalt and ordinary hot asphalt, was studied so as to evaluate their performance. The results show that the SBS modified emulsified asphalt shows better shear strength as binding material than the others, and the best effect could be achieved when the application rate is about 0.8 kg·m-2.

binding property; binding material; SBS modified emulsified asphalt; shear strength

U414.01

B

1000-033X(2017)11-0077-04

2017-05-04

国家自然科学基金项目(51202016，51408044)

郑南翔(1957-)，男，河南温县人，教授，工学博士，研究方向为路面材料、结构及养护技术。

[责任编辑:杜敏浩]