SBR改性乳化沥青对路面层间粘结效果的影响

靳庆霞　彭斌　田亚磊　乔建刚

摘要 为有效改善沥青混凝土路面半刚性基层与面层间的粘结效果，增加沥青路面强度和耐久性，本文利用改造后的万能剪切仪来对透层油的性能进行试验研究。首先，通过分析影响沥青路面半刚性基层与面层间固结效果的众因素，选取乳化沥青的种类和用量两个因素研究层间粘结性能，并构建了剪切模型进行试验验证。得到不同乳化沥青透层抗剪强度值，由此确定了SBR改性乳化沥青为其中粘结性较好的透层。继续对不同用量下的SBR透层进行验证，得到用量和剪应力的相互关系。最后，运用滑移模型进行结果分析：该沥青最低用量值为0.36 kg/m2，最佳用量值为0.96 kg/m2。为沥青混凝土面层与半刚性基层间固结、稳定、联结、防水性能的提高提出了一种新的思路。

关 键 词 透层油;抗剪强度;SBR改性乳化沥青;滑移模型

中图分类号 U416.217     文献标志码 A

Effect of SBR modified emulsified asphalt on bonding effect between pavement layers

JIN Qingxia1， PENG Bin2， TIAN Yalei2， QIAO Jiangang2

（1. Wuqing Traffic Bureau， Tianjin 300401， China; 2. School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract In order to improve the bond strength between asphalt concrete surface and semi-rigid base and prolong the service life of asphalt pavement， we use self-refitted shear test device to carry out laboratory tests on permeable oil. Firstly， by analyzing the influencing factors of shear strength between layers of pavement， a shear model was established to obtain the shear strength values of different kinds of permeable layers. At the same time， SBR modified emulsified asphalt was verified to have good cohesiveness. Secondly， by measuring the shear strength of SBR modified emulsified asphalt at different dosages， we obtained the relationship between the amount of permeable oil and shear stress. Finally， the slip model analysis shows that the minimum asphalt content is 0.36 kg/m2， and the optimum asphalt content is 0.96 kg/m2.  The above new idea improves the consolidation， stability， connection and waterproofing performance between asphalt concrete surface and semi-rigid base.

Key words permeable oil; shear strength; SBR modified emulsified asphalt; slip model

0 引言

瀝青混凝土路面面层与半刚性基层间的固结、稳定、联结、防水性能与透层的使用息息相关，我国公路技术规范中明确指出沥青混凝土路面半刚性基层之上必须铺设透层，并且对透层的渗透深度提出了明确要求，渗透深度不应小于5 mm[1]。然而在许多公路施工单位，对于透层油性能并没做到充分了解;甚至在某些设计、施工环节都会忽略透层油的使用。现行标准中还未形成具体的透层质量控制指标及检测办法，推荐的透层材料往往也起不到应有的粘结效果;洒布的透层油渗透深度也不能满足要求，因此不能为路面设计提供足够的抗剪强度和粘结强度，导致公路建设中因层间粘结效果不佳引发的问题层出不穷，严重影响了沥青路面使用寿命[2]。

苏新国、M. Diakhaté A等[3-4]就影响层间抗剪强度的4个因素：粘结材料、环境温度、路面结构类型、污染程度进行了相关试验。田俊壮等[5]选用自制的SBS改性乳化沥青、普通乳化沥青为黏层材料，模拟实际路面层间结合情况。马强[6]为了研究"白改黑"复合路面层间抗剪切性能，通过室内试验，对复合试件进行直接剪切试验。郭央等[7]探讨在旧路改造中采用纤维增强沥青混凝土作为加铺层对改造后路面层间结合状态的影响。但是有关SBR改性乳化沥青做透层对层间粘结效果影响的研究却少有提出，因此本文拟用改造后的万能剪切仪对SBR改性乳化沥青进行试验，揭示其对路面层间粘结效果的影响。

1 层间粘结影响因素及剪切模型的确定

1.1 层间粘结效果影响因素的确定

层间粘结效果的影响因素复杂，包括沥青混合料类型、乳化沥青种类、乳化沥青洒布剂量、温度等。为了评价沥青路面层间的粘结性能，需要以统一的评价指标对路面铺装结构不同因素组合进行对比分析。本文主要针对基面层间铺筑的透层油进行研究，选取乳化沥青的种类和用量两个因素研究其对层间粘结性能的影响。采用室内抗剪试验对层间抗剪强度进行分析，以试件破坏时最大剪切力与剪切变形为粘结性能的评价指标。为确保研究结果的准确性，其中这两个影响因素都做了9个试件研究其平行试验，然后取实验结果平均值，试验温度选择（25±2）℃，剪切速率选取 10 mm/min。

1.2 剪切模型的建立

本文在参考了国内外几种剪切仪后，将试件做成开发模具所配套大小，进行剪切试验，试件见图1、图2;层间结构模型如图3;车辆启动和制动的水平摩擦和车辆荷载的垂直压力，这两种力使得路面结构的层间产生了剪应力，滑移剪切模型见图4所示[8]。

2 剪切试验及结果分析

汽车行驶过程中的制动以及加减速过程中会产生对路面的水平摩擦力作用，运用构建的剪切模型来模拟半刚性基层与面层间抵抗行车荷载水平力作用下产生的剪应力的过程。根据汽车制动力的检测要求，汽车制动力总和与整车重量的比例在空载时应大于60%，在满载时应大于50%，即[α]角必须小于[9]

[minarcsin（1/1+0.52），arcsin（1/1+0.62）=59°]。 （1）

粘结层剪应力[τ]用式（2）表示

[τ=sin40°×F/S ，] （2）

式中：[τ]为粘层界面处的剪应力，MPa;[F]为竖向施加定速率的荷载，N;[S]为试件剪切截面积（100 mm × 50 mm）。

为了评价透层油的粘结能力，实验条件选择的试件为干态，采取空气浴，试验 25±1 ℃温度下进行，剪切速率选择10 mm/min[10]。

1）透层油的种类

根据已有试验路的结构类型，经有限元计算结果知，水稳基层剪应力最大值0.4 MPa，定为标准值，试验结果如表1所示，由此得出条形图5。

从图5中可以看出，使用基质沥青的纯试件的抗剪强度最大，然而透层油还要具有一定的渗透功能，但是基质沥青在常温下的渗透效果几乎为零。因此不再考虑。而市面上的乳化沥青经过试验得出，抗剪效果差，因此经过测试，改性乳化沥青都具有一定的抗剪性能。对比两种改性乳化沥青，SBR较SBS性能更好，说明SBR改性乳化沥青具有良好抗剪强度。

2）透层的最佳用量

透层油的最佳用量数据统计表如表2所示，可得图6及方差分析表3。

从图6可以看出，透层油用量对剪应力有显著影响，为了更好的研究试样沥青用量对剪应力的影响程度，采用单因素方差分析方法进行分析，相关数据如表3所示。由表3得知， F值为121.15;而F0.01（4，40）临界值为3.83，所以F值大于F检验临界值F0.01（4，40），即：α = 0.01的显著水平下，试样的透层油用量和其剪应力之间具有明显的关系。采用单因素方差分析方法进行分析，可知试样的透层油用量和其剪应力之间具有明显的关系。进而构建模型

y =-1.282x+1.436x+0.780x                 （3）

其中，R2 = 0.921，

经滑移模型验证可得，当y = 0.4时，x1 = 0.35，x2 = 1.40（舍去），要想满足抗剪强度的要求，乳化沥青用量必须大于0.36 kg/m2;x = 0.96时，y取最大值0.94，即当乳化沥青用量为0.96 kg/m2时，抗剪强度取最大值0.94 MPa。

通过剪切试验确定了使用透层油的用量不得低于0.36 kg/m2，最佳用量为0.96 kg/m2，在施工过程中用量要依照实际情况进行调整。

3 结论

1）通过分析透层油在沥青路面半剛性基层与面层间作用，选取了乳化沥青的种类和用量两个因素研究其对层间粘结性能的影响;确定以试件破坏时最大剪切强度作为粘结效果的评价指标。

2）针对影响层间剪切力的主要因素透层油种类及其用量，建立剪切模型做了9个试件研究其平行试验，然后取实验结果平均值，试验温度选择（25±2）℃，剪切速率选取 10 mm/min。

3）通过剪切试验验证了SBR乳化沥青具有良好的抗剪强度，并由滑移模型确定了使用透层油的用量不得低于0.36 kg/m2，最佳用量为0.96 kg/m2。

参考文献：

[1]    JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[2]    武建民. 透层油的作用及其性能评价指标体系[J]. 公路，2018，63（2）：26-29.

[3]    苏新国，颜赫，鲁圣弟，等. 沥青路面层间粘结效果影响因素[J]. 长安大学学报（自然科学版），2013，33（3）：21-26，68.

[4]    IAKHATÉ M，MILLIEN A，PETIT C，et al. Experimental investigation of tack coat fatigue performance：Towards an improved lifetime assessment of pavement structure interfaces[J]. Construction and Building Materials，2011，25（2）：1123-1133.

[5]    田俊壮，孙增智，武书华，等. 基于模拟试验的沥青路面层间黏结性能研究[J]. 公路，2016，61（4）：1-6.

[6]    马强. “白改黑”路面层间抗剪切性能影响因素试验研究[J]. 中外公路，2016，36（4）：86-90.

[7]    郭扬，赵颖华，孙鹏. 采用纤维沥青混凝土加铺层的路面层间抗剪性能[J]. 大连海事大学学报，2012，38（3）：117-120.

[8]    汪水银. 半刚性基层与沥青面层粘结性能影响因素[J]. 交通运输工程学报，2010，10（2）：12-19.

[9]    吴仕磊. 沥青路面层间抗剪性能研究[J]. 交通标准化，2013（24）：19-21.

[10]  刘好，刘超，刘庚. 超薄磨耗层NovaChip层间抗剪强度试验研究[J]. 中外公路，2012，32（5）：83-85.

[责任编辑 杨 屹]