双层碎石封层中沥青与集料粘附性影响因素研究

周苗苗，朱其涛，邱业绩

（1.陕西路桥集团有限公司，西安 710075；2.西安公路研究院，西安 710065）

随着各国经济的发展，交通量逐步增加，使得路面达不到设计年限就出现各种损坏，针对这些问题各国采取了一系列的预防性养护措施。常见的预防性养护措施有：碎石封层、微表处、薄层罩面、稀浆封层、雾封层等。每种养护措施有其自身的适用范围和优点，众多养护措施中最为经济和有效的是碎石封层。碎石封层在国外已经得到广泛的使用，20世纪90年代，美国33 个州的沥青路面养护中使用到碎石封层，法国每年的碎石封层施工面积达到3.5 亿平方米，澳大利亚沥青路面磨耗层中使用碎石封层达到25 万公里[1]。在国内，广东、辽宁等省份也进行了大量的碎石封层施工。碎石封层优点很多，能增加路面抗滑能力，防止水分进入路面结构内部，减少反射裂缝，提高路面的防渗水能力，还能延长路面的使用寿命。目前，碎石封层在使用的过程中容易出现泛油、脱落掉粒、推移等病害。出现脱落掉粒的主要原因是沥青与集料的粘附性不足造成的。当前沥青与集料的粘附性机理主要有五种理理论[2]，力学理论、化学反应理论、表面能理论、分子定向理论，表面构造理论。这适用于沥青混合料，而碎石封层中沥青与集料并不是全部裹覆的，针对碎石封层出现脱落掉粒的现象，赵含参考国外碎石封层的评价方法，提出了粘结材料粘附率（Se）、粘结材料暴露率（Ca）、碎石封层扫刷试验实测的自然脱落率（TLL1）、自然及扫刷后总脱落率（TLL2）四项评价指标[3]。高卓等从碎石封层路面使用的环境温度角度出发，对碎石封层的粘附性展开了研究[4]。覃峰等从石料、沥青、碎石封层使用环境温度三个方面对碎石封层的粘附性进行了研究[5]。郑平安、曹勇等展开了高性能双层碎石封层的研究，并以自然脱落率和扫刷试验的扫刷脱落率作为双层碎石封层粘附性的评价指标，同时对双层碎石封层的橡胶颗粒掺量和预裹覆沥青用量进行了研究[6-7]。目前碎石封层以碎石脱落率作为粘附性评价指标，但并未对双层碎石封层中沥青与集料的粘附性影响因素进行研究，基于此，本文以薄双层碎石封层作为研究对象，从预裹覆、橡胶颗粒掺量、石料和沥青的撒布温度、沥青的种类四个方面对碎石封层的粘附性影响因素展开研究。

1 原材料组成

本研究所用结合料为90#基质沥青和SBS 改性沥青（SBS 内掺4.5%），其技术指标见表1和表2。石料选用石灰岩，当前大量的研究显示，石灰岩与沥青的粘结效果比较好[8-9]。所用石灰岩为单一粒径，有4.75～9.5 mm 和9.5～13.2 mm两种规格，其技术指标见表3。橡胶颗粒为常温法生产的16 目橡胶颗粒，因为常温法生产的橡胶颗粒的表面凹凸不平，有利于吸收沥青中的轻质组分发生溶胀，增强沥青与石料的粘结强度[10]。

表1 90# 基质沥青技术指标

表2 SBS 改性沥青技术指标

表3 石料技术指标

2 预裹覆对碎石封层粘附性的影响

双层碎石封层中对上层石料采用预裹覆的施工工艺，能带来较好的施工效果，不仅能提高石料的撒布温度还能消除撒布时粉尘对环境的污染，同时提高上层碎石与上层沥青的粘附性。当前，预裹覆沥青结合料采用的是基质沥青，油石比为0.4%～0.66%[11-12]。

2.1 预裹覆沥青用量的确定

由于预裹覆后沥青和碎石温度较高，掺加橡胶颗粒后，橡胶颗粒会吸附部分预裹覆沥青，因此要适当上调预裹覆沥青用量。采用90#基质沥青对上层石料进行预裹覆试验，其中预裹覆的沥青用量分别为0.5%、0.8%、1.1%，石料粒径为4.75～9.5 mm。当预裹覆的沥青用量占碎石质量的0.5%时，出现离析；当预裹覆的沥青用量占碎石质量的0.8%时，掺加的橡胶颗粒与碎石粘结效果较好；当预裹覆的沥青用量占碎石质量的1.1%时，所掺加的橡胶颗粒结团现象比较严重，在这种情况下将会影响到双层碎石封层的路用性能。因此，双层碎石封层中预裹覆沥青用量为碎石质量的0.8%为宜。

2.2 预裹覆前后的粘附性

试件制作：将90#沥青加热到140 ℃，SBS改性沥青加热到160 ℃，石料水洗烘干后加热到140 ℃。将油毡纸平铺到桌面，并放置一个内径为300 mm 的圆形橡胶试模，将称好的90#沥青均匀的撒布到油毡纸上，并撒布碎石，用小钢轮初步碾压整平后铺上橡胶垫放在轮碾仪上碾压4～5 遍，将制作好的下层放置待用。上封层制作时应先在石料中加入0.8%的90#沥青进行预裹覆，在下层表面要均匀的撒布SBS 改性沥青，然后撒布预裹覆好的石料，其碾压过程同下层的制作过程，碾压完毕放置在60 ℃烘箱养生1 h 后取出放置24 h 后待用。未进行预裹覆的试件制作方法相同。每组试件为3 个。

将制作好的封层试件放置在承载盘中，用毛刷轻扫封层表面未粘结沥青的浮动碎石，称取其质量。封层前后的质量差就为自然脱落质量，脱落质量与上层碎石质量的比值为自然脱落率。然后将试件放在扫刷机上扫刷300 s，称取扫刷下来的质量为扫刷脱落质量，扫刷脱落质量与扫刷面积对应碎石的质量的比值为扫刷脱落率。其自然脱落率和扫刷脱落率平均值见表4。

表4 预裹覆试验结果

通过表4可以看出，预裹覆的双层碎石封层自然脱落率和扫刷脱落率比未预裹覆的低，由于预裹覆之后，能提高碎石温度，增加了沥青的爬升高度。有研究表明沥青爬升高度约为石料的2/3 时，沥青与石料才有足够的粘结强度。因此，建议在施工过程中对双层碎石封层的上层石料加入0.8%的90#基质沥青进行预裹覆。

3 不同掺量橡胶颗粒对粘附性的影响

在沥青混合料中掺入橡胶颗粒具有减振降噪的作用[13]，双层碎石封层中掺入橡胶颗粒也能起到减振降噪的效果，橡胶颗粒的掺量越多减振降噪效果越好，但是对粘附性有一定影响，因此需要对橡胶颗粒的掺量对双层碎石封层中沥青与集料的粘附性展开研究。

试验设计：试件下层的制作同上，在上封层制作的过程中需要对石料进行预裹覆，沥青用量为上层石料质量的0.8%，橡胶颗粒的掺量（掺量为橡胶颗粒占上层石料质量，掺入方法：投入石料中与石料充分拌和）分别为0%、1%、2%、3%，试件制作成型后放置待用。通过扫刷试验和低温扫刷试验对粘附性进行评价，试验结果见表5和表6。

表5 掺加橡胶颗粒薄双层碎石封层扫刷试验结果

表6 橡胶颗粒掺量对薄双层碎石封层低温性能的影响

通过表5和表6可以看出，碎石封层中掺入橡胶颗粒对碎石的脱落率有一定影响，在上层石料中掺加橡胶颗粒能将爬升高度足够的沥青结合料吸收，降低粘结性，当橡胶颗粒的掺量大于2%时，碎石的脱落率明显增加，这是由于加入过多橡胶颗粒后，橡胶颗粒会吸收一些沥青，从而影响沥青与碎石的粘附性。因此，在实际施工过程中要严格控制橡胶颗粒的用量（建议用量在1%～2%之间）。

4 撒布温度和沥青种类对粘附性的影响

4.1 下层集料的撒布温度对沥青爬升高度的影响

双层碎石封层的防渗透性能主要依靠下层沥青结合料，因此下层沥青的爬升高度是碎石封层发挥功能的关键因素。

试验设计：本试验试件的做法同双层碎石封层试件下层的做法，沥青选用SBS 改性沥青，加热至160 ℃，石料选用粒径为9.5～13.2 mm的石灰岩，加热温度分别为30，80，120，140 ℃，将碾压成型的试件放在60 ℃烘箱中养生1 h，放置24 h 后，将待测的试件放在60 ℃烘箱中30 min，从不同位置掰下石料，用游标卡尺测量沥青的爬升高度，结果见图1。

从图1可以看出，随着石料撒布温度的提高，沥青在石料上的爬升高度逐步上升但有减缓的趋势。有研究表明，由于流体沥青的表面张力，可沿石料表面向上爬升，爬升高度约为石料高度的70%，并在石料的表面形成一个半月面，使石料被沥青裹覆的面积约70%，保证了沥青与石料有足够的结合强度[14]。为此，提高沥青与集料的粘附性，增加石料被沥青裹覆的面积，是该项技术的关键。因此，在实际的施工过程中要严格控双层碎石封层中下层石料的撒布温度，建议控制在80～120 ℃为宜。

图1 爬升高度试验结果

4.2 沥青种类和撒布温度对上层碎石与沥青粘附性的影响

本试验所用试件的双层碎石封层制作方法同上。预裹覆沥青用量为0.8%，橡胶颗粒掺量为1.5%。下层采用90#沥青和粒径为9.5～13.2 mm的石灰岩，加热温度为160 ℃和120 ℃。上封层分别采用90#沥青和SBS 改性沥青，沥青加热温度为145 ℃和155 ℃，石料加热温度120 ℃。试件制作成型后放置60 ℃烘箱养生1 h后放置24 h待用。

4.2.1 室温扫刷试验

通过扫刷试验，以自然脱落率和扫刷脱落率评价沥青与集料的粘附性，试验结果见表7和表8。

通过表7和表8可以看出，相同撒布温度下，用SBS 改性沥青制作的碎石封层的碎石脱落率较低，粘附效果比基质沥青好。主要是由于SBS 改性沥青的黏度和强度均优于90#沥青。当沥青撒布温度在155 ℃左右，石料撒布温度在165 ℃左右时，SBS 改性沥青制作的碎石封层的粘附性较好。这是由于在这种温度下，上层沥青能够爬升到一定高度，当爬升高度约为石料直径的2/3 时，沥青与石料的粘附性最好。

表7 90# 沥青扫刷试验结果

表8 SBS 改性沥青扫刷试验结果

4.2.2 低温扫刷试验

通过-20 ℃低温扫刷试验，以自然脱落率和低温脱落率评价沥青与集料的低温粘附性，试验结果见表9和表10。

通过表9和表10可以看出，在低温条件下，SBS 改性沥青撒布温度在155 ℃左右，石料撒布温度在165 ℃左右时，制作的碎石封层粘附效果最为理想。这是因为SBS 改性沥青的低温性能指标优于90#沥青。

从扫刷试验结果可以得知，沥青的种类和撒布温度、石料的撒布温度对碎石封层的粘附性有一定的影响。通过分析可知，SBS 改性沥青制作的封层粘附性优于基质沥青的，沥青撒布温度在155 ℃左右、石料撒布温度在165 ℃左右时，成型的封层粘附效果最好。因此，在实际施工中严格控制沥青和石料的撒布温度，而且要合理的选用沥青种类。

表9 90# 沥青低温扫刷试验结果

表10 SBS 改性沥青低温扫刷试验结果

5 结论

a）双层碎石封层施工时进行预裹覆施工，能消除碎石撒布造成的粉尘污染，还能提升碎石撒布温度。其预裹覆的用量占上层碎石质量的0.8%效果较好。

b）橡胶颗粒掺量为1%～2%时，沥青与集料的粘附性效果比较好。

c）通过沥青爬升高度试验以及扫刷试验、低温扫刷试验，可知沥青与集料的粘附性和撒布温度以及沥青种类有关，当SBS 改性沥青加热温度为155 ℃，石料加热温度为165 ℃时，粘附效果最好。

d）在实际的施工操作过程中，严格控制沥青和石料的撒布温度，能够在一定程度上保证封层的粘附效果。