张永利,马华宝
(1.中交建冀交高速公路投资发展有限公司,河北 石家庄 050052; 2.河北省交通规划设计院,河北 石家庄 050091;3.交通运输行业公路建设与养护技术材料及装备研发中心,河北 石家庄 050091)
防水黏结层最早多用于桥面铺装,铺装在沥青层和水泥混凝土之间,起防水和黏结的双重作用。随着沥青路面对服役寿命要求的提升,一些省份开始将防水黏结层应用于沥青层与半刚性基层之间,或者应用于沥青面层之间,因此对防水黏结层材料产生了更高的要求,不仅要求防水,黏结性好,还要具备良好的抗剪和抗裂性能,面对这一需求,许多新型的防水黏结层材料应运而生。
目前常用的防水黏结层材料为SBS改性沥青,随着稳定型胶粉复合改性沥青的大面积推广应用,掺加20%胶粉的复合改性沥青防水黏结层逐渐受到青睐。虽然其防水和黏结性能都很好,但是由于胶粉颗粒弹性内核的独立性,其空间网络分布不如SBS改性沥青均匀,因此抗裂能力还有待提升。提升途径一般分为有2种,一是通过物理化学作用预先将胶粉降解,提高胶粉与沥青的相容性;二是预先将胶粉熟化,打破胶粉的弹性内核,进一步提高胶粉的掺量。有学者通过Terminal Blending无搅拌润湿工艺,制备了Terminal Blending胶粉改性沥青,试验结果表明,TB工艺能够促进胶粉完全溶于沥青,使得TB沥青整体更加均匀。也有学者通过微波活化技术,首先对胶粉进行了预处理,经微波处理后的胶粉制备出的改性沥青相对于普通胶粉改性沥青,高温性能、低温性能、抗老化性能和热储存稳定性等都有所提高。[1-6]
此外,有研究证明,在沥青中加入玻璃纤维,可通过加筋作用有效提高沥青整体性,增加其韧性,从而提高抗裂能力。与此同时,新型自动同步封层设备的应用,也使胶粉复合改性沥青玻璃纤维防水黏结层的工程应用成为可能。利用纤维良好的应力吸收和分散能力,以及高抗拉伸强度和高模量的特性,通过喷射无捻粗纱型玻璃纤维,可有效提高黏结层的抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度,在结构中起到加筋的作用。此外,玻璃纤维对胶粉复合改性沥青具有很好的吸附作用,可很容易地吸附沥青中的油份,增强其黏度和黏附力,有效阻止沥青的流动。
基于胶粉复合改性沥青玻璃纤维防水黏结层的优异性能和广阔前景,本文选取SBS改性沥青、20%胶粉复合改性沥青和40%胶粉复合改性沥青,首先对其黏韧性和拉拔性能进行了对比;然后根据沥青类型和有无掺加玻璃纤维,划分为了A/B/C/D/E共5个试验组,对不同沥青小梁的低温弯曲性能,以及防水黏结层的抗拉拔、抗剪切性能进行了对比;最后,对试验结果进行了分析,并提出了相关建议。
1.1.1 石料
石料采用9.5~13.2 mm单一粒径石灰岩碎石,具体技术指标要求见表1。
表1 碎石技术指标要求
1.1.2 沥青
试验用沥青为SBS改性沥青(掺量4%)、20%胶粉复合改性沥青(以下简称20%RA)和40%胶粉复合改性沥青(以下简称40%RA),其中20%RA采用普通生胶粉制备,而40%RA采用熟化预处理胶粉制备,其技术指标见表2。
胶粉改性沥青制备采用30目胶粉,技术指标符合《废轮胎橡胶沥青及混合料技术标准》(DB13T 1013—2009)和《路用废胎硫化橡胶粉》(JT/T 797—2011)的规定,70#基质沥青满足A级道路石油沥青技术要求,复合用SBS为星线混合型,掺量为1%±0.5%。
表2 胶粉复合改性沥青技术指标
1.1.3 纤维
纤维采用2400Tex无碱玻璃纤维无捻粗砂,切割长度为3~6 cm,满足《玻璃纤维无捻粗砂》(GB/T 18369—2008)的有关要求,具有良好的切割性和抗静电性,具体技术指标见表3。
1.2.1 沥青性能试验
为了表征不同防水黏结层沥青的力学性质,分别进行沥青的黏韧性和拉拔试验,对比沥青的黏韧性和抗拉强度。
表3 玻璃纤维技术指标
1.2.2 黏结层性能试验
进行防水黏结层施工时,沥青洒布量为1.8~2.0 kg·m-2,玻璃纤维撒布量为100~120 g·m-2,碎石撒布量为6~8 kg·m-2,撒布率为65%~70%,碎石需经过加热、除尘,宜采用0.3%~0.4%的沥青预裹敷。室内试验按照以上要求进行掺配,通过静置或静压成型的方式,制备小梁试件和圆柱形试件,分别用于低温弯曲试验和拉拔、直剪试验。
根据沥青类型和有无掺加玻璃纤维,将试验分为5组。A组采用SBS改性沥青,作为对照组,B组采用40%RA,C组采用40%RA+玻璃纤维,D组采用20%RA,E组采用20%RA+玻璃纤维。
黏韧性试验试样按规范要求制备,主要试验参数如下:拉伸速率为500 mm·min-1,试验温度为25 ℃,试验结束条件为拉至伸长300 mm或者断裂,不同沥青的黏韧性试验结果见表4。
表4 不同沥青的黏韧性试验结果
对比表4数据可以发现,SBS改性沥青的黏韧性最好,20%RA次之,40%RA相对较差。分析原因有以下两点:一是在同等沥青用量下,20%RA比40%RA富有更多的自由沥青,因此黏性更大;二是由于20%RA采用的是普通生胶粉,保留了更多的胶粉弹性内核,因此颗粒独立性更强,而40%RA采用的是经熟化预处理的胶粉,颗粒间更易形成整体,因此韧性更强。
通过表2常规指标和表4黏韧性指标综合对比,可以总结如下几点:随着胶粉掺量的增加,一是胶粉复合改性沥青的针入度增大,与之对应,在黏韧性试验中材料的最大应力降低;二是胶粉复合改性沥青的黏韧性降低,韧性增加,韧性占黏韧性的比重逐渐增加,材料从硬质弹性体向软质弹性体过渡;三是胶粉复合改性沥青的低温延度增大,与之对应,在黏韧性试验中材料的断裂点伸长增加;四是胶粉复合改性沥青的离析软化点差逐渐降低,与之对应,在黏韧性试验中,材料的断裂方式从应力集中断裂向延性断裂过渡。
沥青拉拔试验过程如下:将2个自制相同尺寸的圆形模具分别称取质量、测量直径,放入160 ℃烘箱中预热30 min;向其中1个模具中心处滴加一定质量的沥青,然后把另1个模具迅速与其中心对齐并按压,直到模具四周有沥青溢出,保持竖直状态静止24 h,用热刮刀刮去溢出的沥青,并用三氯乙烯擦拭干净,放入25 ℃高低温箱养护5 h,最后在拉力机上进行拉伸试验,拉伸速率为5 mm·min-1。不同沥青的拉拔试验结果见表5。
表5 不同沥青的拉拔试验结果
从表5中可以看出,SBS改性沥青的最大拉力和抗拉强度最大,20%RA次之,40%RA相对较差。随着胶粉掺量的增加,胶粉复合改性沥青的最大拉力和抗拉强度逐渐降低,这说明沥青的刚性随着胶粉掺量的增加逐渐下降,这与黏韧性试验的结论是一致的。
由于室内很难模拟现场施工过程并成型类似混合料试件,且相关研究证明,混合料的低温性能主要与胶结料类型及用量有关,因此,本文制备的小梁试件仅由沥青和纤维组成,不撒布石料,用沥青小梁试件的低温抗弯拉性能表征防水黏结层材料的低温性能。考虑到纤维尺寸和试件的均匀性,沥青小梁尺寸定为300 mm×25 mm×25 mm,制备时,先在试模底部洒布1层10 mm厚的热沥青,然后按100 g·m-2的用量洒布玻璃纤维,待温度降至室温后,再洒布1层10 mm厚的热沥青,并撒布纤维,最后洒布剩余5 mm厚沥青,封闭试件表层。
同1组试件制备至少3根,待完全冷却后脱模,立即放入已达到-10 ℃的环境箱中保温至少3 h,然后放置于试验机上进行弯曲试验,加载速率为50 mm·min-1。试验测得的5组防水黏结层材料在-10 ℃的弯曲试验结果见表6。
表6 不同防水黏结层材料低温弯曲试验结果
从表6可以看出,低温弯曲最大荷载排序依次为C>A>E>B>D,其中“40%RA+玻璃纤维”最大,高于SBS改性沥青,而20%RA最小。随着玻璃纤维的掺入,胶粉改性沥青的低温弯曲最大荷载提升明显,说明玻璃纤维可有效改善沥青混合料的低温性能。从试件破坏程度来看,SBS改性沥青小梁发生脆断,而采用胶粉复合改性沥青的小梁,无论胶粉掺量多少,有无纤维,均未发生断裂破坏,说明胶粉改性沥青的低温抗裂性能具有明显优势。
拉拔试验步骤如下:将试件用环氧树脂将金属拔头粘牢,室温下静置不少于24 h。将试件置于25 ℃恒温水浴中养生2 h后,迅速取出固定于拉拔夹具上,启动万能试验机,拉拔速率为50 mm·min-1,直至试件破坏,试验过程如图1所示,试验结果见表7。
图1 拉拔试验
表7 不同防水黏结层材料拉拔试验结果
直剪试验试件及夹具如图2所示,直剪试件由2半沥青混合料试件夹裹黏结层材料组成,夹具由上下2个压头组成,上压头接压力机的传力杆,通过传力杆将力施加到压头上,下压头固定试件。试验温度为25 ℃,采用50 mm·min-1的剪切速率,试验结果见表8。
图2 直剪试验
表8 不同防水黏结层材料直剪试验结果
从表7可以看出,层间拉拔强度排序依次为A>E>D>B>C,其中SBS改性沥青最大,而“40%RA+玻璃纤维”最小。虽然40%RA采用了预处理熟化胶粉,均匀性提升,沥青膜厚度增大,但是仍然不如黏性占比较高的20%RA。玻璃纤维的掺入,对层间的拉拔强度无明显改善,甚至会降低界面的均匀性,造成拉拔强度下降。
从表8中可以看出,采用图2的直剪试验方法,由于试件由2半沥青混合料试件组合完成,且加载速率较大,因此得到的剪切强度偏小且差别不大,但仍具有对比意义。层间剪切强度排序依次为C>A>B>E>D,其中“40%RA+玻璃纤维”与SBS改性沥青相当,而20%RA最小,这一方面说明,黏结层的抗剪切能力与沥青本身的韧性有很大关系,因此韧性占比较高的40%RA表现要好于20%RA。另一方面,玻璃纤维的掺入,在一定程度上提升了黏结层的抗剪能力。
(1)从沥青黏韧性指标来看,SBS改性沥青的黏韧性最好,20%RA次之,40%RA相对较差。随着胶粉掺量的增加,胶粉复合改性沥青的最大应力降低,断裂点伸长增加,黏韧性降低,韧性增加,韧性占黏韧性的比重逐渐增加。
(2)从沥青拉拔试验结果来看,SBS改性沥青的最大拉力和抗拉强度最大,20%RA次之,40%RA相对较差。随着胶粉掺量的增加,胶粉复合改性沥青的最大拉力和抗拉强度逐渐降低。
(3)从沥青小梁低温弯曲最大荷载来看,“40%RA+玻璃纤维”最大,高于SBS改性沥青,而20%RA最小。随着玻璃纤维的掺入,胶粉改性沥青的低温弯曲最大荷载提升明显,说明玻璃纤维可有效改善沥青混合料的低温性能。
(4)SBS改性沥青黏结层的拉拔强度最大,而“40%RA+玻璃纤维”最小。掺入玻璃纤维对黏结层的拉拔强度无明显改善,甚至会降低界面的均匀性,造成拉拔强度下降。
(5)“40%RA+玻璃纤维”与SBS改性沥青黏结层的层间剪切强度相当,而20%RA最小。这说明黏结层的抗剪切能力与沥青本身的韧性有很大关系,且玻璃纤维的掺入,在一定程度上提升了黏结层的抗剪能力。
(6)采用沥青小梁测试低温抗弯拉性能,需要注意以下两点,一是沥青由高温冷却至室温过程中,会发生不同程度的收缩,可能导致试件厚度发生变化,因此洒布最后一层沥青时,可适当加量;二是在进行弯曲试验时,压头可能会略微陷入试件接触部位,为避免对测试数据产生影响,可在压头与试件接触部位贴透明胶带或缠绕薄膜予以隔离。
(7)掺加玻璃纤维的长度不宜过长,否则在试件制备过程中,易出现“毛刺”现象,在一定程度上会对黏结效果和试验结论造成影响。