温度和水分对多孔沥青路面层间粘结性能的影响

李 俊， 陆海珠， 李明亮

(1.交通运输部公路科学研究院， 北京 100088； 2.江苏高速公路工程养护技术有限公司， 江苏 南京 211100)

0 引言

沥青路面层间粘结不良将会导致沥青面层在车辆荷载和环境因素综合作用下发生推移、拥包等病害，层间接触状态也会对路面结构力学响应和车辙病害发展产生一定的影响，进一步影响路面使用寿命[4-5]。沥青路面层间粘结性能受到面层类型、粘层油种类及用量、温度、荷载、水分等影响，国内学者对此开展了大量的研究工作[6-9]。为了提高沥青路面的层间粘结性能，改善沥青路面对高温重载多雨地区的环境适应性，橡胶沥青碎石封层、环氧沥青、环氧改性乳化沥青等新型粘层材料逐渐被用于沥青路面粘层[10-12]。也有学者针对薄层罩面与沥青路面的层间粘结问题，分析了表面粗糙化方式、粘层油类型和环境温度等对层间粘结性能的影响[13]。由于沥青路面层间接触部位的空隙率、构造深度会对粘层油用量、层间粘结效果产生影响[14-15]，吴少鹏[16]、田小革[17]等对大空隙特征的多孔沥青路面层间粘结性能开展了相关研究，段宝东[18]等系统研究了改性乳化沥青、改性沥青碎石封层等粘层材料对多孔沥青路面层间粘结性能的影响，并推荐了不同粘层适宜的材料参数。

多孔沥青路面大空隙特征导致其与下承层具有独特的层间接触状态，所表现的层间粘结性能也与密级配路面不同。由于层间粘结性能受到温度、水分的影响，而目前相关学者主要对比分析了不同粘层材料下多孔沥青路面的层间粘结强度，因此本文重点研究了温度、水分等环境条件对多孔沥青路面层间粘结性能耐久性的影响。

1 试验方案

选取SBS改性乳化沥青、SBS改性沥青碎石封层、橡胶沥青碎石封层作为多孔沥青路面代表性防水粘结层材料，3种防水粘结层的材料参数如表1所示。

表1 3种防水粘结层的材料参数Table 1 Material parameters of three kinds of waterproof bonding layers防水粘结层类型沥青用量/(kg·m-2)碎石参数碎石粒径/mm碎石撒布面积/%SBS改性乳化沥青0.4——SBS改性沥青碎石封层1.25～1060橡胶沥青碎石封层1.55～1060

通过成型直径100 mm、高100 mm 的复合圆柱体试件，开展层间粘结性能试验。复合圆柱体试件中多孔层和下承层的结构形式为PAC-13和AC-20，厚度均为50 mm，防水粘结层不计厚度。采用层间剪切试验和层间拉拔试验评价多孔沥青路面的层间粘结性能，剪切和拉拔速率均为50 mm/min。具体试验方案如下所述。

a.选取5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃作为防水粘结层使用环境中低温、常温、普通高温和极端高温的模拟条件，分别测试复合圆柱体试件在不同温度条件下的层间剪切强度和层间拉拔强度，分析温度对多孔沥青路面层间粘结性能的影响。

b.将复合圆柱体试件置于25 ℃水浴箱中浸水48 h，立即开展层间剪切试验和层间拉拔试验，并与未浸水试件进行对比，分析水分对多孔沥青路面层间粘结性能的影响。

c.采用“-5 ℃干燥环境下放置16 h+60 ℃水浴环境下放置8 h”作为一次循环，在25 ℃温度条件下，分别测试循环0、3、9次后的层间剪切强度和层间拉拔强度，分析温度和水分循环作用对多孔沥青路面层间粘结性能的影响。

1.3 神经功能评价 (1)NIHSS：分别在入院时、溶栓24 h及入院7 d时进行评估；总分0～42分，小于1分为趋于正常或正常，1～4分为轻度神经功能缺损，5～15分为中度神经功能缺损，>15分为重度神经功能缺损。(2)改良Rankin量表评分(mRS)：在患者出院时及发病90 d时进行神经功能恢复状况评估，分为5级，其中0～2级为预后良好，3～5级为预后不良及死亡。(3)溶栓结果评价：出血事件、发病90 d死亡率、发病90 d mRS评分。

2 试验结果与分析

2.1 温度对层间粘结性能的影响

a.温度对SBS改性乳化沥青层间粘结性能的影响。

与无粘层试件进行对比，分别在5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃条件下对SBS改性乳化沥青粘层试件进行层间剪切试验和层间拉拔试验，试验结果如图1、图2所示。

图1 不同温度下SBS改性乳化沥青层间抗剪强度Figure 1 Interlayer shear strength of SBS modified emulsified asphalt at different temperatures

图2 不同温度下SBS改性乳化沥青层间抗拉强度Figure 2 Interlayer tensile strength of SBS modified emulsified asphalt at different temperatures

由图1、图2可知，对于SBS改性乳化沥青，温度对层间粘结强度的影响显著，层间抗剪强度和层间抗拉强度均随着温度的升高而大幅下降。以25 ℃常温条件为基准，对于层间抗剪强度，有粘层试件在40 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的50%，65 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的11%；对于层间抗拉强度，有粘层试件在40 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的39%，65 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的9%。

高温条件下由于沥青软化、粘度降低，导致SBS改性乳化沥青层间粘结强度的大幅衰减，表明其温度敏感性很高。此外，与无粘层试件相比，有粘层试件在4个温度条件下的层间抗剪强度和层间抗拉强度均大于无粘层试件，表明使用SBS改性乳化沥青后，层间粘结强度虽有所降低，但是相比之下对环境温度的适应性仍有所提高。

b.温度对SBS改性沥青碎石封层层间粘结性能的影响。

与无粘层试件进行对比，分别在5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃条件下对SBS改性沥青碎石封层粘层试件进行层间剪切试验和层间拉拔试验，试验结果如图3、图4所示。

图3 不同温度下SBS改性沥青碎石封层层间抗剪强度Figure 3 Interlayer shear strength of SBS modified asphalt chip seal at different temperatures

图4 不同温度下SBS改性沥青碎石封层层间抗拉强度Figure 4 Interlayer tensile strength of SBS modified asphalt chip seal at different temperatures

由图3、图4可知，对于SBS改性沥青碎石封层，以25 ℃常温条件为准，对于层间抗剪强度，有粘层试件在40 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的58%，65 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的20%；对于层间抗拉强度，有粘层试件在40℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的45%，65 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的13%。

温度升高导致粘层材料中沥青发生软化，粘度也因此减小，但是由于碎石封层的存在，SBS改性沥青碎石封层的层间粘结强度大于SBS改性乳化沥青。此外，与无粘层试件相比，有粘层试件在4个温度条件下的层间抗剪强度和层间抗拉强度均大于前者，而且相比SBS改性乳化沥青，层间粘结强度提升的幅度也更大。

c.温度对橡胶沥青碎石封层层间粘结性能的影响。

与无粘层试件进行对比，分别在5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃条件下对橡胶沥青碎石封层粘层试件进行层间剪切试验和层间拉拔试验，试验结果如图5、图6所示。

图5 不同温度下橡胶沥青碎石封层层间抗剪强度Figure 5 Interlayer shear strength of rubber asphalt chip seal at different temperatures

图6 不同温度下橡胶沥青碎石封层层间抗拉强度Figure 6 Interlayer tensile strength of rubber asphalt chip seal at different temperatures

由图5、图6可知，对于橡胶沥青碎石封层，以25 ℃常温条件为准，对于层间抗剪强度，有粘层试件在40 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的64%，65 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的24%；对于层间抗拉强度，有粘层试件在40 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的51%，65 ℃条件下的层间抗剪强度只占25 ℃时的16%。

与SBS改性沥青碎石封层相比，在相同的温度条件下由于橡胶沥青粘度大于SBS改性沥青，导致橡胶沥青碎石封层的温度敏感性降低，对环境温度的适应性进一步提高，因此其层间粘结强度不仅大于SBS改性沥青碎石封层，相比无粘层试件，其层间抗剪强度和层间抗拉强度的提升幅度更加显著。

本文以25 ℃常温条件为准，分别对SBS改性乳化沥青、SBS改性沥青碎石封层、橡胶沥青碎石封层的3种粘层材料在40 ℃、65 ℃高温条件下的层间粘结强度衰减比例进行计算，汇总如表2所示。

表2 不同粘层材料高温条件下层间粘结强度衰减比例Table 2 Attenuation ratio of interlayer bonding strength at high temperature for different kinds of bonding ma-terials粘层材料不同温度(℃)下层间抗剪强度衰减比例/%不同温度(℃)下层间抗拉强度衰减比例/%40654065无粘层58907291SBS改性乳化沥青50896191SBS改性沥青碎石封层42805587橡胶沥青碎石封层36764984

由表2可知，多孔沥青层与下承层的层间洒布粘层可以提高对环境温度的适应性，3种粘层材料在高温条件下层间粘结强度的衰减比例均较未洒布粘层时有所减小。相比之下，3种粘层材料的衰减比例满足SBS改性乳化沥青>SBS改性沥青碎石封层>橡胶沥青碎石封层，这与3种粘层材料的沥青粘度大小有关，同时层间撒布碎石提高了多孔沥青层与下承层之间的摩阻力，也有利于改善粘层的温度敏感性。

2.2 水分对层间粘结性能的影响

对改性沥青碎石封层进行碾压成型，有利于碎石与沥青之间嵌挤稳固，提高层间粘结强度。本文开展水分对层间粘结性能影响的研究工作时，在2种改性沥青碎石封层洒布之后对其进行了碾压。此外，在3种粘层材料取芯之前增加了复合车辙板碾压次数，进一步提高了层间粘结强度。3种粘层试件浸水养生前后的层间粘结强度测试结果如图7、图8所示。

图7 不同粘层材料浸水前后层间抗剪强度Figure 7 Interlayer shear strength with/without water immersion for different kinds of bonding materials

图8 不同粘层材料浸水前后层间抗拉强度Figure 8 Interlayer tensile strength with/without water immersion for different kinds of bonding materials

由图7、图8可知，3种粘层试件的层间粘结强度在浸水48 h后均出现了一定程度的衰减，但是相比之下，橡胶沥青碎石封层试件的层间粘结强度始终最大，SBS改性沥青碎石封层试件次之，SBS改性乳化沥青试件最小。另一方面，从层间粘结强度的衰减比例来看，SBS改性乳化沥青试件的衰减比例达到10%～30%，而SBS改性沥青碎石封层和橡胶沥青碎石封层试件的衰减比例均在10%以下。

2.3 温度和水分循环作用对层间粘结性能的影响

在温度和水分循环作用0次、3次、9次后，3种粘层试件的层间粘结强度测试结果如图9、图10所示。

图9 不同循环次数下各粘层试件的层间抗剪强度Figure 9 Interlayer shear strength after different cyclic action numbers for each bonding layer sample

图10 不同循环次数下各粘层试件的层间抗拉强度Figure 10 Interlayer tensile strength after different cyclic action numbers for each bonding layer sample

由图9、图10可知，经温度和水分循环作用后，3种粘层试件的层间粘结强度均出现了一定程度的衰减，但是相比之下，橡胶沥青碎石封层试件的层间粘结强度始终最大，SBS改性沥青碎石封层试件次之，SBS改性乳化沥青试件最小。另一方面，从层间粘结强度的衰减比例来看，经温度和水分循环作用9次之后，SBS改性乳化沥青试件的衰减比例达到40%～50%，而SBS改性沥青碎石封层和橡胶沥青碎石封层试件的衰减比例均在40%以下，尤其是橡胶沥青碎石封层试件的衰减比例平均只有30%左右，对温度和水分的耦合作用具有最佳表现。

3 结论

a.高温和长时间浸水作用对多孔沥青路面层间粘结强度造成不利影响，层间抗剪强度和层间抗拉强度均出现不同程度的衰减。但是相比无粘层试件，有粘层试件的层间粘结强度衰减比例明显减小。

b.温度和水分循环作用下多孔沥青路面层间粘结强度的衰减比例更加显著，SBS改性乳化沥青的衰减比例达到40%～50%，SBS改性沥青碎石封层在40%以下，而橡胶沥青碎石封层只有30%左右。

c.综合对比3种粘层材料，橡胶沥青碎石封层对温度和水分的敏感性最小，在温度和水分耦合作用下，多孔沥青路面层间粘结强度无论是绝对值，还是衰减比例，均优于SBS改性沥青碎石封层和SBS改性乳化沥青。