薄层胶粉改性沥青磨耗层层间粘结性能试验研究

陈志伟

（河北交通投资集团有限公司 河北石家庄 050041）

与新建路面相比，在养护维修工程中的下承层存在或多或少的裂缝、微裂缝等病害，处理不当会引起下部裂缝向上反射，上部水分向下渗透的局面，通过大量研究发现[1]，良好的层间处治材料可显著改善沥青面层各结构层之间的接触条件，起到承上启下抗裂防水的作用，可以有效预防和推迟推移、拥包、剥离及水损坏等沥青路面常见病害发生[2-3]，在很大程度上提升路面整体性能。因此，如何确保、提高薄层胶粉改性沥青磨耗层的使用寿命和抗裂性能，其与下承层粘结效果的好坏是关键。本研究通过在抗裂磨耗层下面设置胶粉改性沥青防水粘结层，拟充分利用胶粉改性沥青良好的抗裂性能来缓解上述问题。本研究以AC-20沥青混合料模拟原路面，以ARHM-10型胶粉改性沥青混合料作为磨耗层，制作复合型试件，采用万能试验机和专用的剪切试验工具对试件进行拉拔、直剪和斜剪试验，研究了试验温度、沥青洒布量、单粒径玄武岩碎石洒布量等因素对层间粘结强度的影响规律，最后推荐出胶粉改性沥青防水粘结层材料的最佳配合比。

1 试验原材料与试验方法

1.1 原材料

本次试验选用胶粉改性沥青（20%掺量）材料作为防水粘结层的胶结料进行试验，基本性能及技术要求见表1。防水粘结层所用的碎石为通过7.2 mm～9.5 mm筛孔后所得的单粒径玄武岩。

表1 胶粉改性沥青（20%掺量）的主要技术指标

1.2 试验方法

（1）试件制作

将AC-20沥青混合料制作的GTM试件（直径10 cm）对半切开，选取其中一半进行清洗、晾干后，首先将胶粉改性沥青均匀涂抹在接触面（将原试件两端的粗糙面作为接触面）上，其次迅速将单粒径玄武岩碎石均匀撒布在热沥青上，最后将其放入GMT试模，随后装入ARHM-10型沥青混合料在GTM机成型试件，如图1所示。其中，本次试验中对于胶粉改性沥青涂抹量，是按沥青的质量来计算的；单粒径玄武岩碎石的撒布量，是通过试件截面的面积计算碎石用量，即试件的碎石撒布质量=布满试件截面的碎石质量*相应的撒布比例。

图1 试件制作

（2）试验步骤

近年来，国内相关科研机构对沥青混合料层间粘结强度的试验方案以及检测指标开展了大量的研究[2-5]，目前一般采用拉拔试验、直接剪切以及斜剪试验来检测层间粘结强度。本次试验研究的拉拔试验参考了秦禄生在SBS改性沥青黏层抗剪试验研究中的试验方案以及评价指标[5]；直接剪切以及斜剪试验参考了李理在SBS改性沥青防水粘结层材料试验研究中的试验方案以及评价指标[4]。

2 试验结果分析

2.1 温度对层间粘结强度的影响

按照表2中的试样方案成型试件，但由于胶粉改性沥青感温性的特性，成型的试件极易在自重作用下破坏，导致不能准确测试出层间粘结强度。为比较不同方案的层间粘结效果，设定了拉拔试验的测试环境温度分别为：60℃、40℃、20℃。试验结果如表2所示：

表2 层间拉拔试验检测结果（不同试验温度）

由上述实验结果分析易得，随着试验测试温度的升高，胶粉改性沥青防水粘结层的拉拔强度均迅速降低，且当达到60℃的实验测试温度时，试件的层间粘结强度已经降至很低，这说明环境温度对沥青类防水粘结层材料的影响较大。

按照下表要求制作试件，进行层间剪切实验。设定了剪切试验的测试环境温度分别为：50℃、60℃、70℃。试验结果见表3。

表3 层间剪切试验检测结果（不同试验温度）

由上图2.1可得，随试验温度的不断升高，胶粉改性沥青粘结材料的层间直剪强度和45°斜剪强度实验结果均呈现了降低趋势。根据库伦的内摩擦理论，随试验温度的升高，沥青的粘度下降，粘聚力c下降，而此时内摩擦角φ保持不变，粘聚力c对剪切强度的贡献越来越小，内摩擦角φ所占比例越来越大，所以呈现出胶粉改性沥青粘结材料抗剪切强度随温度升高而降低，从60℃升至70℃时胶粉改性沥青的粘结性能下降远大于从50℃升至60℃之间粘结性能的变化，在直剪试验中的表现就是直剪强度从60℃升至70℃的降幅远大于50℃升至60℃的降幅。而在斜剪试验中，在内摩擦角φ和粘聚力c复杂的共同作用下，斜剪强度从50℃升至60℃的降幅大于60℃升至70℃的降幅。

2.2 沥青洒布量对层间粘结强度的影响

防水粘结层的胶粉改性沥青洒布量对层间粘结效果影响很大，胶粉改性沥青用量少则粘结层无法形成连续整体的沥青薄膜；用量多则粘结层会产生富油层导致层间发生润滑现象。本试验研究初步选定了1.2 kg/m2，1.4 kg/m2，1.6 kg/m2和1.8 kg/m2等4个粘结层沥青用量，试验温度分别为层间剪切试验60℃、拉拔试验20℃。按照表4制作试件，并进行层间剪切以及拉拔试验，得到胶粉改性沥青洒布量与层间粘结强度的关系。根据试验结果，可得出：

表4 层间粘结强度试验检测结果（不同沥青撒布量）

①随胶粉改性沥青洒布量的增加，试件的直剪强度先增大后降低，在洒布量1.6～1.8 kg/m2达到最大值。主要原因随着沥青用量的增加，碎石被沥青裹覆的程度越来越好，一定程度上减小其相对滑动的可能性，但当沥青用量更大时，过多的自由沥青会增加其滑动性，从而降低碎石间的嵌挤性。

②胶粉改性沥青洒布量范围内，试件的层间45°斜剪强度呈现先增大后减小的趋势，在1.8 kg/m2达到最大值1652 kPa，可能是相对于45°斜剪强度来说，在胶粉改性沥青达到1.8 kg/m2后，再度提高胶粉改性沥青用量会产生自由沥青增加层间的滑动性，从而降低层间剪切强度。

③随着胶粉改性沥青洒布量的增加，试件的拉拔强度不断增大，在洒布量为1.6 kg/m2时达到最大，这是由于当沥青含量较少时，沥青难以在防水粘结层中形成整体的连续薄膜，故而层间拉拔强度较低，随着胶粉改性沥青用量的增多，胶粉改性沥青开始在层间形成连续的沥青薄膜，呈现出拉拔强度的增强。但当胶粉改性沥青用量继续增加后，试样的拉拔强度开始降低，这说明胶粉改性沥青含量在1.6kg/m2时已经达到饱和，沥青用量的继续增加会使得防水粘结层中产生自由的胶粉改性沥青，对防水粘结层起到润滑作用导致拉拔强度降低。

2.3 碎石撒布量对层间抗剪强度的影响

防水粘结层中的碎石不仅会增强层间的抗剪切能力，还会防止在铺筑抗裂磨耗层时施工车辆对封层油膜的破坏，可见碎石对防水粘结层粘结效果的好坏起到重要作用。然而防水粘结层中碎石的撒布量则需要控制在一个合理的范围之内，过多或过少的碎石撒布量均会对防水粘结层的应用效果产生负面作用。因此，本试验研究选定了50%、55%、60%和65%等4个碎石撒布量，温度为20℃，按照下表5制作试件进行了拉拔试验，试验结果如下表所示：

表5 层间拉拔试验检测结果（不同碎石撒布量）

由上表可知，随7.2～9.5 mm单粒径碎石撒布量的增大，胶粉改性沥青层间拉拔强度均呈现先增大，之后又不断减小变化规律，在撒布量为60%时出现拉拔强度峰值。

根据下表6制作试件，层间剪切试验温度为60℃，加载速率为50 mm/min，按照下表变化7.2～9.5 mm的单粒径玄武岩碎石撒布量。

表6 层间剪切试验检测结果（不同碎石撒布量）

由表6可得出，随7.2～9.5 mm单粒径碎石撒布量的增大，胶粉改性沥青层间粘结的直剪强度和45°斜剪强度均呈现先增大，之后又不断减小变化规律。胶粉改性沥青层间剪切强度的最大值均出现在在撒布量为60%时，分别为257 kPa和1480 kPa。这是由于当碎石撒布量过少时，过多的沥青用量会出现泛油现象，富油层的出现会导致层间粘结效果降低，且碎石嵌入抗裂磨耗层的量太少也会导致层间拉拔强度降低。反之，过多的碎石撒布量会影响碎石嵌挤抗裂磨耗层内，形成层间碎石的架空现象，导致下承层与超薄磨耗层中间形成一层没有粘结材料的夹层，会严重削弱抗裂磨耗层与下承层间的粘结效果，造成层间拉拔强度的减弱，严重影响超薄磨耗层的使用寿命。

3 施工工艺

3.1 铣刨及清扫铣刨面

在铺设薄层胶粉改性沥青混凝土时，应确保下承层的表面干净、清洁、无浮尘。具体工作如下：用铣刨机铣去20 mm厚旧路面结构层，用机械钢丝扫帚自行清扫残余在铣刨面上的松散料；组织人工仔细清理粘附在铣刨面上的沥青砂浆，直到铣刨面清洁、干净、无松散颗粒为止；在撒布胶粉改性沥青粘结层前，采用高压吹风机认真吹除表面的浮尘。

3.2 粘结防水层施工

先期提前将胶粉沥青预先加热到180℃；将5～10 mm粒径的玄武岩碎石，过7.2～9.5 mm筛并利用拌合楼按照沥青混合料生产工作进行拌合加热，最后获得清洁、干燥的7.2～9.5 mm单粒径玄武岩碎石；用专用高性能沥青洒布车将加热到180℃的胶粉改性沥青按1.7 kg/cm3（±0.1 kg/cm3）用量均匀的撒布到已吹除浮尘地铣刨面上；待沥青冷却后，用专用的碎石撒布车将高温状态的单粒径碎石按60%（±2%）数量均匀撒布在粘层油上，最后用轻型压路机或者轮胎压路机碾压一边。

3.3 混合料的摊铺

待粘结防水层完全冷却后，才可以开始铺筑胶粉改性沥青混合料，否则，运料车行走在粘结防水层上，容易产生沥青粘轮现象。一旦发生上述现象，应人工将粘在轮胎上的沥青清除并扔到路外。

4 结语

通过室内试验，根据防水粘结层材料的特点与性能要求，对胶粉改性沥青在采用不同沥青用量、温度条件以及碎石用量下的拉拔性能进行了研究，得出如下结论：（1）胶粉改性沥青粘结防水层的拉拔强度、直剪强度、45°斜剪强度均随试验温度的提高不断下降的趋势。（2）试件拉拔强度随胶粉改性沥青用量的增加而不断增大，在洒布量为1.6 kg/m2时达到最大，之后的强度开始小幅降低。随胶粉改性沥青洒布量的增加，直剪强度先增大，之后又不断减小，在洒布量为1.6 kg/m2达到最大值，45°斜剪强度呈先增后降低趋势，在1.8 kg/m2达到最大值。（3）随7.2～9.5 mm单粒径碎石撒布量的增大，防水粘结层的拉拔强度、直剪强度和45°斜剪强度均呈现先增大均呈现先增大，之后又不断减小变化规律，各指标的最大值均出现在撒布量约60%时。综上，本文提出了薄层沥青抗裂磨耗层的胶粉改性沥青防水粘结层材料最佳配合比为：20%胶粉改性沥青洒布量为1.6～1.8 kg/m2、单粒径（7.2～9.5 mm）玄武岩碎石撒布量为60%。