自研高性能改性乳化沥青在超薄磨耗层层间黏结中的应用

超薄磨耗层作为一种可以延长道路使用寿命、提高道路行驶安全、行车过程中起到降噪排水抗滑作用的高等级公路路面养护技术,因其罩面形式灵活多样、施工周期短、基本不改变原路面标高,越来越广泛地应用于高速公路沥青路面的预防性养护和轻微病害的矫正性养护工程中。但是由于超薄磨耗层厚度较薄,一般控制在1.52.5cm之间,自重相比普通面层混合料较轻,在行车荷载的剪切作用下,如果超薄磨耗层与原路面层间黏结强度不够,磨耗层很容易从原路面上产生水平或者竖向位移,导致层与层之间的整体性丧失,开始会产生车辙、拥包、开裂等早期病害,严重时磨耗层会从原沥青面层上脱落,最终导致超薄磨耗层整体功能性破坏。因此,超薄磨耗层与原沥青面层的黏结强度大小是衡量该项罩面技术成败的关键要素之一。

当前在国内外超薄磨耗层技术的开发与应用中,技术系统较为成熟且证实性能较为卓越的大致分为Novachip?和Innochip?两种技术,当然薄层SMA、OGFC也常被作为超薄磨耗层的罩面类型。Novachip?是由荷兰壳牌公司研发,其技术核心是以Novabinder改性沥青为胶结料,Novabond改性乳化沥青为黏层油,尤其是Novabond改性乳化沥青极大地提高了层间黏结性能;而Innochip?是由中国上海龙孚材料技术有限公司自行研发的超薄磨耗层罩面技术,其技术核心是直投式高黏沥青改性剂能直接与混合料拌和,并且高黏改性乳化沥青与混合料的同步施工实现了施工的高效化。通过研发人员长期以来的大胆尝试与不懈努力,终于研发出针对薄层罩面的高性能改性乳化沥青,其卓越的层间黏结性能极大地提高了超薄磨耗层的使用寿命,且能与磨耗层同步施工,从而实现了高性能与高效率的结合。

试验方法及原材料

试验方法

评价乳化沥青层间黏结性能的试验主要包括层间剪切试验和层间拉拔试验,此次研究采用万能试验机来完成以上两种试验。先利用轮碾成型机成型5cm厚沥青混合料下面层,下面层经成型完毕养生24h后,在下面层表面喷洒相应的乳化沥青形成黏层,最后根据乳化沥青特性利用轮碾成型机同步成型或黏层油经养生24h后成型2cm厚超薄磨耗层,从而形成5cm厚下面层+乳化沥青黏层+2cm厚超薄磨耗层的组合结构。

制成的组合结构常温下养生24h后,利用数控切割机将组合结构切割成100mm(长)×100mm(宽)×70mm(厚)的方形试件,试件通过夹具固定与竖直方向成45°,万能试验机在竖直方向上以10mm/min的速率加载,同时会在平行于层间黏结面上产生剪切力,进而完成组合结构的层间剪切破坏试验。

在制备完成抗剪强度试件的基础上,通过电动钻芯机从超薄磨耗层表面向下钻2cm到达黏层,形成一个直径和高分别为50、20mm的圆柱体,在圆柱体的端面上采用环氧树脂黏结一个直径同样为50mm的拔头,得到层间抗拉强度测试试件,试验过程中在抗拉强度试件中间设置一道横梁,利用万能试验机以1mm/min的拉升速率对拔头施加拉力,完成组合结构的层间拉升破坏试验。

原材料及配合比设计

此次试验研究针对不同级配类型的超薄磨耗层,通过使用不同品种的黏层油,以及不同施工工艺的对比,探索自行研发的高性能改性乳化沥青用于不同级配类型超薄磨耗层黏层油的层间黏结性能,以及不同级配类型的超薄磨耗层与高性能改性乳化沥青是否能实现同步施工,从而在保证优良的层间黏结性能的基础上,提高施工效率。对比试验研究所用的乳化沥青分别为常规SBS改性乳化沥青、Novabond改性乳化沥青以及自研型高性能改性乳化沥青。

试验中沥青混合料所用沥青统一选用高黏型改性沥青,混合料所用粗细集料统一选用玄武岩,填料统一选用石灰岩经磨细得到的矿粉,SMA所用纤维为木质素纤维,掺量为0.4%。

研究所用超薄磨耗层级配类型为实际工程中常用的SMA-10、OGFC-10、Novachip-10共3种不同类型的级配,其中SMA是典型的骨架密实型结构、OGFC为典型的开级配骨架空隙型结构、Novachip为典型的半开级配骨架空隙型结构,另外,底层沥青混合料选用AC-13级配类型。级配合成均以相关规范所规定的级配中值为参考。

按照马歇尔配合比设计方法,完成以上不同级配类型的超薄磨耗层配合比设计,得到Novachip-10、OGFC-10、SMA-10、AC-13最佳油石比分别为4.8%、5.4%、6.6%、4.6%。

试验结果与分析

黏层油最佳洒布量的确定

该文以自研高性能改性乳化沥青与常规SBS改性乳化沥青、Novabond改性乳化沥青的层间黏结强度进行对比,但针对不同级配类型的超薄磨耗层,黏层油最佳洒布量各有不同,一般情况下黏层油洒布量应保证在0.2kg/m2以上。该文以0.21.0kg/m2洒布量为控制范围,以0.2kg/m2洒布量为梯度,将以上3种乳化沥青在不同的洒布量下,分别作为Novachip-10、OGFC-10、SMA-10共3种不同级配类型超薄磨耗层的黏层,检测不同黏层油在不同洒布量下,3种级配类型的超薄磨耗层在常温25℃下层间抗剪强度的变化趋势。进而确定以上3种乳化沥青分别作为Novachip-10、OGFC-10、SMA-10超薄磨耗层黏层的最佳洒布量,后续试验研究所用洒布量均以此试验确定的最佳洒布量为准。

不同粘层油作用下层间黏结强度对比分析

按照前述试验研究确定的不同黏层油在不同级配类型超薄磨耗层下的最佳洒布量,在事先成型好的AC-13基面上喷洒黏层油,养生24h后再铺筑超薄磨耗层。另外,为评价常温与高温环境下黏层油的层间黏结强度的差异,对试件分别进行了25、40℃的6h保温处理,然后进行层间抗剪与抗拉强度试验。

根据以上试验思路测定出基于不同黏层油作用下、不同试验温度条件下、不同级配类型的超薄磨耗层与AC-13的层间黏结强度。

对比发现,虽然高温下的层间黏结强度相对常温下的层间黏结强度有明显削弱,但是在同一试验温度、同一级配类型的超薄磨耗层组合结构下,自研高性能改性乳化沥青的黏结性能明显优于常规SBS改性乳化沥青,且略优于Novabond改性乳化沥青。

同时,试验结果表明:不同级配类型下的超薄磨耗层组合结构的层间黏结强度存在明显差别。分析可知:Novachip属于典型的半开级配、OGFC属于典型的开级配、而SMA则属于典型的间断型密级配,粗集料含量Novachip>OGFC>SMA,试验表明:构造深度Novachip>OGFC>SMA,当它们分别与连续型密级配的AC表面接触时,Novachip+AC、OGFC+AC的层间接触面相比SMA+AC表现出更多的“悬空”部分,进而可以判断SMA与AC的接触面积最大,OGFC次之,Novachip最小。在下面层AC表面构造发育情况、黏层油用量一定的情况下,黏层油分布在磨耗层底面的有效面积及均匀程度SMA>OGFC>Novachip,理论上黏层油的层间黏结作用SMA+AC>OGFC+AC>Novachip+AC。当试件受到层间剪切作用,磨耗层底面集料会与下面层顶面集料产生机械咬合作用,表面越粗糙咬合作用越明显,由构造深度:Novachip>OGFC>SMA,可知其层间咬合作用Novachip+AC>OGFC+AC>SMA+AC,层间咬合作用能在一定程度上提升层间抗剪强度,从而经试验得出实际层间抗剪强度表现为SMA+AC>Novachip+AC>OGFC+AC;同时,乳化沥青在破乳过程中有更多的空间上升到深度较大的Novachip下表面空隙中,从而增大了乳化沥青与Novachip混合料的接触面积,一定程度上弥补了因上下面层接触面积过小而导致层间抗拉强度削弱的现象,从而实际上层间抗拉强度表现为:SMA+AC>Novachip+AC>OGFC+AC。

黏层油与超薄磨耗层同步施工下层间黏结强度试验分析

值得注意的是,壳牌公司Novachip超薄磨耗层技术能实现黏层油与磨耗层的同步施工,且层间黏结性能不受同步施工工艺影响,从而很大程度上提高了施工效率,也保证了施工质量。为验证自研的高性能改性乳化沥青与超薄磨耗层同步喷洒、摊铺,再经过碾压成型下的层间黏结强度能否达到壳牌公司Novachip同步施工工艺要求,将自研高性能改性乳化沥青黏层油与不同级配类型的超薄磨耗层进行了同步施工工艺下的层间黏结强度测试。

反映出Novachip和OGFC这两种级配类型的超薄磨耗层与黏层油同步施工的层间黏结强度相比异步施工下的层间黏结强度差异不大;而SMA作为超薄磨耗层与黏层油同步施工时的层间黏结强度相比异步施工有了较大幅度的削弱。

分析可知,虽然Novachip、OGFC与AC的接触面积较小,但由于Novachip、OGFC构造深度较大,当乳化沥青喷洒到原沥青面层上后,在破乳过程中有足够的上升空间,可以提供超强的黏结力,并且两者属于骨架空隙型结构混合料,内部存在较多的连通空隙,乳化沥青破乳分离出的水分在高温下可通过同步摊铺的磨耗层混合料从这些连通空隙向上蒸发排出,因此,乳化沥青黏层油与Novachip、OGFC磨耗层同步施工下的层间黏结强度相比先喷洒乳化沥青黏层油养生24h后再摊铺磨耗层的层间黏结强度差别不大,乳化沥青黏层油与Novachip、OGFC磨耗层可采取同步施工,达到提高施工效率的目的;而SMA属于骨架密实型结构,空隙率很小,且内部连通空隙极少,同步施工工艺下乳化沥青破乳分离出的水分短时间内很难穿过SMA内部空隙从表面蒸发散失,推测富余的水分会聚集在SMA磨耗层下表面形成一层类似水膜结构,这种水膜结构一定程度上会削弱层间黏结作用。因此,乳化沥青黏层油与SMA磨耗层同步施工下的层间黏结强度相比先喷洒乳化沥青黏层油养生24h后再摊铺SMA磨耗层的层间黏结强度低,乳化沥青黏层油与SMA磨耗层不宜同步施工。

(1)自研高性能改性乳化沥青作为超薄磨耗层的黏层油,当Novachip、OGFC、SMA分别作为上面层时最佳洒布量分别为0.8、0.8、0.6kg/m2,同等试验条件下其层间黏结强度相比常规SBS改性乳化沥青有了大幅度提升,且完全能够达到壳牌公司的Novabond改性乳化沥青的层间黏结效果。

(2)级配类型不同,超薄磨耗层层间黏结强度也表现出较大差别,层间黏结强度具体表现为SMA+AC>Novachip+AC>OGFC+AC。

(3)半开级配Novahip、开级配OGFC与自研高性能改性乳化沥青黏层油同步施工工艺下的层间黏结强度相比先喷洒黏层油后摊铺碾压薄层的异步施工工艺,其层间黏结强度无明显差别,Novachip、OGFC与自研高性能改性乳化沥青黏层油可采用同步施工工艺;而密级配、空隙率小的SMA与自研高性能改性乳化沥青黏层油同步施工工艺下的层间黏结强度明显小于异步施工工艺下的层间黏结强度,SMA与自研高性能改性乳化沥青黏层油不宜采用同步施工工艺。

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