（材料学专业论文）沥青路面基面层粘结材料与性能研究.pdf

摘要 在我国，半刚性基层沥青路面由于基面层间接触问题产生的破坏是大量早期 破坏中的一种。同时半刚性基层的开裂不可避免，若无足够的保护措施，将会导 致水分渗入基层，并且在行车荷载作用下产生动水压力冲刷基层。因此良好粘结 层对保证沥青路面的正常使用寿命有着至关重要的作用。 本文首先运用多层弹性层状理论体系对不同层间接触条件下的路面结构受 力状态进行分析，发现层间良好的接触状态对路面结构最有利，因此得出在基面 层间设置粘结层是必要的。同时根据粘结层材料的受力特性和路用结构中粘结层 相应的破坏情况，确定了粘结层材料需具有的功能。 其次针对粘结层材料的粘结功能，通过计算确定了相应的抗剪和抗拔强度指 标。对此，采用直接剪切试验和拉拔试验对其性能进行评价。同时也用渗水试验 检验了粘结层的抗渗性。 然后对粘结层材料进行了研究，确定了制备粘结层的各种原材料、材料配比 及工艺流程，并对制备出的粘结层进行材料方面的相关检验。 最后对粘结层进行了模拟路面实际工作状态下的性能检验，包括剪切试验、 拉拔试验、渗水试验和车辙试验。 关键词：半刚性基层沥青路面 材料 粘结层多层弹性层状理论体系 性能 a b s t r a c t i ti sav e r ) ，i m p o r t 锄ts t e pt os t r o n gt h ei n t e r b e d d e dc o m b i n a t i o no ft h eb a s ea i l d t h es u r f a c ew h e nb e s t r e w i n gc o h e r e n t1 a y e ro ns e m i r i g i db a s e ，a l s ot h ep e n e t r a t e do i l h a st h e 缸1 c t i o no fp r o t e c t i n gm eb a s ea 1 1 ds t r e n g t h e n i n gt h eb a s e s oh i g h q u a l i f i e d p e n e t r a t e do i lh a sa 1 1v e 巧i m p o n a n tr o l et o e n s u r et h a tm ea s p h a l tp a v e m e mw o r k s w e ua n dh a sa v e r yg o o dr o a dp e r f - o m a n c e f i r s t l y ，t h i sp a p e ru s e se l a s t i cm u l t i 一1 a y e rt h e o r yt od e t a i l e d l ya n a l y z et h es h e a r s t r e s sb e t w e e nt h es e m i r i g i db a s ea n dt h e s u r f a c eo ft 1 1 ea s p h a l tp a v e m e n t ，t 1 1 u s f i n d i n gt h eg e n e r a ll a w o ft h e s h e a rs t r e s s a n da l s od i s c u s s e sh o wm es h e a ri s a 虢c t e db yl o a d sa i l dp a r a m e t e r so fp a v e m e n t ( i n c l u d i n gm o d u l u sa i l dt h i c k n e s so f b a s e a n ds u r f - a c e ) t h e na n a l y z i n gc o h e r e n tl a y e rm a t e r i a lo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ， c h o o s i n g m o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l ta st h ec o h e r e n tl a y e rm a t e r i a la 芏1 de x p e r i m e n t i n gt h e 、 r e g u l a ra n dq u a l i t yt e s t f i n a l l ys i m u l a t i n g c o h e r e n tl a y e rr e a lw o r ks t a t e ，c a n 了i n g o nm e c h a i l i c s p e r f o m a l l c et e s t ，a st h e r e s i s t a n c et os h e a ra j l dt e n s i l es t r e n g mo fc o h e r e n t1 a y e r s t m c t u r ef o ri n d e xt od e t e m i n et h ec o n s 啪p t i o na 1 1 dt h ek i n do fc o h e r e n tm a t e r i a l ， a 1 1 a l v z ei n n u e “a lf a c t o r sw h i c hi n n u e n c et 1 1 ep e r f b m a i l c eo fc o h e r e mm a t e r i a l a t l a s tv a l i d a t i n gt h er e s i s t a n c eo fr u t t i n gp e r f o m a l l c eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n tu s i n g p e n e t r a t e do i l k e yw o r d s ：s e m i r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t c o h e r e n tl a y e r e l a s t i cm u l t i 1 a y e rt h e o r y m a t e r i a l r o a dp e r f o m l a n c e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：己正之2 6 年莎月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：王正兄 导师签名： 载弓争謦 妒f 年彳月日 护二年二月易曰 第一章绪论 1 1 问题的提出 半刚性基层沥青路面在我国的高等级公路路面中占绝大多数。目前这种路面 设计采用的是双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，并且以层问完全连 续为前提。但是由于实际的施工状况等因素，使得基面层间的接触状态不可能是 完全连续的，由此造成了设计理论与现实状况不符。这是目前许多半刚性基层沥 青路面出现不同程度早期破坏的诸多因素之一。在我国沥青路面快速发展的今 天，针对这种情况，解决沥青面层和半刚性基层之间的有效粘结问题已经越来越 重要。而保证沥青面层与半刚性基层之间良好结合的技术措施中，在基层上洒布 透层是解决层间结合问题的一项重要技术措施。 公路沥青路面施工技术规范规定：沥青路面各类基层都必须喷洒透层油； 用于半刚性基层的透层宜紧接在基层碾压成型后表面稍变干燥，但尚未硬化的情 况下喷洒。实际做法也是这样的，基层施工完成不久后立刻洒布透层，一来确保 其渗透性，二来进一步封闭养护基层。虽然如此，我们还是能够看到有许多高等 级公路还是由于层间问题而导致破坏。 目前的沥青路面施工技术规范仅规定了洒布的透层材料要满足一定的要求 标，并没有对透层的路面使用性能作出任何规定。同时对透层的原材料指标要求 也千篇一律，这样就造成了透层虽然渗透性良好，同时指标也满足要求，但是由 于其路用性能不足而直接导致路面的破坏。因而，当前沥青路面施工规范上将铺 筑沥青面层之前设置的这一层叫做“透层”是不科学的，因为其名不符实，并且 可能对施工单位产生误导作用。结合其实际用途，可以称该为层间结合层、连结 层、粘层等等，这有待于进一步讨论。本文中参考桥面铺装中的叫法，在以 下的研究中称该层为粘结层。 半刚性基层由于材料自身的原因，其开裂不可避免。此时基层顶面如果没有 足够的防护措施，就会造成动水压冲刷基层，使基层变软，造成沥青路面的唧泥， 严重的还可能渗入底基层，湿软底基层和土基，使得整个路面结构承载力严重下 降，引起基层和进一步开裂，导致出现沥青路面早期发生破坏，大大缩短了半刚 性基层沥青路面结构的使用寿命。因此也很有必要在半刚性基层顶面设置一个防 水层来阻止路面水下渗，保证路面结构的稳定。 从路面的造价和施工工序考虑，在基层顶部既设置粘结层又设置防水层是不 经济且又繁琐的。因而要求设置的粘结层要同时具备两个方面的性能：一是提供 足够的粘结性能，以保证路面结构层间的完全连续接触；二是具有足够的防水能 力，防止基层的水破坏。 在高等级公路建设事业蓬勃发展的今天，加强加大路面层间粘结问题的研究 是非常必要的，这对提高道路的使用寿命具有重要的现实意义。为此，本文从力 学分析与室内试验两方面进行探讨，以期为沥青路面的设计和施工提供支持，从 而促进公路事业的更加快速发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 粘结层材料 目前国内外路桥用粘结层材料的品种众多，其应用也非常广泛，桥梁、大坝、 道路、房屋建筑等等，处处可见粘结层的身影。回顾国内外近几十年道路修筑过 程中的路用粘结层应用现状的历史，其品种概括起来主要有： 1 煤焦油：由于其渗透能力强并且能够很快开放交通，所以一度被广泛用 作透层材料。但是煤焦油自身化学组分对环境有严重的污染，以及煤焦油和煤沥 青含强致癌物质，世界各国对煤沥青的使用越来越加以限制。目前世界发达国家 已经禁止煤焦油用于粘结层的喷洒。 2 稀释沥青：采用柴油、煤油以及汽油等轻质油分，按一定的掺配比例将 不同标号的沥青稀释，然后喷洒到基层表面。由于其良好的渗透性能，得到了道 路应用专家的青睐。目前，在国内外将其作为粘结层应用的仍相当广泛，但是稀 释沥青由于采用大剂量的柴油、煤油或者汽油作为稀释剂，不仅对环境造成了一 定的污染，而且成本也较高；同时，稀释沥青中的轻质油能否挥发殆尽仍有异议， 如果存在于基层内是否对基层乃至下面层有不良影响尚待研究。 3 乳化沥青：随着乳化工艺的发展及乳化沥青的推广应用，我国开始较大 规模的应用乳化沥青作为透层油。在国外，作为粘结层的乳化沥青种类是根据不 同的基层类型来选择的。阳离子乳化沥青粘结层通常大量用于继配碎石类的柔性 基层。对于水泥。石灰。粉煤灰等的半刚性基层上，由于材料具有强碱性，则主 要采用阴离子或非离子乳化沥青。我国原路沥青路面施工技术规范( j t j0 3 2 9 4 ) 中指出“与水泥、石灰、粉煤灰共同使用时，宜采用阴离子乳化沥青”，但是工 程实际上，在水泥稳定或二灰基层上洒布粘结层时，采用阴离子乳化沥青的省份 并不多。而且对使用阴离子乳化沥青的渗透效果也有不同的看法，有意见认为， 并不是说哪一种粘层就一定能或者一定不能用在半刚性基层上，问题的关键是有 没有根据现场的实际情况选用合适的粘结层类型及施工工艺。 4 改性乳化沥青：普通乳化沥青粘层由于破乳后沥青自身固有的原因，对 温度的敏感性很强。在高温下会产生流淌变形，而在低温下又会脆裂，这样要么 不能提供足够的粘结能力，要么脆裂以后不能防水。而改性乳化沥青不同，通过 改性后，使其本身的脆点下降，软化点升高，从而使有效使用温度范围扩大，使 得本身的热稳定性和低温抗裂性能得以明显改善，使用耐久性明显提高，延长了 沥青的使用寿命。同时改性后的乳化沥青粘附性也大大提高，能够大大加强基层 和面层之间的粘附力，对于交通量大、超载和重载道路，使用改性粘结层能提供 更为持久的粘结力。 上述四种粘结层材料中，除了煤焦油外其它三种材料目前都还在使用。稀释 沥青是我国最早研制和使用的，但是目前国内外油价的上涨、自身缺陷以及路面 交通量越来越大等问题，促使在我国以及国外的使用量并不是很广泛。乳化沥青 作为透层油在沥青路面铺筑中也有较长的使用阶段，然而由于其温度敏感性问 题，现在已逐渐有被乳化沥青粘结层取代的趋势。改性乳化沥青作为近年刚出现 的新型材料，其性能优越，注定其应用前景也必将广阔。以下就采用这种新型材 料作为道路粘层材料，并对其在道路中的使用性能方面进行研究。 1 2 1 国内外概况 国内外对于防水层方面的研究非常深入，因而相关的试验方法和指标也很成 熟，但是绝大多数都是针对桥面铺装和建筑防水而言的。由于桥面防水层和路面 粘结层在功能上有很多相同点，只是侧重点稍有不同而已。因此了解防水层的发 展对于路面粘结层的研究有重要的意义。 美国是最早开展桥面防水粘结层研究的国家之一，n c h r p 在1 9 7 6 年发表了 桥面防水报告中介绍了防水膜性能的室内评价方法，见表卜1 。日本在桥面防水 方面也做了一定的研究，其相应提出涂膜类防水材料的试验方法及其指标见表 1 2 。 表卜1 美国h r p 室内试验方法 测试指标试验方法 a 定量：从混凝土板上揭起防水膜 粘结力 b 测量剪力和拉力，用粘结剂将防水膜粘结于试件表面 透水性电阻法 冲击破坏加热，重复将圆锥从高出落下冲击防水膜 防水膜铺于沥青混合料上并加热，向集料施加压力，并用电阻测试破坏程 徐变破坏 度和相应力的施加次数 室温下加挠曲荷载，加载速率为0 2 5 m m i n ，至产生2 5 m 裂缝，然后加 抗裂缝能力 载速率为1 3 0 2 5 m m i n ，至产生6 4 裂缝，观察防水膜的变形 老化性能6 0 ，3 0 天后测其重量、抗拉强度、延伸率等指标变化 疲劳性能一1 8 ，张拉循环 抗冻融能力6 0 一1 8 ，十个循环，测其抗拉强度、伸长率和硬度变化值 表卜2 日本涂膜系列防水材料的标准指标 项目 标准值试验方法 针入度( 2 5 ) ( 0 1 m ) 2 0 5 0 水泥混凝土铺装要纲 软化点( )8 0 以上j i sk2 2 0 7 拉伸强度( 2 0 ) ( m p a ) o 3 5 j i sa6 2 0 1 最大荷重时的拉伸率( ) 3 0 0 以上 j i sa6 2 0 1 耐碱性( 2 0 )饱和c a ( 0 h ) 2 溶液浸泡1 5 天无异常 j i sk5 4 0 0 耐盐水性( 2 0 ) 3 c 1 溶液浸泡1 5 天无异常 j i sk5 4 0 0 比较而言，我国对路桥防水的研究起步较晚，直到1 9 9 9 年3 月底，交通部 公路司在京主持召开了“桥面铺装结构专题研讨会”，会议指出建议对防水层材 料、技术指标等进行深入研究。经过十几年的研究和参考国外相关规范，国家发 展和改革委员会于2 0 0 4 年发布的道桥用防水涂料和交通部发部在2 0 0 5 年发 4 布的路桥用沥青基防水涂料部分技术指标分别见表卜3 和卜4 。 表卜3 聚合物改性沥青防水涂料技术要求j c t9 7 5 2 0 0 5 指标 项目 ii i 1 固体含量( ) 4 5 5 0 2表干时间( h ) 4 3实干试件( h ) 8 4 耐热度( 无流淌、滑动) ( ) 1 4 01 6 0 涂料通用性能 5 不透水性( o 3 肝a ，3 0 m i n )不透水 6 低温揉度( 无裂纹) ( ) 一1 52 5 7 拉伸强度( m p a ) 0 5 01 0 0 8 断裂生长率( ) 8 0 0 1 l 与水泥混凝土粘结强度( m p a ) 0 4 00 6 0 2 5 0 粘结强度( m p a ) o 5 0 涂料应用性能 3 热碾压后抗渗性 o 1 肝a 、3o l l i i n 不透水 表卜4 水性沥青基防水涂料性能指标 j t t5 3 5 2 0 0 5 类型 项目 ii i 固体含量( ) 4 3 一1 5 22 0 2 柔韧性( ) 无裂纹、断裂 1 4 0 21 6 0 2 耐热性( ) 无流淌和流动 粘结性( m p a ) o 4 不透水性o 1 m p a 、3 0 m i n 不透水 抗冻性( 一2 0 )2 0 次不开裂 高温抗剪( 6 0 ) ( m p a ) 0 1 6 抗咯破及渗水暴露碾压试验( 0 7 肝a 、1 0 0 次) 后，o 3 m p a 水压下不透水 对比表卜1 卜4 后发现，我国对防水层提出的指标和国外基本上是相同的。 说明国内外对于防水层材料应具有的功能认识基本一致。 指标认识虽然相同，但是在试验测试方法上却很混乱：哈尔滨工业大学徐伟 采用2 7 。斜面剪切、直接剪切和直接拉伸试验；长安大学张占军采用固定正应 力剪切、直接剪切和直接拉伸试验；长安大学桥面柔性防水材料性能指标与检 测技术研究中采用固定正应力和直接拉伸试验；东南大学高雪池采用4 0 。斜 面剪切试验；长安大学的苏凯采用4 5 。斜面剪切试验等。 本文在对比分了了这些试验方法的优缺点后，采用直接剪切试验、直接拉伸 试验和渗水试验等对粘结层进行试验评价。 1 3 主要研究内容 1 粘结层材料功能分析 通过对半刚性基层沥青路面不同层间接触状况下的路面结构的力学响应，确 定层间接触条件对沥青路面结构的影响。同时根据粘结层的受力特性及沥青路面 层问的常见破坏形式，分析粘结层材料应具有的功能。 2 粘结层材料试验方法 首先通过大量的计算确定粘结层要保持层间完全连续状态应具有的抗剪和 抗拉强度指标。然后采用直接剪切和直接拉伸试验对其指标进行试验验证。同时 也对粘结层的抗渗性进行了检验。 3 粘结层材料研制开发 首先针对粘结层材料渗透性的要求，开发慢裂快凝的复合乳化剂。然后确定 了制备粘结层的其它原材料、材料配比，并根据改性剂的特点，设计工艺流程。 最后对制备出的粘结层材料进行相关检验，并据此评价复合乳化剂的性能。 4 粘结层材料性能评价 通过剪切试验合理确定粘结层材料的最佳用量，并在此基础下对影响粘结层 抗剪性能的相关因素进行分析。同时对粘结层在最佳用量下的抗拉强度进行研 究。然后用渗水试验检验粘结层的抵抗渗水的性能，最后分析粘结层对路面结构 抵抗车辙性能的影响。 6 第二章层间接触状态对路面性能影响分析 2 1 力学计算基本理论 路面体系在结构上十分复杂，它往往是一个大面积的层状结构支承在无限深 的地基上，再加上材料的非弹性性质，在计算它的内力时会遇到很多的力学和数 学困难。作用在路面上的荷载是多次重复的动荷载，汽车轮胎的印记是近乎椭圆 形的，在印记上的压力分布也并不完全是均匀的。路面材料的性能也极为复杂， 具有弹性、粘性和塑性，且具有各向不均匀性。因此，对路面结构体系作完善的 力学分析是十分困难的。 目前，沥青路面的力学计算理论主要有多层弹性层状体系理论、有限元数值 解法、流变学、粘弹塑性力学、非线弹性力学、断裂力学、岩土塑性力学等。 依据国内目前的设计规范，采用以弹性层状体系理论为基础的程序进行路面 结构应力分析。 弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定的厚度，最下一层 为弹性半空间体，其假设为：各层是连续的、完全弹性的、均质的、各向同性的， 以及位移和变形是微小的；最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大，其上 各层厚度为有限、水平方向无限大；不计自重。 2 2 层间接触状态对路面受力影响 2 2 1 计算结构及参数 基层与面层接触状态的不同，其力学响应也不同。现采用表2 1 所示的路面 结构，分别考虑基层与面层间完全连续、部分连续、完全光滑这三种不同情况下 的接触条件，以此来计算层间接触状态的变化对路面结构层应力的影响。 表2 1 路面结构参数 结构层厚度( c m )模量( m p a )泊松比 面层 1 21 4 0 0o 2 5 基层 2 51 5 0 0o 2 5 底基层 2 06 0 00 2 5 土基6 0o 3 5 荷载采用标准轴载，以b z z 一1 0 0 表示，其计算参数见表2 2 ，水平荷载系数 只考虑车辆正常行驶时的情况( f = 0 3 ) 。 表2 2 标准轴载计算参数 标准轴载b z z 一1 0 0 标准轴载p ( k n ) 1 0 0 轮胎接地压强p ( m p a ) o 7 0 单轮传压面当量圆直径d ( c m ) 2 1 3 0 两轮中心距( c m ) 1 5 d 2 2 2 层间接触状态不同时的计算结果及分析 本小节分析不同层间接触状态下应力沿深度变化的规律。为了节省时间及便 于计算结构的分析比较，取平行于水平荷载作用方向直径上荷载圆边缘点下直线 上的点为计算位置，计算从路面表面到低基层顶部范围内的应力变化，计算点位 置如图2 1 所示。层间不同接触状态时的计算结果见表2 3 表2 6 。 y _ 7 一必r ? 一 、 f3 、， 面层模量 基层模量。 ( 3 ) 层间最大剪应力随基层和面层厚度变化规律 选取如表3 7 的路面结构组合来研究基层和面层厚度对基面层间最大剪应 力的影响。 表3 7 路面结构组合及参数 参数 e ( m p a ) e ，( m p a ) 6 ( c m ) 垂直荷载p ( k n ) 取值 1 4 0 01 6 0 0l o 6 52 5 日l ( c m ) 6 、8 、1 0 、1 5 、1 8 、2 0 ，( c m )2 0 、2 5 、3 0 、3 5 各种面层和基层厚度组合的路面结构层间最大剪应力的计算结果如表3 8 和 图3 2 及图3 3 。 表3 8 不同面层厚度厚度下层问最大剪应力 681 01 51 82 0 日2 2 00 2 3 4 7o 2 0 9 4o 1 8 6 0o 1 3 8 30 1 1 7 1o 1 0 5 6 2 50 2 3 0 9o 2 0 6 10 1 8 3 1o 1 3 6 30 1 1 5 30 1 0 3 9 f = 0 3 3 0o 2 2 9 3o 2 0 4 8o 1 8 2 0o 1 3 5 4 0 1 1 4 6 o 1 0 3 2 3 50 2 2 8 7o 2 0 4 40 1 8 1 7o 1 3 5 20 1 1 4 40 1 0 3 0 2 00 2 6 9 70 2 3 6 2o 2 0 6 7o 1 4 9 4o 1 2 4 9o 1 1 1 7 2 50 2 6 6 4o 2 3 3 70 2 0 4 7o 1 4 8 1o 1 2 3 80 1 1 0 7 f = 0 5 3 0o 2 6 5 l0 2 3 2 9o 2 0 4 lo 1 4 7 90 1 2 3 6 0 1 1 0 5 3 5o 2 6 4 8o 2 3 2 90 2 0 4 3o 1 4 8 20 1 2 3 90 1 1 0 7 1 9 图3 2 层问最大剪应力随面层厚度变化规律( 御3 ) 图3 3层间最大剪应力随面层厚度变化规律( f - o 5 ) 由图3 2 和3 3 可以看出，其它条件相同的条件下，面层厚度比基层厚度更 加能显著的影响层间最大剪应力。选取目前半刚性基层常用的一个代表性厚度 3 0 c m ，对表3 8 中的相关数据进行回归，发现层间最大剪应力与面层厚度有如下 良好的相关关系： f 一= 幻“。 ( 3 1 ) 其中：车辆正常行驶时a = 0 9 3 3 7 ，b = o 4 1 7 9 ，相关系数o 9 9 6 2 车辆紧急刹车时a = o 8 3 0 2 ，b = 0 4 3 6 2 ，相关系数0 9 9 4 8 3 抗剪强度结构系数 路面要受到荷载的反复作用，考虑到超载、重载等因素的作用，层间容许剪 应力应为抗剪强度除以相应的抗剪强度结构系数k ，k ，与累积标准轴载次数及 道路等级有关。由于抗剪强度结构系数的确定还要通过对路面结构临界状态路段 进行大量的调查方可获得，这是一个复杂的经济技术问题，因而目前尚难从实际 中得到k ，值。 基于上述原因，采用我国城市道路柔性路面设计方法中的抗剪强度结构系数 公式进行计算，即： 车辆正常行驶时 k 0 3 = 0 1 2 ”5 彳 车辆紧急刹车时 k 。= 1 2 4 式中： k 一一个车道在设计年限内的标准轴载累计次数； a 一公路等级系数，高速、一级公路为1 0 ，二级公路为1 1 。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 参考公路沥青路面设计规范( 送审稿) 中对于交通量的分级，见表3 9 ， 可以计算出车辆正常行驶时的k ，值。 表3 9交通量分级 交通量分级 b z z l o o l ( n 累计标准轴次札( 万次车道) 低交通1 5 0 轻交通1 5 0 4 0 0 中交通4 0 0 8 0 0 重交通8 0 0 2 0 0 0 将重交通量札= 2 0 0 0 万次车道带入式( 3 2 ) 得： 舻2 z o o o 爿出；滴篙缈 a ， 舻他协滴蒿缈 2 l ( 3 5 ) 考虑到沥青混合料的剪切特性与层间剪切特性有很大的区别，以及公路与城 市道路的车辆行驶方式不同，同时考虑到紧急制动时水平力的增加。必须对计算 结果进行修正。在查阅了大量资料的基础上，提出如下修正后的抗剪强度系数： 有： 车辆正常行驶时 车辆紧急刹车时 3 = 1 5 k 0 5 = 1 3 在考虑抗剪强度系数后，层间容许抗剪强度 f 分别为 车辆正常行驶时 【f 】d 3 = 1 3 9 9 9 o 4 1 7 9 ” 车辆紧急刹车时 f 】0 ，= 1 0 7 9 2 o 4 3 6 2 ” ( 3 6 ) ( 3 7 ) 将目前国内二级公路和高速或一级公路的路面厚度范围代入上式3 6 和3 7 高速或一级公路【r 】0 ，= o 2 0 3 1 o 2 7 3 l m p a【k 5 = o 2 1 1 8 o 2 6 5 2 m p a 二级公路 【f 】o ，= o 3 0 7 2 o 3 4 3 9 m p ap 】o5 = o 3 1 2 7 o 3 4 4 6 m p a 综合两种情况考虑，路面层间容许抗剪强度为 f 取：高速或一级公路 o 2 8 m p a ，二级公路o 3 删p a 。 因此，为了保持沥青路面良好的运营状态，粘结层的实际抗剪强度f 应有下 面的关系：粘结层材料的抗剪强度f 路面层间容许抗剪强度 f 3 1 2 抗拔强度指标 通过2 2 节计算可以看出，在三种接触状态下，面层与基层之间的竖向应力 都为压应力状态，即基层和面层间不会在车辆静载作用下受拉而产生分离。但是 在车辆实际运行时，由于车轮和路面的强烈作用和高速行驶后的真空泵吸作用产 生的吸附力也会对路面结构产生不利影响。同时有研究认为：一旦基层和面层产 生分离后，层间将产生滑动，在车辆荷载的冲击作用下，导致下面层沥青混凝土 结构疲劳开裂。所以基层与面层间的结合强度是对半刚性基层沥青路面的抗疲劳 性能有很大影响，对层间竖向的抗拉强度给出量化规定很有必要。 目前国内外虽然对于粘结层材料本身的粘结强度有明确规定外，尚无对粘结 层在路面结构中竖向的抗拉强度做出任何规范性说明。路桥用水性沥青基防水 涂料( j t t5 3 5 2 0 0 4 ) 中规定沥青基防水涂料在标准试验条件下其粘结能力应 不小于o 4 m p a 。考虑到层间的抗拔强度最好不应小于粘结材料自身的强度，以 及粘结层在路面结构中的受力特性和荷载的疲劳作用，因而本文建议路面层间容 许抗拔强度p 】为：， 盯】2 0 4 式中：抗拔强度结构系数 ( 3 5 ) 抗拉强度结构系数的确定同样要通过大量的实际路段调查才能获得，本文选 取抗拉强度结构系数七拉为1 1 ，代入( 3 5 ) 式有： 【c r = o 4 1 1 = 0 4 4 m p a 因此，实际路面结构为了保持基层和面层的完全连续接触，同样必须要满足 下面的条件：粘结层材料的抗拉强度 路面层间容许抗拉强度p 】 3 2 粘结层材料试验方法 鉴于粘结层在路面结构中的受力状态以及其应具有的功能，本文中采用剪切 试验和拉拔试验对粘结层进行联结性能试验，同时也对粘结层进行了防水性能的 试验检验。 3 2 1 粘结层材料性能试验 1 试验模型 粘结层是洒布在半刚性基层表面和沥青混凝土下面层之间的一个薄层，为了 模拟实际工程中粘结层的工作状态，试验采用“半刚性基层+ 粘结层+ 沥青混凝 土面层”的结构，如图3 4 。 2 试件成型步骤 图3 4 粘结层材料试验模型 为了实现图3 4 所示的试件，先成型基层试件，然后在其上洒布粘结层， 最后加铺沥青混凝土层，具体制作过程如下。 ( 1 ) 成型半刚性基层 试件成型方法完全参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程。 ( 2 ) 洒布粘结层 基层成型完毕脱模后，将基层表面浮浆清除。然后倒上指定量的粘结层，让 其在自然环境条件下破乳固结。待完全固化后，将基层用塑料薄膜封闭养护以待 备用。 ( 3 ) 加铺沥青混凝土面层 将拌和好的沥青混合料倒入马歇尔试筒内，放置压力机下进行静压成型面 层。加荷时应保持匀速加载，速率一般控制在o 6 1 o k n s 。考虑半刚性基层 早期抗压强度低，故施加最大压力为5 0 k n 。保持最大荷载稳压3 m i n 后卸载。待 沥青混合料温度降至室温时脱模。脱模时应注意轻拿轻放，不要扰动层间粘结状 态。整个试件制作过程如图3 5 所示。 2 4 1 成型半刚性基层 3 加铺沥青混合料 3 剪切试验 图3 5 试件成型步骤图 2 洒布粘结层 4 脱模成型 进行室内直接剪切试验的目的是为了确定粘结层抵抗水平剪切的能力，以供 选择合适的粘结层材料，指导设计与施工，以及评价沥青混凝土与粘结层、半刚 性基层与粘结层之间的粘结力。 室内直接剪切试验时，为了能够获得较好的试验结果和对实际情况进行模 拟，首先需要对一些试验参数进行确定。 ( 1 ) 试验参数确定 1 ) 温度的确定 众所周知，沥青路面的温度与气温并不相同，沥青面层内部不同深度处的温 度也不一致。日本的秋山政敬认为沥青面层内最高气温1 0 与路表温度气温t s 有 以下的关系式： t j 。= mt s + b ( 3 6 ) 其中，m 、b 为系数，随路面层厚不同的变化见表3 1 0 。 表3 1 0m 、b 值数表 厚度( c m )2 5 2 0 1 51 05 m0 8 0 20 8 0 40 8 5 40 9 1 8o 9 8 0 b 1 7 0 2 1 4 0 1 o 6 8 8o 3 0 3o 7 9 8 目前国内高等级沥青路面的面层厚度一般都为1 5 c m ，由式5 4 得 t o = o 8 5 4t s + 0 6 8 8 ( 3 7 ) 在我国，夏季高温时，沥青混凝土路面的表面温度可以达到6 0 ，并且基 本上能可以保持两个小时以上，考虑最不利情况，把6 0 作为路面表面的极端 气温t ，代入式5 5 有 1 0 = 0 8 5 4 6 0 + o 6 8 8 5 2 ( ) 是沥青面层的最高温度，在沥青路面中，最高温度一般出现在中面层，往下 随着沥青面层厚度的增加而温度急剧减小，结合以往的路面温度场分析，基面层 间的温度可以达到4 5 。 ， 2 ) 剪切速率的确定 根据大量试验的发现，太大的剪切速率会导致层问破坏太快而使得采集数据 变得困难，同时太小也考虑到不能模拟层间的实际受剪状态同时也大大延长试验 时间。参考路桥用水性沥青基防水涂料( ，t 仃5 3 5 2 0 0 4 ) 高温抗剪试验，本文 中无特别说明外，一律采用剪切速率为1 0 m i i l ，m m 进行试验。 ( 2 ) 试验仪器及步骤 试验采用长安大学公路学院与亚星土木仪器有限公司联合开发j h y a 型 桥面防水层电动剪切仪对粘结层进行相关的剪切试验。该剪切仪由数据采集箱和 剪切机两部分组成。通过剪切过程中剪切机所能施加的最大荷载计算出粘结材料 的抗剪强度，具体步骤如下： 检查剪切机和数据采集箱是否工作正常。 将数据采集箱与试验剪切机连接好，如图3 6 。 图3 6 直接剪切试验仪 打开试验机前端接口，将试件放入后，拧紧夹具。同时注意粘结层所放的 位置要在剪切压头和固定端的中央。 开启电源，同时调整试验仪采集面板上的剪切速率为试验设定速率。 启动试验机，待数据采集箱收到剪切机的信号后确定试验开始。 试验剪切过程中同时观察试件破坏以及层间变形情况。 试验结束后关闭剪切机。 对试验数据进行采集。 ( 3 ) 试验结果处理 试验时需观察记录的剪切特性包括各种材料、机械因素下的破坏面情况、抗 剪强度、剪力与剪切位移的关系等。抗剪强度计算公式如下： r = ； ( 3 _ 8 ) l ) 式中：t 一抗剪强度( m p a ) ； f 剪切力( n ) ： s 一剪切面积( 埘2 ) ，为马歇尔试件横截面积。 4 拉拔试验 拉拔试验用于测定粘结层和基层及面层间的粘结强度及对路面整体结构强 度的影响。 ( 1 ) 拉拔参数的确定 为了对比抗剪强度与抗拔强度的相关性，拉拔试验中的温度和速率参数同剪 切试验。 ( 2 ) 试验仪器及步骤 试验采用长安大学公路学院与亚星土木仪器有限公司联合开发l g z i 型 桥面防水层拉拔仪对粘结层进行相关的拉拔试验，该仪器同样由拉拔机和数据采 集箱两部分组成，通过拉拔过程中所能施加的最大拉力计算抗拔强度。具体步骤 如下： 检查拉拔仪的是否完好。 将拉拔试验机与数据采集面板组装好，如图3 7 。 图3 7 拉拔试验仪器 将用环氧树脂已经固结好了拉拔环的试件放置拉拔机器下面，注意放正 试件位置，然后将拉拔环拧到仪器的传感器上。 开启电源，同时调节采集面板上的拉拔速率。 启动试验机，待数据采集面板接受到拉拔试验机信号后确定试验开始。 拉拔试件过程中注意试件破坏情况。 试验结束后关闭拉拔机。 对试验数据进行采集。 ( 3 ) 试验结果处理 试验时需观察记录的拉拔特性包括各种材料、机械因素下的破坏面情况、抗 剪强度、拉拔与拉伸位移的关系等。抗拔强度计算公式如下： 盯圭罢 。 ( 3 9 ) 盯2 i + 3 o 。一w 式中：o 抗剪强度( i i p a ) ； f 拉拔力( n ) ； s 截面面积( 所2 ) 。 若试件从环氧树脂涂层处破裂，则读数无效。 3 2 2 渗水试验 半刚性基层上洒布的粘结层在铺筑沥青层摊铺和碾压时，可能造成破损而渗 漏。进行渗水试验则是为了评价反映防水层承受碾压时的防水性能是否仍能保持 阻止水分进入基层的要求。 试验采用长安大学公路学院和亚星土木仪器有限公司联合研制的z y h 型桥 f 面渗透仪对粘结层进行防水相关方面的相关试验。具体试验步骤如下： 用沥青混合料车辙板标准试模里成型3 0 0 m m 3 0 0 咖5 0 唧的基层板，成型 完毕2 4 h 后立刻在表面洒布粘结层，待其室温下破乳固化。7 d 后脱模，自然条 件下再放置3 d 后备用。 在标准试模3 0 0 姗3 0 0 唧5 0 砌底部( 即钢板表面) 放置纸张，然后在上面 洒布乳化沥青，待其在室内条件下未完全破乳时洒布石屑，完全固化后，在上面 铺筑5 c 珊厚a c 一2 5 粗粒式沥青混合料。 用轮碾机碾压成型( 先初压，相当于6 t 压路机，后终压，相当于8 1 0 t 压力机) ，注意试模内沥青混合料温度要不小于1 1 0 。 将步骤1 和步骤3 的两种试件固定在专用的渗水仪上，如图3 8 。 重3 呜渗水试验强 其中应注意试件与渗水仪的密封性，然后用针管从进气口向渗水仪的刚筒内 加永约l 升。 拧紧迸气口螺丝，用气篱向尉篱走打气分别打气至规定气压值，稳定 3 0 m i n 后，观察试件周围及下面是否渗水或漏水。 3 3 本章小结 、本章对模拟秸结层材料性能的强度指标和其相应的试验方法进行了探讨，得 到了如下的结论： 1 通过大量的力学计算并考虑到各种相关影响因素，确定了基面层间的容许 抗剪强度 f3 为：高速或一级公路o 2 8 鹾p a 、二级公路o 3 5 赫p a ：层闯容许抗拔 强度p 】为0 4 4 m p a 。 2 沥青路面基层和面层间要保持良好的运营状态，粘结层材料的强度必须要 具备下面的两个条l 牛：水平向的抗剪强度不小于层闻容许抗剪强度 f3 ；竖直向 的抗拔强度不小于层间容许抗拔强度【仃】。 3 采用剪切试验和拉拔试验对其粘结层进行相应的层间抵抗剪切和抵抗剿 离试验，同时对粘结层进行渗水试验。 第四章粘结层材料制备及检验 4 1 原材料选择及其技术性质 4 1 1 沥青 沥青是粘结层组成的主要原料，沥青质量的好坏直接关系到粘结层的质量。 由于本文的粘结层是特殊改性沥青乳液，因而选择沥青品种时，首先应考虑到它 的易乳化性。一般来说，相同油源和工艺的沥青，针入度较大者易于形成乳液， 而针入度的选择，应根据乳化沥青在道路工程中的用途决定。根据我国的气候特 点和生产沥青乳液的目的，基质沥青的针入度应选择在8 0 1 0 0 之间较好。 通过大量的试验后发现，粘结材料与沥青混凝土面层的粘结效果受沥青种类 的影响较大，使用与下面层相同沥青的效果明显优越于不同沥青。试验中沥青混 凝土下面层使用的是韩国s k 一9 0 # 沥青，其具体技术指标见表4 1 。同时它也很 易乳化，因此试验采用s k _ 9 0 # 重交沥青作为制备粘结层的基质沥青。 表4 - 1s ka h 一9 0 # 沥青基本技术指标 性能指标 单位 实测值规范要求试验方法 1 5 2 4 针入度2 5 0 0 1 m9 28 0 1 0 0 t0 6 0 4 3 0 1 5 3 p i1 6 81 8 + 1 ot0 6 0 4 软件点 4 64 3 t0 6 0 6 4 1 _ 6 7 瓦： 一7 3 6 密度( 1 5 ) g c m 3 1 0 3 2 实测记录 t0 6 0 3 5 c m 9 2 延度t0 6 0 5 1 5 c m 1 5 01 0 0 质量损失 o 0 4 o 8 t0 6 0 9 针入度比 7 6 15 4t0 6 0 4 r t f o t 1 5 延度 c m 1 8 2t0 6 0 5 软化点 4 9t0 6 0 6 4 1 2 改性剂 虽然s ka h 一9 0 # 沥青性能优良，但是仍然存在着易老化、温度热敏感性不 足之处，为了克服这些缺点，更好的发挥粘结层的作用，需要在粘结层中加入适 当的改性剂对其性能进行改善。 本文在考虑各种因素的基础上选用了三种改性剂。分别为两种高聚物改性剂 s b r 、e v a 以及种近年来研究广泛的无机硅藻土改性剂d e 。其具体技术性质见 表4 2 。 4 - 2 三种改性剂的技术性质 改性剂种类技术性质产地 型号 g s 一1 颜色状态白色粉末 粒度( 目) 1 4山东淄博 s b r 分子量( 万) 2 0 一3 0 结合苯乙烯( ) 2 1 5 3 5 门尼粘度地h + 4 4 8 6 6 型号 2 8 1 5 颜色状态 白色颗粒 v a 含量 2 8 熔融指数m i ( g 删3 ) 1 5 e v a 日本 密度( g c 聊3 ) o 9 5 极限伸长率 8 0 0 熔点 7 3 脆化温度 一6 0 1 产品呈粉红色粉末状，无毒、无味、无腐蚀。堆积密 d e云南昆明 度小，比表面积大，约为2 0 3 0 m 2 ，g 无团粒、不结块 2 吸附性好，能吸收沥青散发出来的酚、萘、葸、氰化物 等致癌的有毒气体，减轻了对人体健康的危害和环境污染 3 复合、偶联了多种硅酸盐功能材料。既有活性好、吸附 性强的非晶体s 0 2 ，还有活性好，有红外光阻隔作用和高 温抗蠕变、抗热震、耐腐蚀的硅酸盐 4 使用非常方便，即拌即用，将沥青加热到1 6 0 ，掺入 一定剂量的d e 改性剂，搅拌均匀即成d e 改性沥青 4 1 3 乳化剂 乳化剂是制备优质粘结层的重要材料。本文所制备的粘结层主要是在半刚性 基层顶面使用，因而粘结层必须满足慢裂快凝的要求。慢裂才能使得乳化沥青能 够充分渗透入半刚性基层并到达一定深度，而快凝是在乳化沥青破乳后能很快形 成一成均匀稳定的沥青膜并且迅速固化。如此才能在最快的时间内恢复交通。 目前市场上出售的一般类型乳化剂难以用来制备合格的粘结层。本文参考了 大量文献以及考虑到乳化剂自身特点及价格问题，确定采用阳离子乳化剂十六烷 基三甲基溴化铵( 1 6 3 1 ) 、十八烷基三甲基氯化铵( 1 8 3 1 ) 和非离子乳化剂o p - 1 5 进行复配来配制慢裂快凝型乳化沥青。经过大量的试验后发现，三种材料的比例 为1 ：2 ：2 时复配出的乳化剂制备的出乳液为慢裂型。此时对复配乳化剂性质进 行了简单的测试，结果见表4 3 。 表4 3 复合乳化剂性质 项目技术性质 离子性质 阳离子 外观淡黄色膏状物 p h 7 8 活性物含量( ) 9 8 4 1 4 助剂 试验发现，单一乳化剂制备出的粘结层效果并不好，故此在乳化过程中又 添加了一些助剂以加强乳化效果，同时改善制备的粘结层性质。加入助剂的种类 及其作用