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东南大学硕学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技太研究 摘要 分析了半刚性基层的物理力学特性，讨论了半刚性基层温度开裂与干缩开裂的影响 因素。根据路面结构的力学计算与分析，确定了下封层对路面结构受力状况的影响。此 外，根据反射裂缝产生的机理，讨论了下封层对裂缝反射的防治作用。结合以上分析， 提出了对于下封层的功能要求。 讨论了几种常用下封层材料与工艺的特点，分析认为乳化沥青下封层具有明显的技 术与经济合理性，因而值得推广。 做了一些尝试性的乳化沥青力学性能实验，确定了沥青材料和基层材料的最佳用量 和组合的选择。在下封层施工现场，做了一些现场实验，提出了下封层现场质量检测的 方法和指标。 最后，根据河南省路面结构内温度场分析、气候条件及交通荷载条件，提出了乳化 沥青下封层的技术指标与要求。并结合当地的材料与设备情况，总结了试验路的经验， 提出了切实可行的施工工艺。这一技术在河南省焦新高速公路中得到了实际应用，取得 了良好的使用效果，经济效益和社会效益十分明显。 关键词：乳化沥青下封层 半剐性基层技术指标 室内试验质量检测 施工工艺 东南大学硕士学位论文 半刚性基层乳化沥青下封层材料与掘工工艺技术研究 a b s t r a c t a n a l y z i n gs e m i r i g i d b a s em e c h a n i c s p e r f o r m a n c e d i s c u s s i n g i n f l u e n c e f a c t o ro fs e m i r i g i dt e m p e r a t u r ec r a c ka n ds h r i n k a g ec r a c k a c c o r d i n gt op a v e m e n t m e c h a n i c sc a l c u l a t i n ga n da n a l y s i s ，t h i sa r t i c l es h o w st h ei n f l u e n c eo fe n v e l o p e l a y e rt op a v e m e n ts t r u c t u r el a y e r f u r t h e r m o r ea c c o r d i n g t ot h e o r yo fr e f l e c t i o n c r a c k ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ef u n c t i o no fe n v e l o p el a y e rt h a tr e s i s t st h e r e f l e c t i o nc r a c k a b o v eo fa l l ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r df u n c t i o nr e q u i r e m e n t s o fe n v e l o p l a y e r t h ea r t i c l ed is c u s s e ss e v e r a lu s u a le n v e o pl a y e rm a t e r i a la n dt e c h n i q u e ， a n d a n a l y s e s a d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n d i t s e c o n o m y ，b e c a u s e o fa b o v e m e n t i o n e d t h et e c h n i q u es h o u l db ea p p li e dw i d e l y a f t e rm a k i n gan u m b e ro fs a m p l ee x p e r i m e n t so fe m u l s i f i e da s p h a l t ，t h eb e s t a m o u n to fa s p h a l ta n dm i xd e s i g nc a l lb ec o n f i r m e d o nt h es p o to fe n v e l o pl a y e r c o n s t r u c t i o n ，an u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d e ，m e t h o da n di n d xo fq u a l i t y c o n t r o la r ep u tf o r w a r d a t1 a s t a c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r eo fa n a l y s i s ，w e a t h e rc o n d i t i o n sa n dt r a f f i c l o a d ，t h ei n d e xa n dr e q u i r e m e n t so fe m u l s i l i e da s p h a l te n v e l o p1 a y e ra r ep u t f o r w a r d a c c o r d i n gt ol o c a lm a t e r i a la n de q u i p m e n t s ，t h ea r t i c l es u mu pt h e e x p e r i e n c ea n dp u tf o r w a r da c h i e v a b l ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e t h et e c h n i q u eh a s b e e na p p l i e dinj i a o x i ne x p r e s s w a yp r o j e c to fh e n a np r o v i n c ea n dh a ss h o w ng o o d a f f e c t i o n e c o n o m y a n ds o c i a lb e n e f i t k e y w o r d ：e m u l s i f i e d a s p h a l ts u b e n v e l o pl a y e rs e m i - r i g i d b a s ei n d e x e x p e r i m e n t si nt h el a bq u a l i t yc o n t r o l c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材科与施工工艺技术研究 第一章前言和概述 卜l 前言 我国的高等级道路多数采用沥青路面。近些年来，为了谋求更高的质量标准，在路 基、路面材料及其结构组成方面进行了许多优化和改进，并且为了使高速公路路面多层 组合体系具有良好的结构承载力和耐久性，提高抗水害侵袭能力，对于基层与面层之间 的层间处理技术也越来越重视。这就要求高等级道路作下封层处理。 另外，为保证汽车的优良性能得到充分发挥，确保汽车在全天候条件下安全、迅速、 舒适地运行，除了合理地进行道路平、纵、横组合设计，还需充分重视提高路面的承载 能力。由于以水泥、石灰、粉煤灰为稳定剂的基层路面日益增多，基层刚度明显提高， 使沥青路面结构发生了重大变革，刚柔结合的路面结构已成为路面结构发展的方向。我 国高等级公路经过十几年的建设，积累了丰富的经验，在路面结构方面形成了一种主流 模式一半刚性基层沥青路面。 但半刚性材料对温度和湿度变化比较敏感，在其强度形成过程中以及运营期恤j 会产 生干缩裂缝和低温收缩裂缝。在路面交通荷载重复作用下，半剐性基层的这种干缩裂缝 和收缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝。路面裂缝不仅影响美观，降低平整度， 而且会肖4 弱路面的整体平整度。特别是路面开裂后水分通过裂缝渗到路面基层、底基层 甚至土基，削弱基层、土基的强度，从而加剧路面的破坏，缩短路面的使用寿命。因此， 应该探讨反射裂缝的形成机理，并给予足够重视，采用优质的路面材料、合理的结构层 次、最优的路面厚度，采取切实有效的技术措施防止或延缓沥青路面开裂和反射裂缝的 产生，并对已发生的裂缝进行治理，使半刚性基层路面真砥体现“优面强基稳定土基” 的路面结构组合原则，使其在技术上更合理、经济上更有效、以适应我国公路事业迅速 发展的需要。为了符合上述要求，作下封层来增强层间粘结、加固基层、减少反射裂缝、 防止水损害是十分必要的。 而且在沥青路面施工及验收规范中明确规定：位于多雨地区且沥青面层空隙较 大，渗水严重时，应铺筑下封层；在铺筑基层后，不能及时铺筑沥青面层，且须开放交 通时，应铺筑下封层。 经验证明，这一薄薄的下封层对整个路基路面的使用寿命和服务质量起着非常重要 的作用。然而，由于下封层在路面结构中并不是一个承重层，加之它又被“深埋地下”， 因面往往被设计和施工人员所忽视。尽管设计规范中要求设置这一层，但对其材料性能 要求及施工工艺的研究十分欠缺，更无明确而实用的技术规范和操作指南，由此带来了材 料用量与旋工上的混乱和随意。下封层也因此而起不到应有的作用，致使路面产生了诸 多的早期病害，造成了巨大的经济损失。因此，对于下封层进行材料与施工工艺的研究， 无论对于规范修订还是生产实践都具有现实意义，为生产所急需，该研究成果可望直接 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 转化为生产力，创造可观的经济效益。 1 - 2 半刚性基层概述 一、半刚性基层的强度形成机理 半刚性基层材料的性能决定了半刚性基层的特点。用水泥、石灰、粉煤灰等无机结 合料或处治碎( 砾) 石以及各种水硬性材料结合的工业废渣修筑的基层叫半刚性基层。 通常包括石灰土、石灰粉煤灰( 简称二灰) 、水泥土等细颗粒组成的材料以及石灰土、石 灰粉煤扶、水泥等结合料组成的材料。我国大部分高等级道路路面结构中普遍采用半刚 性基层，使用这种半刚性基层的目的是增强基层的承载能力，减薄沥青面的厚度，降低 工程造价。 ( 一) 水泥稳定土 水泥的主要成分有： 硅酸三钙3 c a o s i o 。：它在水泥中的含量最高( 约占4 0 左右) ，是决定强度的主要 因素。 硅酸二钙2 c a o s i o 。：它在水泥中的含量约占3 5 左右，主要产生后期强度。 铝酸三钙3 c a o a 1 。0 “它在水泥中的含量约占6 ，它水化速度最快，促进早凝。 铁铝酸四钙4 c a o a 1 。0 。f e 。0 “它在水泥中的含量约占1 0 ，促进早期强度。 硫酸钙c a s o ，：它在水泥中的含量只占4 。 水泥加水拌和后，开始时是具有一定的流动性和塑性的浆体，以后逐渐变稠失去可 塑性，但尚不具有机械强度。这个过程称为水泥的凝结。随后产生明显的强度并逐渐发 展而成为坚硬的石状物水泥石。这一过程称为水泥的硬化。凝结和硬化是一个连续 而复杂的物理化学过程。 水泥加入土中并加水拌和后，水泥中的各个成分与土中的水发生强烈的水解和水化 反应，同时从溶解中分离出氢氧化钙，并形成其他水化物，其各自的反应过程如下： 2 ( 3 c a o s i o ：) + 6 h 。o 一3 c a o 2 s i o 。3 h 。o + 3 c a ( o h ) ： 2 ( 2 c a o s i o 。) + 4 0 0 3 c a o 2 s i0 2 3 h 。o + c a ( o h ) ， 3 c a o a 11 0 ：+ 6 h ! o 一3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 4 c a o a 1 二0 ，f e ，o ，* 2 c a ( o h ) 2 + l o h 2 0 - - 3 c a o a 12 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o f e m 0 6 h ：0 3 c a s o ，+ 3 c a o a l ：0 。+ 3 2 h ；o 一3 c a o a 12 0 。3 c a s o 3 2 h 2 0 上述水泥与水反应所生成的各种水化物可继续硬化，在土中形成水泥石骨架。所生 成的c a ( o h ) 。积极的与土发生各种反应，水泥的水化物需在强碱介质中才能硬化，当水 泥稳定含粉粒和粘粒较多和塑性指数较大的粘土时，c a ( 0 h ) 。首先与粉粒和粘粒作用致使 碱性介质不能顺利形成，从而防止水泥水化物的正常硬化( 在这种情况下，添加部分石 灰或用部分石灰代替部分水泥，可以明显增加水泥土的强度) 。 由上述可以看到，将水加入水泥后，主要的水化产物是碱性的硅酸钙、铝酸钙和消 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 石灰。前两种产物是主要的胶结成分，而石灰则沉淀成为分离的透明的固体。铝酸钙在 水泥中虽然只占4 ，但它与铝酸三钙一起与水反应生成水泥杆菌。水泥杆菌最初以针状 结晶的形式在比较短的时间里析出，反应结果把土中大量的自由水以结晶水的形式固定 下来。将水泥加在粒料土中时，胶结很像混凝土中的现象，只是水泥并没有填满土颗粒 间的空隙。换句话说，胶结作用主要是靠硅酸钙和铝酸钙与矿质颗粒表面的结合。 ( 二) 石灰稳定土 石灰是由石灰石、白云石、方解石等原材料煅烧而得的。我国沿海地区还常用贝壳 和珊瑚烧制石灰。生石灰遇水就开始消解，同时放出大量的熟。 c a o + h 2 0 - - c a ( o h ) 2 + 6 4 0 5 8 j c a o + m g o + 2 h 2 0 c a ( o h ) ：+ m g ( o h ) 一热量 此后，氢氧化钙再硬化，其硬化反应为： c a ( o h ) 。十h ：c o 。一c a c o 。+ 2 h ：0 ( 碳酸由空气中所含二氧化碳和游离水所产生的) 将消石灰加到土中或将生石灰粉加到土中并加水拌和后，土的性质和结构很快开始 变化。丌始是絮凝和絮聚，随后粘土颗粒就形成粗粉粒状的较大颗粒，总之，根据化学 分析微观结构分析通常认为，石灰加入土中后，发生系列的化学反应和物理化学反应， 主要是离子交换反应，c a ( o h ) ：的结晶反应和碳酸化学反应以及火山灰反应。这些反应的 结果是使粘土颗粒絮凝，生成晶体氢氧化钙、碳酸钙等和含水硅铝酸钙等胶结物。这些 胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度和水稳定性 提高。 ( 三) 石灰粉煤灰稳定土 用于制备二灰集料的石灰可以是一级石灰至三级石灰，也可以是等外石灰或石灰副 产品。石灰中的氧化钙和氧化镁的含量对二灰类材料的强度有明显的影响，如果有效含 钙量小于2 0 时，二灰的强度会明显降低。 粉煤狄具有活性，也称粉煤灰火山灰活性。所谓火山灰活性原指火山扶、凝结岩、 浮石等天然火山扶物质所具有的与石灰或水泥发生反应的性能。粉煤灰本身并不具有水 硬性，与水拌和后也不能产生明显的强度。粉煤灰与石灰( 或水泥或石灰和石膏的混合 物) 混合后，再加以水，则能与氢氧化钙等发生反应。反应后生成各种水化物与水泥水 化时所产生的水化物基本相同。 二、半刚性基层材料的特性 ( 一) 热胀特性 半刚性基层材料的宏观热胀性是其固、液、气三相热学性质相互作用综合效应的外 观表现。原材料除粉土矿物外，一般具有较小的胀缩系数，而新生胶结物则具有较大的 热胀系数。各种形式的水通过扩张作用、毛细管压力作用和冰冻作用，对冻胀作用产生 相当大的影响。含水量接近最佳含水量时，半刚性基层材料的温度收缩系数呈现最大值。 ( 二) 干缩特性 半刚性基层材料的干燥收缩主要是通过毛细管张力作用，吸附水分子问力作用、层 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材科与括i i 艺技术研究 间水作用和硫化作用4 个过程而引起整体宏观体积的收缩。半刚性基层材料处于相对湿 度和温度不断变化的环境，而相对温度又与湿度成反比。因此，半刚性基层的收缩与干 燥收缩一般同时发生，而且会产生相反效应。处于平衡含水量状态的半刚基层材料，随 着内部温度的进一步降低，含水量会有所上升。所以其胀缩率是温度相互作用的综合效 应。半刚性基层一般在高温季节建成，成型初期内部含水量大，且未被沥青面层封闭。 此时基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存 在昼夜温差。所以，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和由昼夜温差引起的温度 胀缩，疲劳作用的综合效应，这个阶段是以干燥收缩为主，温度收缩为辅的综合过程。 经过一定龄期的养生，半刚性基层铺筑面层后，由于基层内相对湿度增大，使材料的含 水量有所回升且趋于平衡这个时期半刚基层的收缩主要是温度收缩。对于含土较多的 材料以干缩为主，对于含集料较多的材料以温缩为主。 ( 三) 疲劳特性 半刚性基层材料模量随龄期的增长而不断增长，这种基层早期具有柔性路面的力学 特性。当环境适宜时，其强度和刚度都会随时间的增长而增强，但最终抗弯拉强度和弹 性模量还是远小于刚性基层。半刚性基层材料的强度不仅与材料品种有关，而且与试验 及养生条件有关。水泥稳定材料的强度主要受级配组成、粉粒含量、粘粒含量、水泥剂 量的影响；石灰粉煤灰稳定材料主要受土的类型、塑性指数、粒料及配合比影响。半刚 性基层结构与柔性路面相比，具有强度高、稳定性好、刚度大、整体好等优点。其不足 之处是脆性大、抗变形能力差。当在半刚性基层上铺筑较薄沥青面层时，由于沥青对温 度的敏感性，以及在疲劳荷载作用下，半刚性基层裂缝便反射到面层上形成反射裂缝。 三、半刚性基层的反射裂缝 在行车荷载的反复作用和自然因素的不断影响下，沥青路面会逐渐出现损坏，使其 使用性能逐步恶化。由于荷载、环境、材料组成、结构层组合、施工和养护等条件的变 异，沥青路面的损坏的形态是多种多样的。从表象看，有各式各样的裂缝，如横向裂缝、 纵向裂缝、块状裂缝和网状裂缝( 龟裂) 等；也有各种类型的变形，如沉陷、车辙、搓 板、推移拥起等；表层有时可能还有各种露骨、松散、剥落、坑槽和泛油的现象出现。 这些损坏现象有时单独出现，有时则集中同时出现，显得错综复杂。然而，如果透过表 象进一步分析造成这些损坏的原因，便可发现其中存在着一定的规律性。各种损坏现象 的产生，都是行车和自然因素同路面作用的结果，随着路面工作特性和外界因素隐现程 度的不同而变化。 反射裂缝是指下层裂缝促成面层由底到顶产生的裂缝。对应裂缝则是指由下层裂缝 促成面层由顶到底产生的裂缝。导致反射裂缝的原因是基层的垂直位移和水平位移。垂 直位移是由行车荷载引起的下卧路面结构在裂缝处的差动位移，水平位移是由温度变化 或水分变化引起的膨胀或收缩所引起。单纯的荷载型反射裂缝需要相当数量的荷载反复 作用次数。荷载的反复作用次数的多少取决于沥青面层的厚度、面层结构型式和所用沥 青的性质。半刚性基层材料的裂缝主要产生于温度收缩、干缩裂缝和疲劳荷载作用。 东南大学硕士学位论文 半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 第二章下封层的概念、作用与类型 2 1 下封层的概念 在半刚性基层顶面及下面层底面之间铺设的具有防水、粘结等作用的沥青薄膜层就 称为下封层。通常所说的下封层一般包括透层和封层。透层是指为使沥青层与无沥青材 料的基层结合良好，在基层上浇洒的液体沥青层；封层是指为封闭表面空隙，防止水分 侵入基层，在基层上铺的沥青封面。 透层材料应满足如下性能要求”“： ( 1 ) 渗透性：洒布到基层表面不形成油膜的情况下要能透入基层4 m m 以上； ( 2 ) 干燥性：能很快挥发干燥，且透入的沥青要保持足够的残留沥青； ( 3 ) 耐久性：挥发后的残留沥青要有一定的抗老化能力，保证耐久性； ( 4 ) 环保性：不能有毒害性，以免造成对人体及环境的危害。 封层材料应满足如下性能要求： ( 1 ) 粘附性：保证与基层表面及的良好粘结，防止脱皮： ( 2 ) 柔韧性：保证温度应力及荷载应力下的伸缩不至于产生断裂； ( 3 ) 渗透性：渗入半刚性基层起加固及粘结作用； ( 4 ) 成膜性：应形成均匀薄膜，确保防水及粘附效果： ( 5 ) 工作性：确保良好的贮运特性，施工便利。 2 2 下封层的作用 在半刚性基层上铺设下封层可以起到粘结、防水、养生、封缝、应力吸收( s a m i ) 等作用。 一、粘结 除了上述作用外，下封层还可以起到粘结的作用，面层与基层间的良好结合，对于 沥青面层的使用质量是非常重要的。与结合不良的情况比较，它可以减少面层底层由行 车荷载引起的拉应力和拉应变( 一般情况下可减少5 0 以上，有时甚至可以减少到i 4 ) 。 它还可以明显减少温度变化引起的沥青面层内的拉力和拉应变。基层与面层结合良好， 可以使薄沥青面层不产生滑动、推移等破坏。因为像推移、拥包、搓板类破坏是由于沥 青路面在水平荷载作用下抗剪强度不足引起的。 二、防水 东南大学硕士学位论文 半两性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 首先下封层可以起到防水的作用。水是路面的杀手，如果没有水的侵害，路面的 使用性能会好得多。水滞留在沥青面层内，能使沥青从集料表面剥落，降低沥青混合料 的强度和模量，从而产生严重的辙槽、推移、甚至松散等早期破坏。 如果水通过沥青面层滞留在半刚性基层顶面，就会使基层局部潮湿甚至接近饱和。 从沥青面层的裂缝进入的自由水，往往使裂缝附近的基层材料过分潮湿，特别是面层裂 缝下无机结合料稳定基层也开裂的情况。基层裂缝中往往充满自由水。在行车荷载作用 下，路面结构层内或基层材料中的自由水会产生相当大的水压力。这种有压力的水冲刷 基层材料中的细料。一次冲刷的量是很小的，但行车荷载反复冲刷多次，就会积少成多， 在裂缝中形成细料浆。在行车反复作用下，细料浆被逐渐压挤出裂缝，形成沥青面层上 裂缝处的现象。使沥青面层局部网裂和产生低洼变形，甚至逐渐形成坑洞，自由水一旦 侵入土基，会使土基强度和路面整体承载力显著下降，甚至导致结构性破坏。 行车荷载在路面结构层内引起的水压力如此之大，它不但可以冲刷级配集料中的细 集料，而且可以冲刷石狄稳定基层材料中的细料。虽然水泥稳定基层材料的7 d 龄期无侧 限抗压强度超过2 l p a ，只要原材料中含有较多的细料( 特别是小于0 0 7 5 r a m 的颗粒) ，仍 然会产生冲刷现象。 半刚性基层沥青路面的唧浆现象，不单在南方多雨地区发生，在较干旱的北方地区 也时有发生。这是出于冻前雨水以及冻期雪水从沥青面层渗入，是裂缝两侧的材料过分 潮湿。冬季路面上层发生反复冻融现象，路面下侧则始终冻结。春天化冻期间，路面上 层首先融解，而下层仍是冻结。基层裂缝附近材料中的过多自由水不能下渗。行车荷载 反复作用导致基层石灰土被冲刷并发生唧浆现象。一旦灰浆被唧出，沥青面层就会沿裂 缝产生下陷现象，同时裂缝两侧引起新裂缝产生。 可见，在半刚性基层上做下封层是非常必要的，它可以在很大程度上阻止水从面层 裂缝深入基层而导致基层的破坏。 三、隔温防基层冻害 在冰冻地区，特别是在重冰冻地区，如果在收缩性大的石灰土或水泥土基层上铺筑 有较厚沥青面层或在较厚面层与基层之间设爱下封层，则对半刚性基层有很好的隔温保 护作用，可以明显降低半刚性基层顶面所受的负温度的绝对值，也可以明显减少半刚性 基层顶面遭受的温度变化率，从而减少甚至避免半刚性基层产生温缩裂缝的可能性。 此外，如果由于工期原因在半刚性基层上未铺沥青层而要越冬，则在半刚性基层表 面铺设下封层对于防止基层冻害是十分有效果的因为下封层不仅具有隔温效果，更为 重要的是，它能有效地隔离雨雪对基层的冰冻作用，保护基层安全越冬。如在我国东北 某路，未铺下封层的半刚性基层过冬后冻损近i o c m 深，而下封层施作良好的半刚性基层 却完好无损。 四、养生 新铺半刚性基层随着混合料中水分的减少要产生干缩应变和干缩应力。水分减少得 越多越快，产生的干缩应力越大。水分减少得慢，干缩应变缓慢产生，干缩应力逐渐增 东南大学硕士学位论文 半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 长。由于材料的应力松弛性质和材料强度随龄期增长，材料的抗应变能力增强。实验证 明干缩能够在暴露的水泥稳定土基层表面产生很大的应力，其值达到1 3 1 x i o o k p a 。干 缩应力在施工后的头几天就达到最大值，随后就降低。用1 0 水泥稳定粉质粘土，在变 干的初期阶段( 8 0 5 0 0 h ，随稳定土表面的覆盖而变) ，千缩应力达到最大值。见图2 1 ： 罡 = - r 甾 时坷( h ) 图2 - 1 袭面收缩拉应力随时l 可的变化( 板厚2 0 c m ) 此图表明，在用沥青封层养生盼隋况下，应力减少8 5 ，达到最大应力的时间延长 到5 0 0 h 。因此，合适的养生能减小干缩应力和减少裂缝。无合适养生的半刚性基层，特 别是干缩性大的稳定细粒土基层，在压实完成后的头几天就会产生很大的干缩应力。而 此时混合料的抗拉强度还不大，因此，很容易产生干缩裂缝。 因此作了下封层之后，可以起到很好的养生作用。 五、封缝 另外，半刚性基层的干缩裂缝可能在铺筑沥青面层前已部分产生，在干燥的季节， 特别是在干旱地区可能在铺筑沥青面层后陆续产生。在半刚性基层上铺筑沥青面层后， 半刚性基层中的水份还进一步减少，直到平衡含水量，同时产生收缩( 除非在铺筑面层 前，半刚性基层材料的含水量已接近平衡含水量或已经完成千缩) 。 在这种情况下，作沥青下封层可以起到封缝的作用，靠沥青填塞裂缝。 六、应力吸收层( s a m i ) 在7 0 年代，应变消减中间层广泛用于试验路，以减少或预防反射裂缝，用中间层 可以使沥青面层变薄，同时延缓或消灭路面使用期间的反射裂缝。 应变消减( 应力吸收) 中间层，常用英文缩写s a m i 表示，s a m i 的作用是：( 1 ) 减 少路面与基层相对运动的传递：( 2 ) 明显减少了路基裂隙造成的应力，从而减少反射裂 缝，就减轻反射裂缝的能力而言，5 0 r a m 上覆层+ 2 5 m m s h m i 相当于1 9 0 r a m 上覆层：( 3 ) 阻止表面水透入路面结构层和土基，从而消除路面破坏的主要因素；( 4 ) 路面与基层之 间的结合可以明显提高，从而消除或减轻层间的滑移的危险。下封层同样可以起到s a m i 的作用。 7 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与括t t 艺技术研究 七、基层加固 下封层的沥青能部分渗入到半刚性基层的缝隙中，对半刚性基层表面起加固作用， 防止石料松散，保持半刚性基层的完整性，也因此而提高了其抗水损害能力。此外，渗 入到半刚性基层缝隙中的沥青对于提高层间的粘结作用也是有帮助的，这也是要求渗透 的原因所在。 2 - 3 下封层的类型与特性 一、稀释沥青下封层 稀释沥青是以煤油稀释沥青的液体材料，因其细度为分子量级，在粘度适当的情况 下，无论是水泥稳定碎石还是二灰稳定碎石，都可以在其表面实现理想的渗透。但粘度 不可太低如果粘度过低即使渗透深度大也不能达到最佳效果。稀释沥青需要大量的油 质溶剂，而汽油、煤油、柴油等都是宝贵的资源；稀释沥青铺到路上后要让这些溶剂挥 发掉才能成型，这会污染环境，遇雨还会污染周围水源，鱼塘及农田。残留的油分会降到 沥青的粘结能力，渗入基层表面的沥青也含有大量的油分，对基层并没有明显的粘结与 加固作用，此外稀释沥青因易燃而不安全。在高速公路施工中已很少使用稀释沥青作下 封层，有时仅作为透层油在低等级公路中使用。 二、热沥青表处 ( 一) 层铺法热沥青表面处治 加热沥青至1 5 0 。c 1 7 0 。c 后，用机械喷洒至半刚性基层表面，然后均匀撒布$ 1 4 集料，沥青与集料用量分别按最大量1 2 0 0 k g k m 2 、9 m 3 k m 2 控制。按此方案施工，受环境 制约明显，沥青喷洒温度要求高，沥青与集料用量难以准确控制，因而难以形成平整均 匀的沥青混合料薄层。 ( 二) 拌和法热沥青表面处治 在半刚性基层上铺设一层厚度为卜2 c m 的沥青热表处( 沥青同矿料热拌和而成的沥 青混合料) ，可起到下封层的作用，并能较好地起到防止反射裂缝的效果。但由于厚度 太薄，需拌料摊铺及在一定温度之上碾压，对施工条件及设备要求较高，施工难度大， 对半刚性基层养生的效果差，因此，难以大规模推广。 三、热喷改性沥青下封层 ( 一) 热喷改性沥青下封层简介 热喷改性沥青下封层的主体是改性沥青，因此，改性沥青的性能对下封层的使用质 量起着决定性的作用。改性沥青是指在沥青中添加一定的改性剂，使其性能发生改变， 以提高路用性能。有的改性剂能提高其高温稳定性。有的则使其低温抗裂性大为改善， 而有的则明显提高其粘附性。但是，在我国许多地区，既有高温病害，又有低温病害兼 有水损坏等，这就需要能全面而不是单方面改善沥青路用性能的改性剂或复合改性剂。 东南大学硕士学位论文半尉性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 但是从经济和技术方面考虑，s b s 改性沥青能全方面的改善沥青的路用性能而被普遍认 为最适合我国的气候条件路面结构的特点。 s b s 改性沥青的有利性能归功于s b s 在沥青介质中发生一系列物理变化。当几个苯 乙烯分子靠范德华力吸引在一起时，便形成聚苯乙烯“节点”中间由类似弹簧的聚丁二 烯链接而形成三维网状结构。 加热后热能将克服范德华力而打断聚丁二烯网链，使得改性剂充分溶解于沥青中， 从而确保改性沥青在运输、拌和及压实时不会因为粘度太高而影响操作和易性；而冷却 后网状结构将重新形成，这使得改性沥青的实际应用与操作同普通沥青十分相似。s b s 在沥青中形成的这种三维网状结构使得沥青的高温粘度和低温柔性得到了全面改善，从 而扩展了沥青的温度适应范围。这一流变特性在沥青试验数据b t d c 上有很好的体现。 如图2 2 所示： 错 1 0 0 c ) 也能正常工作。 乳化沥青下封层比其它类型下封层更具优越性。由于不需要加热，这就大大改善了 操作人员施工环境、劳动强度高的问题。在倡导节省能源、节约资源、保护环境、减少 污染的今天，乳化沥青的应用将会更加广泛。因此本论文将重点讨论乳化沥青下封层方 面的内容。 1 6 东南大学硕士学位论文 半刚性基层乳化沥青下封层材料与拖工工艺技术研究 第三章乳化沥青下封层的材料组成与性能 3 - i 乳化沥青 所谓乳化沥青，就是将沥青热融，经过机械的作用，沥青以细小的微滴状态分散于 含有乳化剂的水溶液中，形成水包油状的沥青液。这种乳状液在常温下呈液态。乳化沥 青主要由三种物质组成：沥青、水、乳化剂。除了具有符合要求的这三种原料外，在生 产过程中，良好的乳化设备、乳化温度及添加剂，以及有经验的操作工都是必不可少的 条件。 一、沥青： 沥青是乳化沥青的原料，也是用于筑路等方面的最终胶结料。生产乳化沥青用的沥 青，除了满足最终的应用要求外，还必须满足乳化要求。随着交通量的不断增长，改性 沥青用于乳化的需求也随之出现。由于改性沥青的粘度大幅度增大，且改性剂大部分是 高分子聚合物，其乳化难度大，因此在选择改性剂时应充分试考虑这些因素。 二、水 水是沥青分散的介质，并不是沥青乳液的重要成分。但水的硬度及离子性对乳化沥 青生产有较大的影响，有有利的一面，也有不利的一面。镁离子和钙离子的存在对生产 阳离子乳化沥青来说是有利的。如有时为制备更稳定的乳液，在生产过程中加氯化钙作 为稳定剂。生产阴离子的乳化沥青时，镁、钙离子的存在又成为不利的因素。这是因为 阴离子乳化剂大都是以可溶性的钠或钾盐的形式存在，当有大量的镁、钙离子存在时会 形成不溶于水的物质，从而影响乳化效果，甚至会导致乳化失败。碳酸粒子、碳酸氢离 子的存在对于形成稳定的阳离子类乳化剂是不利的。这是因为这些离子常常作为阳离子 类乳化剂所常用的水溶性氨基酸盐进行反应，生成不溶性盐。但对于阴离子类乳液，碳 酸离子、碳酸氢离子具有缓冲作用，是有利的。此外，水中存在粒状物质时，一般带负 电荷的物质居多，由于阳离子乳化剂的吸附，所以对阳离子类乳液的生产是不利的，因 此，根据乳化沥青的离子类型，选择符合要求的水质对沥青的乳化起到很好的作用。 三、乳化剂 乳化剂在乳化沥青中占的比例较小，但其对乳化沥青的生产、贮存及施工均有较大 的影响，所以，根据生产乳液的用途、乳化效果来精心选择乳化剂是非常重要的。 四、乳化温度的控制 生产乳化沥青要求将沥青加热到流动性很好的状态。温度一般在l i o 一1 5 0 。c 之间， 沥青标号高时温度较低，标号低时较高。由于乳化混合时沥青加热，使乳化剂水沸腾、 发泡，造成乳化不良。为防止这种现象发生，根据下式计算出沥青和乳化液的温度。 1 7 东南大学硕士学位论文半蹦性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 a c ( t i - t ) 6 0 3 0 0 1 f i l m1 1 5 3 针入度指数p i + o 3 1 - 0 6 延度( 5 5 c m m i n )3 5 3 0 软化点t h 。6 4 5 5 5 运动粘度( 1 3 5 )p a s 2 3 0 溶解度 9 9 9 9 分离软化点著 1 0 6 5 t p o t 质量损火 0 5 3 6 0 后残留物 延度( 5 c ) c m2 2 2 0 表3 - 4改性乳化沥青( s s ) 性能指标 检测项目单位试验结果改性乳化沥青参考标准技术要求 筛上剩余量 0 2 0 8 5 残余物弹性恢复( 2 5 ) 4 3 2 5 残余物溶解度( 二氯乙烯) 9 9 9 9 储存稳定性试验( 1 天) 2 3 表3 - 5乳化沥青( p s ) 性能指标 检测项目检测方法单位结果技术标准 沥青含量( 蒸馏法)a s t md 2 4 4 6 0 6 0 破乳指数 t 一6 6 0 1 7 慢慢 筛上剩余最( 6 3 0um )a s t md 2 4 4 0 0 1 4 8 0 残留物延度( 2 5 )a s t m0 1 1 3 8 0 8 0 性能 溶解度 ( 三氯乙烯) a s t m0 2 0 4 29 9 5 9 9 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 表3 - 6乳化沥青( t c ) 性能指标 检测项目检测方法单位结果 技术标准 沥青含量( 蒸馏法) a s t md 2 4 4 5 95 5 破乳指数t - 6 6 0 1 7快快 筛上剩余量( 6 3 0 um )a s t md 2 4 40 0 1 5 6 0 残留物延度( 2 5 )a s t md l l 3 c m8 6 0 1 8 0 性能溶解度 a s t md 2 0 4 29 9 5 9 9 ( 三氯乙烯) 4 、抗剪试件制作 ( 1 ) 对于以水泥混凝土为基底的试件，在水泥混凝土表面涂刷乳化沥青或改性乳化 沥青，待乳化沥青破乳并且其中的软化剂挥发后，涂刷改性沥青层室内静置2 4 小时，备 用。将涂刷粘结层后的基底放入温度为1 5 0 1 的马歇尔试模中，将厂拌冷却后的沥青 混合料加热到1 5 0 1 后放入马歇尔试模中，通过马歇尔击实仪进行5 0 次击实，冷却 后脱模，击实后沥青混合料高度为3 2 o m m 1 o m m ，室内静置2 4 小时，备用。 ( 2 ) 对于石灰粉煤灰稳定碎石和水泥稳定碎石为基底的试件，涂刷粘结层的方法同 以水泥混凝土为基底的试件一样。由于石灰粉煤灰稳定碎石和水泥稳定碎石的强度比水 泥混凝土低，不能用在基底上放入沥青混合料进行击实的方法成型，所以将厂拌冷却后 的沥青混合料加热到1 5 0 1 后放入马歇尔试模中，通过马歇尔击实仪进行5 0 次击实， 冷却后脱模，制成沥青混合料试件，其高度为3 2 o m m 1 o m m ，室内静置2 4 小时，备用。 粘结时将沥青混合料试件表面用喷灯加热至1 0 0 ，静压5 k g 1 小时。 试件制各及粘结材料用量情况见表5 7 表3 7试仲制备一览表 序 基底层材料 底油种类 剪切时 号及用量 粘层油种类及用量粘结形式 试件 t c 乳化沥青c a r i d i t 改性沥青 1 击实 6 0 0 0 ，0 4 ( l m 2 ) nn n 1rf k 口m 2 、 2 c a r i d i t 改性沥青 击实 6 0 水泥混凝_ 十 n4 1 r k 口m 2 ) s s 乳化沥青 3无 击实 6 0 0 8 1 2 ，1 6 ，2 0 ( l m 2 ) t c 乳化沥青 4 击实3 0 0 3 4 ，0 6 7 ，1 0 0 ，i 3 3 ，1 6 7 水泥稳定t c 乳化沥青c a r i d i t 改性沥青静压5 k g 53 0 碎石0 0 ，0 4 ( l m 2 ) nn n 1 rfk 口m 2 、 1 小时 “灰粉煤灰t c 乳化沥青c a r i d i t 改性沥青 静压5 k g ， 3 0 6 稳定碎“0 4 ( l m 2 ) n 16f k 口m 2 ) 1 小时 5 0 东南大学硕士学位论文 半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 ( 三) 抗剪强度试验 l 、抗剪卡具参照土工剪切试验的剪切盒制成的有导向边的半圆型上、下卡具，为了 保证剪切的效果，上、下卡具与压力机采用刚性连接。抗剪卡具如下图3 1 所示。 下 压 头 l 沥 l 基日 混 a 底嗣 料 上 压 头 图3 - 1 抗剪试验夹具示意图 2 、抗剪试件放在预定剪切温度的烘箱中加热4 小时以上，将加热后的试件放在抗剪 卡具中以2 m m m i n 的速率剪切，记录其抗剪最大荷载值，并计算其抗剪强度。( 见附照片 十三) ( 1 ) 以水泥混凝土为基底，用乳化沥青( t c ) 作底油，用c a r i d i t 改性沥青作粘结 层通过击实成型，剪切温度6 0 = ( 2 时的试验结果： 表3 - 8 乳化沥青( t c ) ( l m 2 ) 0 00 40 40 40 40 40 40 404o 4 c ar i d j t 改性 沥青( k g m 2 ) 0 00 o0 20406o 81 0121416 沥青总用量 ( k g m 2 ) 0 002 40 4 40 6 40 8 41 0 41 2 41 4 41 6 41 8 4 剪切力 o 0 10 0 7o 1 4o 1 60 0 80 1 0o 1 10 2 10 1 10 1 2 ( k n ) 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 o 2 0 1 5 委 毒叭 撂 0 - 0 5 0 图3 - 2 沥青用量与剪力关系 00 20 40 60 811 21 41 6i 82 沥青用量k g m a ( 2 ) 以水泥混凝土为基底，用c a r i d i t 改性沥青作粘结层通过击实成型，剪切温度6 0 。c 时的试验结果： 表3 - 9 c a r i d i te l f i n 青( k g m 2 )o6o81 012 剪切力( k n ) o 3 2o0 5o 2 400 4 委0 - 4 器 蝠 o 图3 - 3沥青用量与抗剪力关系 0 50 7o 91 1 1 3 沥青用量kg m 2 ( 3 ) 以水泥混凝土为基底，用s s 乳化改性沥青作粘结层通过击实成型，剪切温度 6 0 。c 时的试验结果： 表3 1 0 s s 乳化改性沥青( 纯沥青用量) ( k g m 2 ) 0 4 8o 7 20 9 61 2 0 剪切力( k n ) o 1 60 1 8o 2 20 3 0 互0 4 器川 蟋 0 图3 4沥青用量与抗剪力关系 沥青用量kg 2 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施m y _ z , 技术研究 ( 4 ) 以水泥混凝土为基底，用p s 乳化沥青作粘结层通过击实成型，剪切温度3 0 。c 时的试验结果： 表3 - 1 1 lp s 乳化沥青( 纯沥青用量) ( k g m 2 ) o 20 61 0 剪切力( k n ) 0 8 4o 6 20 9 4 毛 1 杂o s 蟮o 6 图3 5沥青用量与抗剪力关系 o oo 20 40 60 81 01 2 沥青用量k g 1 1 1 ( 5 ) 以水泥稳定碎石为基底，用t c 乳化沥青作底油，用c a r i d i t 改性沥青作粘结层 通过质量5 k g 静压1 小时3 0 。c 时的试验结果： 表3 - 1 2 t c 乳化沥青( l m 2 ) o 4o 4040 4o4o40 40 4 c a r i d i t 改性沥青 o 20 40 6o 81 01 2l ，41 6 ( k g m 2 ) 沥青总用量( k g m 2 ) 0 4 406 408 41 0 41 2 414 41 6 41 8 4 剪切力( k n )0 3 5 0 2 30 1 4o 1 8o 1 0o 0 8垛o 0 8 注：由于抗剪力o 2 6 的偏差与其他数据相比偏差较大，故删去。 图3 6 沥青用量与抗剪力关系 20 40 608101 21 41 61 820 沥青用量kg m 2 ( 6 ) 以石灰粉煤灰稳定碎石为基底，用t c 乳化沥青作底油，用c a r i d i t 改性沥青作 粘结层通过质量5 k g 静压l 小时3 0 。c 的试验结果： l o 0 o 0 至r 蜜蜒 东南大学硕士学位论文半刚性基层乳化沥青下封层材料与施工工艺技术研究 表3 1 3 t c 乳化沥青( l m 2 ) 0 ，4o 4o4o40 4o4 o4o4 c a r i d i t 改性沥青 o2o 4o 6o 81 o1 214l6 ( k g m 2 ) 沥青总用量( k g m 2 ) o 4 40 6 40 8 410 412 41 4 41 6 418 4 剪切力( k n )懈 o 1 3o 1 1o0 900 9o0 60