沥青碎石封层层间抗剪性能的影响因素研究

李小华

(常德市交通建设监理咨询有限公司，湖南 常德 415000)

0 前言

在交通荷载和外界环境的长期作用下，沥青路面易出现老化，使路面韧性变差，变形能力降低，因此容易引发开裂［1］。研究表明，使用碎石封层对沥青路面进行修复能明显提高沥青路面的防水能力、减缓沥青老化速度，还能提高路面的粗糙度和抗滑能力，提高了行车安全［2，3］。然而，在具体使用时，碎石封层的使用性能较差，容易出现泛油、集料松散和脱皮等病害，而这些病害与碎石封层层间粘结性能的好坏密切相关［4～7］。而影响碎石封层层间粘结性能的因素多种多样，因此研究各因素对碎石封层层间粘结性能的影响具有重要意义。基于此，本文通过试验，研究沥青洒布量、碎石用量和温度等因素对橡胶沥青碎石封层和SBS 改性沥青碎石封层层间抗剪强度的影响，为促进碎石封层的进一步应用提供理论参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

橡胶沥青是在AS70#基质沥青中掺入一定比例的橡胶粉制得，橡胶粉细度为400 目，基质沥青技术指标如表1所示;SBS 改性沥青选用北京某公司生产的线型SBS 改性沥青，主要技术指标如表2所示;碎石选用9.5～13.2 mm 的玄武岩碎石，各项技术指标均能满足规范要求。

表1 基质沥青的主要技术指标

表2 SBS 改性沥青的主要技术指标

1.2 直接剪切试验方法

制作尺寸为300 mm×300 mm ×50 mm 的水泥混凝土板，成型30 min 后在其表面进行拉毛处理，并在标准养护室养护7 d 后，将水泥混凝土板放入300 mm ×300 mm ×100 mm 的试模内，在其表面铺设碎石封层，最后在封层上成型AC－13 沥青混合料，成型12 h 后将试件取出，并钻芯取样。最后采用多功能材料剪切仪测定不同情况下的层间抗剪强度。

2 试验结果及分析

2.1 碎石和沥青洒布量对抗剪强度的影响

测定不同沥青洒布量和不同碎石用量时，橡胶沥青碎石封层和SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度，研究沥青洒布量和碎石用量对两种碎石封层层间抗剪性能的影响，试验结果如图1所示。

图1 碎石和沥青用量对碎石封层层间抗剪强度的影响

从图1可以看出，随着沥青洒布量的增多，两种沥青碎石封层的层间抗剪强度都出现增大后减小的变化趋势，当橡胶沥青洒布量为1.9 kg/m2时，橡胶沥青碎石封层层间抗剪强度达到最大值，当SBS 改性沥青洒布量为1.7 kg/m2时，SBS 改性沥青碎石封层层间抗剪强度达到最大值。例如对碎石用量为11.5 kg/m2的情况，当橡胶沥青洒布量由1.5 kg/m2增大至1.9 kg/m2时，橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度由0.388 5 MPa 增大至0.481 6 MPa，增长了24.0%，而当橡胶沥青洒布量由1.9 kg/m2增大至2.3 kg/m2时，橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度由 0.481 6 MPa 减小至 0.371 3 MPa，减小了22.9%。这是因为，当橡胶沥青和SBS 改性沥青洒布量小于最佳洒布量时，沥青用量太少，沥青无法裹附在碎石表面形成吸附膜，碎石封层层间的粘结强度较低，此时增大沥青洒布量能明显提高层间的粘结强度，因此抗剪强度提高;而当橡胶沥青和SBS改性沥青洒布量大于最佳洒布量时，过多的沥青使封层施工碾压后出现表面泛油现象，层间易滑移，因此再增大橡胶沥青用量反而会使抗剪强度降低。

当橡胶沥青洒布量相同时，当碎石用量由11.5 kg/m2增大至13.5 kg/m2时，层间抗剪强度大幅提高，而当碎石用量超过13.5 kg/m2时，再增大碎石用量反而会使层间抗剪强度下降，例如当沥青洒布量为1.913.5 kg/m2，碎石用量由11.5 kg/m2增大至13.5 kg/m2时，层间抗剪强度由0.481 6 MPa 增大至0.533 5 MPa，增大了10.8%，而当碎石用量由13.5 kg/m2增大至15.7 kg/m2时，橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度由0.533 5 MPa 减小至0.487 5 MPa，减小了9.4%。SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度也随碎石用量的增大出现先增大后减小的变化趋势，当碎石用量为13.5 kg/m2时，SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度达到最大值，唯一不同的是，当碎石用量为15.4 kg/m2时层间的抗剪强度反而小于碎石用量为13.5 kg/m2时层间的抗剪强度。解释其原因为，当碎石用量小于最佳用量时，碎石颗粒之间的接触点较少，而且沥青相对比例较大，能起到润滑作用，此时层间的抗剪强度较低，因此增大碎石用量能明显提高碎石颗粒之间的接触点，因此抗剪强度提高;而当碎石用量大于最佳用量时，碎石颗粒之间的沥青膜较少较薄，碎石颗粒与沥青之间的粘结较差，碎石颗粒变得松散，使碎石层和面层界面处形成贫油层，粘结能力较小，因此抗剪强度反而随碎石用量的增多而降低。

2.2 温度对抗剪强度的影响

沥青材料是典型的感温性材料，温度升高时变软，粘度下降，而温度降低时变硬，容易发生脆性断裂。对应的环境温度不同，碎石封层层间的抗剪强度必定有所不同。为了模拟研究环境温度对两种碎石封层层间抗剪性能的影响，测定不同温度(20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃和 60 ℃)时，两种碎石封层层间的抗剪强度，试验结果如图2所示。

从图2可以看出，随着温度的升高，两种碎石封层层间的抗剪强度都出现逐渐减小的变化规律，其中当温度超过50 ℃时，两种碎石封层层间抗剪强度随温度的变化趋势都较小。例如当温度由20 ℃升高至50 ℃时，橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度由0.799 5 MPa 降低为0.118 2 MPa，降低了 85.2%;SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度由0.945 8 MPa 降低为0.102 3 MPa，降低了89.2%;而当温度由50 ℃升高至60 ℃时，橡胶沥青碎石封层和SBS改性沥青碎石封层层间的抗剪强度分别降低49.6%和43.9%。这是因为，沥青材料为典型的感温性材料，当温度升高时，沥青逐渐软化，粘度降低，流动性增强，沥青与碎石颗粒之间的粘结力降低，因此使碎石封层层间的抗剪强度降低，其中当温度超过50 ℃时，沥青的软化程度明显，此时再升高温度对抗剪强度的影响相对较小。

图2 温度对碎石封层层间抗剪强度的影响

当温度相同时，SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度大于橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度，且温度越低两者之间的差距越明显，例如当温度为20 ℃时，SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度和橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度分别为0.799 5 MPa 和0.945 8 MPa，两者相差0.146 3 MPa，而当温度为60 ℃时，SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度和橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度分别为0.056 5 MPa 和 0.066 3 MPa，两者相差 0.009 8 MPa。这是因为，SBS 改性剂在沥青中能产生很好的吸附作用，吸收沥青中的轻质组分，使沥青粘度增长明显，而橡胶粉的吸附能力相比于SBS 改性明显较弱，对沥青粘度的提高程度小于SBS 改性剂，因此SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度大于橡胶沥青碎石封层层间的抗剪强度。

3 结论

碎石封层是一种性能优异的沥青路面功能层，主要用于新建或改建沥青路面的铺装，具有防水粘结、吸收应力和减缓路面反射裂缝等功能。实际中，碎石封层的层间抗剪能力直接决定着其使用寿命，而抗剪能力碎石封层本身的材料组成与外界环境密切相关。本文通过层间剪切试验，对比研究了原材料和温度对两种碎石封层层间抗剪强度的影响。试验结果显示:分别存在最佳的沥青洒布量和碎石用量时两种碎石封层层间的抗剪强度达到最大;温度越高，层间抗剪强度越低;相同条件下，SBS 改性沥青碎石封层层间的抗剪强度大于橡胶沥青碎石封层。

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［2］蔡燕霞，申爱琴，杨 光.橡胶沥青衬垫式碎石封层黏结性能［J］.建筑材料学报，2013，16(4):678 －682.

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［5］王 城，李 浩，陈建军.碎石封层作为路面上封层的应用［J］.公路与汽运，2012(3):157 －159.

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［7］李海红，唐 宇，徐 英.同步碎石封层技术在湖南的研究与应用［J］.湖南交通科技，2013(2):46 －49.