宗海, 朱文白, 汪昊, 何嘉明, 趙永利, 謝一暢

(1.南京公路發(fā)展(集團)有限公司, 南京 210000; 2.東南大學交通學院, 南京 211189)

預防性養(yǎng)護技術能夠在路面未發(fā)生結構性破壞的情況下,快速有效地提高路面服務水平,主要措施包括霧封層、碎石封層、復合封層、微表處及超薄罩面等,其中超薄罩面憑借良好的抗滑、降噪和快速開放交通等優(yōu)點被廣泛用于道路養(yǎng)護工程[1]。超薄罩面技術是將厚度小于正常面層厚度的瀝青混合料攤鋪在原路面上,由罩面層和高性能黏層兩部分組成[2]。一般超薄鋪裝厚度控制在10～30 mm,能夠有效修復原路表輕度破損以及車轍問題[3]。

傳統(tǒng)的路表鋪裝層材料大多以熱塑性改性瀝青為主,但是抗疲勞性和耐久性較差[4]。為了減少使用過程中松散、剝落以及耐久性不足的問題,可以采用環(huán)氧瀝青作為膠結料[5-7]。環(huán)氧瀝青作為熱固性改性瀝青膠結料,強度高、耐磨損而且抗侵蝕[8]。為了防止罩面層與原路面的層間脫落,有必要重視超薄抗滑罩面的層間黏結性能。中外道路工作者已對此進行了一系列相關研究,黏結層在超薄罩面結構體系中極易發(fā)生瀝青與集料之間的黏附破壞、瀝青之間的內聚破壞[9],這些破壞都會導致瀝青路面產生松散、脫皮病害。層間灑布量過多時極易出現內聚破壞,層間灑布量過少時,瀝青無法完全裹覆集料并產生黏附破壞。李書飛等[10]采用斜剪、拉拔試驗評價了環(huán)氧瀝青的層間黏結強度,結果表明,這種方法適用性強而且效果優(yōu)異。潘正中等[11]、韓森等[12]研究了不同瀝青灑布量下的鋼橋面鋪裝黏結強度試驗,在此基礎上可以確定最佳黏結性能的灑布量組合。目前,許多研究只通過層間剪切及拉拔試驗分析強度形成機理并直接確定黏結層灑布量[13-14],沒有考慮原路面狀況對層間灑布量的影響,然而空隙對抗滑路面的力學性能和排水性能影響較大[15]。Raposeiras等[16]研究表明,路表宏觀構造和黏結劑的用量對層間黏結力都有影響,因此有必要在考慮原路面構造或空隙的基礎上,結合層間黏結試驗研究瀝青的灑布量。

為此,對Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13混合料試件進行CT掃描和3D重構,建立三維細觀空隙模型并分析空隙分布規(guī)律?？紤]原路面與超薄鋪裝層的級配以及上、下界面處空隙分布情況,確定填充空隙的層間瀝青灑布用量。在此基礎上,結合室內25、60 ℃的層間45°斜剪、直剪以及拉拔試驗,分析不同溫度下瀝青灑布量對層間剪切和黏結強度的影響。結合層間宏觀力學性能與原路表的細觀構造,對瀝青灑布量進行修正并確定最佳層間灑布量,以此為罩面層間設計以及材料用量控制奠定理論基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

集料的選擇需要考慮棱角性、壓碎值及磨耗值等,優(yōu)選堅硬、粗糙且多棱角,同時應該確保礦粉的潔凈與干燥,無結團現象。試驗選用的集料為南京高佳路橋工程有限公司的玄武巖,填料選擇與瀝青黏附性較好的石灰?guī)r礦粉,原材料各項性能均滿足規(guī)范[17-18],如表1～表3所示。

表1 粗集料技術指標Table 1 Test results of coarse aggregate performance

表2 細集料技術指標Table 2 Test results of fine aggregate performance

表3 石灰?guī)r礦粉的技術指標Table 3 Test results of limestone fines

選用的環(huán)氧瀝青基本性能如表4、表5所示,其中A、B組分的質量比為58∶42,密度為1.045 g/m3,養(yǎng)生條件為120 ℃時1 h,然后再60 ℃養(yǎng)生2 d,拉伸強度和斷裂伸長率分別是3.5 MPa(≥1.5 MPa)和256%(≥200%),均滿足《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術條件》(GB/T 30598—2014)[20]要求。

表4 環(huán)氧瀝青A組分技術指標Table 4 Technical indicators of epoxy asphalt-A

表5 環(huán)氧瀝青B組分技術指標Table 5 Technical indicators of epoxy asphalt-B

為了研究環(huán)氧瀝青超薄鋪裝層與舊瀝青路面的層間黏結灑布量,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20—2011[21]制備環(huán)氧瀝青和SMA-13基質瀝青混合料。其中級配對數曲線如圖1所示,均選取對應級配范圍的中值,空隙率分別為12%、3.5%,最佳油石比分別為5.5%、6.5%。

圖1 Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13基質瀝青混合料的級配曲線Fig.1 Grading curve of Novachip Type-A (epoxy asphalt) and SMA-13 (base asphalt) mixtures

1.2 試驗方法

1.2.1 CT掃描

工程中超薄鋪裝的黏結層灑布量需要滿足上層罩面和原路面的空隙填充需求,保證層間黏附效果。在此成型100 mm(長)×100 mm(寬)×15 mm(高)的Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13基質瀝青混合料的薄層試件。采用層螺旋X-ray CT掃描儀,對成型的兩種瀝青混合料試件進行內部空隙識別。將試件保持水平放置,進行間距為0.1 mm的各方向斷層掃描,如圖2所示。

圖2 CT掃描原理示意圖Fig.2 Principle of CT scanning

1.2.2 層間剪切強度試驗

超薄鋪裝與原路面之間的層間灑布量與黏結性能還需要通過強度來確定和評價?？紤]層間抗剪強度,依據《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)[22]進行層間45°斜剪試驗,如圖3、圖4所示。制備50 mm(長)×50 mm(寬)×30 mm(高)的石塊和鋼板,層間撒布量分別為0.3、0.5、0.7、0.9 、1.1 kg/m2,每組5個平行試件,試驗溫度分別為25 ℃和60 ℃,采用UTM-25試驗機進行加載,速率為10 mm/min。

圖3 45°斜剪試驗試件Fig.3 Specimen of 45°inclined shear test

圖4 45°斜剪試驗示意圖Fig.4 45°inclined shear test

考慮層間最不利受力狀態(tài),直剪試驗模擬只有水平剪應力作用時的抗剪強度。依據《膠黏劑 拉伸剪切強度的測定(剛性材料對剛性材料)》 (GB/T 7124—2008)[23]設計直剪試驗的試件,采用80 mm(長)×25 mm(寬)×2 mm(高)的不銹鋼片,環(huán)氧瀝青覆蓋長度為(12.5±0.25)mm,膠層厚度為0.2 mm,如圖5所示,層間灑布量分別為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 kg/m2,每組5個平行試件,采用拉力試驗機進行加載。

圖5 直剪試驗試件Fig.5 Specimens of direct shear test

1.2.3 層間黏結強度試驗

超薄鋪裝層和原路面的破壞形式還包括張拉破壞,因此還需要考慮層間拉拔強度。參考《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)[22]進行拉拔試驗,如圖6所示。采用50 mm×50 mm的拉拔頭作為黏結件,環(huán)氧瀝青用量、溫度條件與斜剪試驗一致,每組5個平行試件,采用UTM-25試驗機進行拉伸,速率為10 mm/min。

圖6 層間黏結強度試驗Fig.6 Adhesion strength test of interface

2 試驗結果及分析

2.1 基于3D空隙重構模型的層間灑布量確定

基于CT掃描獲得的試件斷面灰度圖,利用MATLAB 軟件編制程序,選取合適的閾值提取圖像中的空隙部分并進行三維重構,試件內部的三維空隙模型如圖7、圖8所示。

圖7 Novachip Type-A混合料的三維空隙Fig.7 3D void model of Novachip Type-A mixture

圖8 SMA-13基質瀝青混合料的三維空隙Fig.8 3D void model of SMA-13 mixture

依據3D空隙模型,對空隙分布隨試件深度的變化進行統(tǒng)計。從圖9可以看出,Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13基質瀝青混合料的空隙率均沿試樣高度呈C型分布,空隙占比從兩端到中間逐漸減小。這是由于試件成型過程中的振動壓實作用導致底部粗骨料多且細骨料少,空隙率較大。

圖9 基于3維重構模型的空隙分布Fig.9 Void distribution based on 3D reconstruction model

Novachip Type-A環(huán)氧瀝青罩面位于路面結構上層,底部空隙占比主要集中在1 mm范圍,原SMA-13基質瀝青路面位于鋪裝下層,表面空隙主要集中在2 mm范圍,所以在基于3D空隙結構計算層間灑布量時,分別選取Novachip Type-A環(huán)氧瀝青罩面底部1 mm和原SMA-13基質瀝青路面表面2 mm范圍內的空隙體積,如表6所示。

表6 罩面底層和路面表層空隙率Table 6 Voids of the bottom of cover and surface of original pavement

在基于空隙體積確定層間灑布量時,應當考慮原路面構造深度的磨耗情況,因此將SMA-13表層2 mm范圍內的空隙率折減20%[24]并按照式(1)計算,結果如表7所示,即環(huán)氧瀝青填充罩面和原路面空隙結構所需要的層間灑布量為0.25 kg/m2。

(1)

表7 基于三維空隙模型的填充灑布量計算Table 7 Calculation of filling spread based on 3D void model

式(1)中:Tf為單位面積的填充灑布量,kg/m2;ρa為黏結層環(huán)氧瀝青的密度,kg/m2;Vb為Novachip Type-A環(huán)氧瀝青罩面底部1 mm的空隙體積,m3;Vs為原SMA-13瀝青路面表層2 mm的空隙體積,m3;SA為黏結層的環(huán)氧瀝青灑布面積,m2。

2.2 灑布量對層間剪切強度的影響

不同溫度(25 ℃和60 ℃)、不同層間灑布量下45°斜剪試驗的結果如表8和圖10所示。

圖10 環(huán)氧瀝青灑布量對抗剪強度的影響Fig.10 Spread effects of epoxy asphalt on shear strength

表8 45°斜剪試驗結果Table 8 Results of 45°inclined shear test

從圖10可以看出,60 ℃最不利環(huán)境下的抗剪強度明顯低于25 ℃。兩種溫度下的抗剪強度隨層間灑布量的變化先增加后減小,趨勢一致。當環(huán)氧瀝青的層間灑布量較少時,界面瀝青裹附不夠充分,層間黏結效果較差,抗剪強度低。當環(huán)氧瀝青的用量增大時,瀝青覆蓋效果好并且黏結效果得到改善,層間抗剪強度增大。但是環(huán)氧瀝青灑布量超過0.7 kg/m2時,抗剪強度則開始下降,因為富余的瀝青會產生內聚破壞。

考慮最不利受力狀況的層間直剪試驗結果如表9和圖11所示。

表9 直剪試驗結果Table 9 Results of direct shear test

同樣地,最不利溫度60 ℃的拉伸強度較低。圖11中的兩種溫度下拉伸強度隨環(huán)氧瀝青層間灑布量的變化趨勢與圖10中的抗剪強度較為相似,均呈現出先增大后減小的規(guī)律并且在0.7 kg/m2時拉伸強度最大。對比斜剪和直剪試驗結果還可以看出,最不利受力狀況下的剪切強度明顯比正應力作用時要低,因此直剪試驗能夠反映出試件的層間黏結性能。

2.3 灑布量對層間黏結強度的影響

不同溫度(25 ℃和60 ℃)、不同層間灑布量下拉拔試驗的結果如表10和圖12所示。

圖12 灑布量對拉拔強度的影響Fig.12 Spread effects of on pulling strength

表10 拉拔試驗結果Table 10 Results of pulling test

如圖12所示,環(huán)氧瀝青灑布量對拉拔強度的影響與層間斜剪和直剪試驗相似,抗拔強度最大值對應的環(huán)氧瀝青層間灑布量均為0.7 kg/m2,這種情況下層間抵抗破壞的能力最強,層間黏結性能最好。當層間灑布量較少時,試件發(fā)生黏附破壞,破壞面主要是大面積裸露的金屬表面和較少的瀝青覆蓋面,此時瀝青膜較薄,黏結強度較低;灑布量較大時,層間發(fā)生內聚破壞,破壞面則為部分裸露的金屬表面和較厚的瀝青覆蓋面;只有當環(huán)氧瀝青用量適中時,試件的破壞面呈現出典型的鋸齒狀,即界面之間的黏結和瀝青之間的黏聚均達到較為理想的狀態(tài),層間黏結性能最好。

綜合上述仿真和室內試驗結果,可以得出用于填充空隙的環(huán)氧瀝青撒布量為0.25 kg/m2,用于界面黏結的層間黏層撒布量為0.7 kg/m2,因此超薄罩面黏層撒布量為0.95 kg/m2。

3 結論

在CT掃描和3D重構技術的基礎上,建立混合料試件的三維空隙模型?？紤]了原路表面的空隙構造,利用三維空隙填充法和室內斜剪、直剪以及拉拔試驗計算超薄罩面和原路面之間的環(huán)氧瀝青層間灑布量,得出以下結論。

(1)基于超薄鋪裝與原路面的三維空隙重構模型及空隙分布情況,選取罩面底層1 mm和原路面表層2 mm的空隙率計算填充瀝青用量為0.25 kg/m2。

(2)通過25、60 ℃的室內45°斜剪和直剪試驗,研究不利條件下環(huán)氧瀝青層間灑布量對層間剪切強度的影響并確定最佳灑布量為0.7 kg/m2,灑布量較少時集料與瀝青之間的接觸不夠充分,灑布量較多時富余瀝青會產生內聚破壞。

(3)通過25、60 ℃的室內拉拔試驗,確定不利條件下層間剪切強度最大的環(huán)氧瀝青灑布量為0.7 kg/m2,與室內剪切試驗結果一致,此時試件破壞面為鋸齒狀,界面之間的黏結和瀝青之間的黏聚均達到較為理想的狀態(tài),層間黏結性能最好,因此環(huán)氧瀝青的總層間灑布量為0.95 kg/m2。

(4)基于三維空隙的層間灑布量設計方法考慮了鋪裝層和原路面層級配、空隙率,更符合路面實際情況,為施工方案設計提供了更為科學的理論依據。