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透層油的作用及其性能評價指標體系
2019年06月12日    閱讀量:756    新聞來源: 道路服務  |  投稿

透層油的作用及其性能評價指標體系 瀝青網,sinoasphalt.com


透層是指為使瀝青面層與非瀝青材料基層結合良好,在基層上噴灑液體石油瀝青、乳化瀝青或煤瀝青而形成的透入基層表面一定深度的薄層。透層油在瀝青路面中起著一系列重要的作用。在我國《公路瀝青路面施工技術規范》,以下簡稱《規范》)中規定:瀝青路面各類基層都必須噴灑透層油,并且要求滲透深度不小于5mm瀝青網sinoasphalt.com。然而在許多地方,由于對透層油的作用認識不足,在設計、施工環節根本不考慮透層油的使用。同時目前對透層油的使用性能也缺乏系統的評價指標,導致生產的透層油要么透不下去,要么雖然透下去了卻起不到應有的作用。所以很多時候即使灑布了透層油,其效果也較差,嚴重影響了瀝青路面使用壽命。本文從瀝青路面設計、施工的基本原理出發,分析透層油的作用,進而提出其使用性能評價指標體系。

透層油的作用

(1)層間結合作用。透層是實現瀝青面層與基層層間結合的根本措施。

我國的瀝青路面設計采用多層彈性層狀體系理論,設計中層間接觸條件均按照連續接觸考慮,可以將面層和基層視為一層組合結構來分析。由于半剛性基層仍是主要的基層結構,而其具有較大的剛度,瀝青面層與半剛性基層視為一個整體承受豎向荷載作用時,組合結構內部存在一個中性面,中性面以上處于受壓狀態,以下處于受拉狀態。當E2>E1、h2>h1時,此時中性軸基本位于半剛性基層內。而半剛性基層厚度通常在30cm以上,因此無論對于瀝青面層較厚的高速公路路面,還是瀝青層厚度較薄的干線公路路面,對路面結構層層底彎拉應力的計算結果表明,各瀝青結構層層底均處于受壓狀態,理論上說明瀝青面層不應該出現因承受層底彎拉作用而產生的疲勞破壞。但實際工程中,許多瀝青路面在使用較短的年限內就出現了明顯的網裂、龜裂等疲勞破壞,一些瀝青面層較薄的路面還出現面層推移破壞,這恰恰是半剛性基層與瀝青面層層間結合不良所導致的。在層間光滑接觸條件下,瀝青面層和半剛性基層各自獨立承受荷載作用,各自均有自己的中性軸。因此,下部的瀝青結構層層底就會出現拉應力,從而容易產生疲勞破壞。由此可知,瀝青面層與基層之間良好的層間結合,是改善瀝青路面結構層受力狀況、實現路面設計意圖、保證路面使用壽命的重要條件之一。

目前我國瀝青路面普遍使用半剛性基層,這類基層在半剛性材料水化反應后結構致密,采用普通的石油瀝青和乳化瀝青作為透層油很難滲入,會在基層表面形成“油皮”,這樣的透層不僅起不到層間結合的作用,反而惡化了基層結合狀況。這也是很多地方在透層油使用中遇到的最普遍的問題。而一些地方為了滿足滲透性的要求,采用煤油稀釋瀝青,不僅不具有層間黏結效果,過高的煤油用量還會對瀝青面層的底面產生不利影響。需要明確的是,對于透層油的使用,“透”不是目的,目的在于“黏”,也就是層間結合,將基層與瀝青面層黏在一起。透入基層表面一定深度的透層油,其中所包含的瀝青,相當于在基層表面生了根,使得在后面鋪筑熱的瀝青層時能夠與基層形成一個整體。可以說,透層油在這里起到了“承上啟下”的作用。一些地方采用“下封層”來代替透層,但下封層只能與瀝青下面層結合在一起,由于其不具有滲透效果,因而不能與基層形成一個整體。在半剛性基層反射裂縫及施工車輛破壞下,面層下滲的水還是會造成層間界面分離的問題。在許多僅設置了下封層的路面鉆取的芯樣中都明顯地出現基層與面層分離的情況,正是說明了此問題。

(2)對基層表面的固結保護作用。透層油對基層表面的固結保護作用主要應體現在兩個方面:一是在施工期間,抵抗車輪對基層表面的磨耗;二是在路面使用過程中,抵抗下滲水對基層表面的沖刷。

半剛性基層材料耐磨性差,施工過程中由于施工車輛和社會車輛的作用,往往會造成表面磨耗、松散,這對于層間結合也是非常不利的。透層油應具有良好的黏結效果,在滲入基層表面的同時,通過其黏結力能夠有效地固結基層表面,避免或減少其在車輪作用下的磨耗、松散。這對于透層油來說是一項比較高的要求,如果施工中車輛通行難以控制,或透層油黏結力達不到,可以做下封層以保護基層頂面。

半剛性基層材料的沖刷破壞也是造成瀝青路面水損壞的原因之一。路面裂縫的下滲水在車輛荷載擠壓作用下會產生較大的動水壓力,使得半剛性基層混合料中的一些細料被剝離沖掉,逐漸導致半剛性基層材料的松散破壞。透層油一方面使得基層與瀝青面層緊密結合,消除或減少了下滲水的積存空間,也減少了水分進入基層材料內部可能性,大大降低了下滲水的沖刷作用;另一方面通過其對基層表面的黏結、固結作用,也可以有效抵抗下滲水的沖刷作用,對基層表面起到良好的保護效果。

(3)對基層的封閉養生作用。具有良好滲透性、黏結性和固結作用的透層油,對半剛性基層同樣可以起到封閉養生的作用。

《公路瀝青路面施工技術規范》中指出:透層油的灑布時機應在基層表面稍干尚且濕潤的時候。對于乳化瀝青透層油來說,這是非常必要的。如果基層表面干燥,一是會有浮塵阻礙透層油的下滲,二是乳化瀝青灑布后水分會很快被基層吸收導致破乳較快,影響其下滲。如果基層表面含水量較大,水分則會占據基層表面的孔隙,透層油也無法下滲。同時,透層油的灑布也必須在半剛性基層材料水化反應完成之前進行,否則無機結合料水化后會形成較為致密的晶體結構,填充了混合料原有的孔隙,導致透層油無處可滲。經過大量實踐,對于乳化瀝青透層油來說,宜在基層施工完20h以后進行灑布,但盡量不超過3d。在基層表面稍干尚且濕潤的情況下,基層內部的含水量是足夠的,因此,透層油灑布完破乳后,滲入基層表面孔隙并有部分在表面形成近似一層很薄的油膜,對基層表面起到封閉的作用,大大降低了基層水分的蒸發,后期基本可以不需要再進行覆蓋、灑水等養生工作。這對干旱地區以及蒸發較快的氣候條件下施工,是非常有利的。

綜上所述,透層油的主要作用體現在層間結合、對基層的固結保護及封閉養生這3個方面。而要實現這些作用,普通的稀釋瀝青和乳化瀝青是難以做到的,添加改性劑、增黏劑的改性乳化瀝青是實現上述作用的良好選擇。但目前在我國瀝青路面的設計和施工規范中,只有對一般乳化瀝青的性能指標要求,對用于透層的乳化瀝青則缺乏系統的性能指標要求。為此,根據以上分析,對用于透層的乳化瀝青從滲透、黏結、穩定性、固結效果等4個方面提出相應性能評價指標體系及相應的試驗測試方法。

透層油的性能評價指標體系

滲透性能

《公路瀝青路面施工技術規范》要求透層油的滲透深度不小于5mm。如前所述,要實現透層油的層間結合作用,就需要一定的滲透深度,從而實現基層頂面與瀝青層底面的良好結合。如果滲透深度不足,則會影響層間結合效果,甚至透不下去時還會在基層表面形成“油皮”現象。但對滲透深度也不宜要求過高,因為滲透與黏結本身就是互相矛盾的一對指標,過大的滲透深度必然會犧牲其黏結性能。同時,由于滲透下去的瀝青材料占據基層表面的孔隙,也會影響水穩層水化結晶作用的進行,造成強度的損失。因此建議滲透深度滿足規范要求的5mm即可。

對于滲透深度的測試,可在基層試件表面灑布透層油,待完全破乳滲透后,劈開試件進行量測。對于無機結合料穩定粒料的基層試件,考慮到滲透深度的不均勻性,應一組最少測試3個試件,每個試件測試3~5個滲透深度較大的點,取平均值作為其滲透深度代表值。

層間結合性能

對于透層油的層間結合性能可用層間剪切和拉拔試驗進行評價。試驗時,先按照材料組成和壓實度要求,成型基層的圓柱體試件,保濕養生一定時間后在其頂面上按照用量要求均勻地灑布透層油,進行正常的養生并待其完全破乳滲透,等到基層試件形成一定強度后,在試件表面靜壓成型瀝青混合料圓柱形試件,并置于25℃溫度下養生24h,進行剪切和拉拔試驗。進行層間剪切試驗時,將成型好的基層和面層組合試件放在剪切儀上,以層間結合面對齊剪切面,以加載速率5mm/min進行剪切,至組合體破壞,記錄下剪切力的最大值數據。進行拉拔試驗時,將成型好的基層和面層組合試件一端用環氧樹脂和固化劑黏結在水泥混凝土板上,一端黏結拉拔儀的拉拔頭,將拉拔頭安裝在拉拔儀上,拉拔至組合體試件破壞,記錄拉拔力的最大值數據。

層間剪切、拉拔試驗雖然未列入試驗規程,但在路面及橋面鋪裝相關研究中已在普遍采用。開發出來的試驗儀器設備造價也相對較低,便于推廣應用。同時,滲透試驗和層間剪切、拉拔試驗也可以作為確定透層油灑布量的依據。

固結性能

對于透層油對基層表面的固結保護作用,可采用沖刷試驗予以評價。試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中T0860試驗步驟進行。成型基層圓柱體試件,保濕養生一定時間后在其頂面上按照用量要求均勻地灑布透層油,然后按試驗規程要求進行沖刷試驗。不同透層油材料的水泥穩定碎石基層試件的沖刷試驗結果。可以看出,灑布改性瀝青透層油后,其沖刷質量損失率最小,表明改性乳化瀝青由于黏結力較高,其固結效果最好,使得基層試件的沖刷質量損失率最小。

儲存穩定性能

規范對于乳化瀝青提出了1d穩定性和5d穩定性的要求。作為透層的乳化瀝青,通常生產出來后很快就會用于施工灑布,故首先要滿足1d穩定性要求。但是研究表明,透層油的穩定性與乳化瀝青顆粒的大小及均勻性有著密切的關系,顆粒粒徑小且均勻的乳化瀝青不僅穩定性好,而且滲透性也可以得到保證。因此為進一步保證乳化瀝青透層油的生產質量,建議采用5d穩定性的指標要求。即采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0655-1993試驗方法,進行乳化瀝青穩定性試驗,其5d儲存穩定性均不超過5%。

結語

(1)透層油是實現瀝青面層與基層層間結合的根本措施,也是實現路面設計意圖的重要保證手段。透層油的“透”不是目的,層間黏結才是其根本目標。

(2)滲透和黏結性能良好的透層油,對基層可以起到固結保護和封閉養生的作用。

(3)對透層油的性能評價可采用滲透試驗、層間剪切拉拔試驗、沖刷試驗和儲存穩定性試驗進行,以形成一套完整的評價體系。


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