透层油的作用及其性能评价指标体系

2018-11-20 15:24:41 中城华宇
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摘要:针对透层油在使用中存在的问题,分析了透层油的层间结合作用、对基层表面的固结保护作用和对基层封闭养生的作用,以及透层油的层间结合作用对于保证路面使用性能的重要性。提出了采用渗透性能、层间结合性能、固结性能和储存稳定性作为透层油性能评价的指标体系,并给出了相应的试验测试方法。

 

关键词:透层油;黏结性能;渗透性能;固结性能;评价体系;测试方法  

 

透层是指为使沥青面层与非沥青材料基层结合良好,在基层上喷洒液体石油沥青、乳化沥青或煤沥青而形成的透入基层表面一定深度的薄层。透层油在沥青路面中起着一系列重要的作用。在我国《公路沥青路面施工技术规范》,以下简称《规范》)中规定:沥青路面各类基层都必须喷洒透层油,并且要求渗透深度不小于5mm。然而在许多地方,由于对透层油的作用认识不足,在设计、施工环节根本不考虑透层油的使用。同时目前对透层油的使用性能也缺乏系统的评价指标,导致生产的透层油要么透不下去,要么虽然透下去了却起不到应有的作用。所以很多时候即使洒布了透层油,其效果也较差,严重影响了沥青路面使用寿命。本文从沥青路面设计、施工的基本原理出发,分析透层油的作用,进而提出其使用性能评价指标体系。

 

透层油的作用

 

(1)层间结合作用。透层是实现沥青面层与基层层间结合的根本措施。

 

我国的沥青路面设计采用多层弹性层状体系理论,设计中层间接触条件均按照连续接触考虑,可以将面层和基层视为一层组合结构来分析。由于半刚性基层仍是主要的基层结构,而其具有较大的刚度,沥青面层与半刚性基层视为一个整体承受竖向荷载作用时,组合结构内部存在一个中性面,中性面以上处于受压状态,以下处于受拉状态。当E2>E1、h2>h1时,此时中性轴基本位于半刚性基层内。而半刚性基层厚度通常在30cm以上,因此无论对于沥青面层较厚的高速公路路面,还是沥青层厚度较薄的干线公路路面,对路面结构层层底弯拉应力的计算结果表明,各沥青结构层层底均处于受压状态,理论上说明沥青面层不应该出现因承受层底弯拉作用而产生的疲劳破坏。但实际工程中,许多沥青路面在使用较短的年限内就出现了明显的网裂、龟裂等疲劳破坏,一些沥青面层较薄的路面还出现面层推移破坏,这恰恰是半刚性基层与沥青面层层间结合不良所导致的。在层间光滑接触条件下,沥青面层和半刚性基层各自独立承受荷载作用,各自均有自己的中性轴。因此,下部的沥青结构层层底就会出现拉应力,从而容易产生疲劳破坏。由此可知,沥青面层与基层之间良好的层间结合,是改善沥青路面结构层受力状况、实现路面设计意图、保证路面使用寿命的重要条件之一。

 

目前我国沥青路面普遍使用半刚性基层,这类基层在半刚性材料水化反应后结构致密,采用普通的石油沥青和乳化沥青作为透层油很难渗入,会在基层表面形成“油皮”,这样的透层不仅起不到层间结合的作用,反而恶化了基层结合状况。这也是很多地方在透层油使用中遇到的最普遍的问题。而一些地方为了满足渗透性的要求,采用煤油稀释沥青,不仅不具有层间黏结效果,过高的煤油用量还会对沥青面层的底面产生不利影响。需要明确的是,对于透层油的使用,“透”不是目的,目的在于“黏”,也就是层间结合,将基层与沥青面层黏在一起。透入基层表面一定深度的透层油,其中所包含的沥青,相当于在基层表面生了根,使得在后面铺筑热的沥青层时能够与基层形成一个整体。可以说,透层油在这里起到了“承上启下”的作用。一些地方采用“下封层”来代替透层,但下封层只能与沥青下面层结合在一起,由于其不具有渗透效果,因而不能与基层形成一个整体。在半刚性基层反射裂缝及施工车辆破坏下,面层下渗的水还是会造成层间界面分离的问题。在许多仅设置了下封层的路面钻取的芯样中都明显地出现基层与面层分离的情况,正是说明了此问题。

 

(2)对基层表面的固结保护作用。透层油对基层表面的固结保护作用主要应体现在两个方面:一是在施工期间,抵抗车轮对基层表面的磨耗;二是在路面使用过程中,抵抗下渗水对基层表面的冲刷。

 

半刚性基层材料耐磨性差,施工过程中由于施工车辆和社会车辆的作用,往往会造成表面磨耗、松散,这对于层间结合也是非常不利的。透层油应具有良好的黏结效果,在渗入基层表面的同时,通过其黏结力能够有效地固结基层表面,避免或减少其在车轮作用下的磨耗、松散。这对于透层油来说是一项比较高的要求,如果施工中车辆通行难以控制,或透层油黏结力达不到,可以做下封层以保护基层顶面。

 

半刚性基层材料的冲刷破坏也是造成沥青路面水损坏的原因之一。路面裂缝的下渗水在车辆荷载挤压作用下会产生较大的动水压力,使得半刚性基层混合料中的一些细料被剥离冲掉,逐渐导致半刚性基层材料的松散破坏。透层油一方面使得基层与沥青面层紧密结合,消除或减少了下渗水的积存空间,也减少了水分进入基层材料内部可能性,大大降低了下渗水的冲刷作用;另一方面通过其对基层表面的黏结、固结作用,也可以有效抵抗下渗水的冲刷作用,对基层表面起到良好的保护效果。

 

(3)对基层的封闭养生作用。具有良好渗透性、黏结性和固结作用的透层油,对半刚性基层同样可以起到封闭养生的作用。

 

《公路沥青路面施工技术规范》中指出:透层油的洒布时机应在基层表面稍干尚且湿润的时候。对于乳化沥青透层油来说,这是非常必要的。如果基层表面干燥,一是会有浮尘阻碍透层油的下渗,二是乳化沥青洒布后水分会很快被基层吸收导致破乳较快,影响其下渗。如果基层表面含水量较大,水分则会占据基层表面的孔隙,透层油也无法下渗。同时,透层油的洒布也必须在半刚性基层材料水化反应完成之前进行,否则无机结合料水化后会形成较为致密的晶体结构,填充了混合料原有的孔隙,导致透层油无处可渗。经过大量实践,对于乳化沥青透层油来说,宜在基层施工完20h以后进行洒布,但尽量不超过3d。在基层表面稍干尚且湿润的情况下,基层内部的含水量是足够的,因此,透层油洒布完破乳后,渗入基层表面孔隙并有部分在表面形成近似一层很薄的油膜,对基层表面起到封闭的作用,大大降低了基层水分的蒸发,后期基本可以不需要再进行覆盖、洒水等养生工作。这对干旱地区以及蒸发较快的气候条件下施工,是非常有利的。

 

综上所述,透层油的主要作用体现在层间结合、对基层的固结保护及封闭养生这3个方面。而要实现这些作用,普通的稀释沥青和乳化沥青是难以做到的,添加改性剂、增黏剂的改性乳化沥青是实现上述作用的良好选择。但目前在我国沥青路面的设计和施工规范中,只有对一般乳化沥青的性能指标要求,对用于透层的乳化沥青则缺乏系统的性能指标要求。为此,根据以上分析,对用于透层的乳化沥青从渗透、黏结、稳定性、固结效果等4个方面提出相应性能评价指标体系及相应的试验测试方法。

 

透层油的性能评价指标体系

 

渗透性能

 

《公路沥青路面施工技术规范》要求透层油的渗透深度不小于5mm。如前所述,要实现透层油的层间结合作用,就需要一定的渗透深度,从而实现基层顶面与沥青层底面的良好结合。如果渗透深度不足,则会影响层间结合效果,甚至透不下去时还会在基层表面形成“油皮”现象。但对渗透深度也不宜要求过高,因为渗透与黏结本身就是互相矛盾的一对指标,过大的渗透深度必然会牺牲其黏结性能。同时,由于渗透下去的沥青材料占据基层表面的孔隙,也会影响水稳层水化结晶作用的进行,造成强度的损失。因此建议渗透深度满足规范要求的5mm即可。

 

对于渗透深度的测试,可在基层试件表面洒布透层油,待完全破乳渗透后,劈开试件进行量测。对于无机结合料稳定粒料的基层试件,考虑到渗透深度的不均匀性,应一组最少测试3个试件,每个试件测试3~5个渗透深度较大的点,取平均值作为其渗透深度代表值。

 

层间结合性能

 

对于透层油的层间结合性能可用层间剪切和拉拔试验进行评价。试验时,先按照材料组成和压实度要求,成型基层的圆柱体试件,保湿养生一定时间后在其顶面上按照用量要求均匀地洒布透层油,进行正常的养生并待其完全破乳渗透,等到基层试件形成一定强度后,在试件表面静压成型沥青混合料圆柱形试件,并置于25℃温度下养生24h,进行剪切和拉拔试验。进行层间剪切试验时,将成型好的基层和面层组合试件放在剪切仪上,以层间结合面对齐剪切面,以加载速率5mm/min进行剪切,至组合体破坏,记录下剪切力的最大值数据。进行拉拔试验时,将成型好的基层和面层组合试件一端用环氧树脂和固化剂黏结在水泥混凝土板上,一端黏结拉拔仪的拉拔头,将拉拔头安装在拉拔仪上,拉拔至组合体试件破坏,记录拉拔力的最大值数据。

 

层间剪切、拉拔试验虽然未列入试验规程,但在路面及桥面铺装相关研究中已在普遍采用。开发出来的试验仪器设备造价也相对较低,便于推广应用。同时,渗透试验和层间剪切、拉拔试验也可以作为确定透层油洒布量的依据。

 

固结性能

 

对于透层油对基层表面的固结保护作用,可采用冲刷试验予以评价。试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0860试验步骤进行。成型基层圆柱体试件,保湿养生一定时间后在其顶面上按照用量要求均匀地洒布透层油,然后按试验规程要求进行冲刷试验。不同透层油材料的水泥稳定碎石基层试件的冲刷试验结果。可以看出,洒布改性沥青透层油后,其冲刷质量损失率最小,表明改性乳化沥青由于黏结力较高,其固结效果最好,使得基层试件的冲刷质量损失率最小。

 

储存稳定性能

 

规范对于乳化沥青提出了1d稳定性和5d稳定性的要求。作为透层的乳化沥青,通常生产出来后很快就会用于施工洒布,故首先要满足1d稳定性要求。但是研究表明,透层油的稳定性与乳化沥青颗粒的大小及均匀性有着密切的关系,颗粒粒径小且均匀的乳化沥青不仅稳定性好,而且渗透性也可以得到保证。因此为进一步保证乳化沥青透层油的生产质量,建议采用5d稳定性的指标要求。即采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0655-1993试验方法,进行乳化沥青稳定性试验,其5d储存稳定性均不超过5%。

 

结语

 

(1)透层油是实现沥青面层与基层层间结合的根本措施,也是实现路面设计意图的重要保证手段。透层油的“透”不是目的,层间黏结才是其根本目标。

 

(2)渗透和黏结性能良好的透层油,对基层可以起到固结保护和封闭养生的作用。

 

(3)对透层油的性能评价可采用渗透试验、层间剪切拉拔试验、冲刷试验和储存稳定性试验进行,以形成一套完整的评价体系。