淺談道路結(jié)構(gòu)層間性能評價(jià)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，道路結(jié)構(gòu)層間性能評價(jià)問題開始受到人們的關(guān)注。層間剪切破壞和反射裂縫破壞是當(dāng)前路面病害的兩個(gè)主要誘因，目前關(guān)于結(jié)構(gòu)抗剪性能和抗裂性能的室內(nèi)試驗(yàn)種類繁多。本文主要從道路粘性、抗剪和抗震幾個(gè)方面對道路結(jié)構(gòu)層間性能評價(jià)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：道路結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)層間性能；評價(jià)方法

引 言

近年來，我國的道路建設(shè)項(xiàng)目不斷增加，根據(jù)調(diào)查分析，我國現(xiàn)有公路中，瀝青路面占有相當(dāng)大的比重，瀝青路面具有施工過程快、結(jié)構(gòu)類型多樣、養(yǎng)生維修方便、通車時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但瀝青路面同樣存在不可避免的問題。

1 瀝青路面層間破壞狀況分析

1.1 層間剪切破壞機(jī)理

層間剪切破壞是瀝青路面層間破壞的常見形式之一，路面各結(jié)構(gòu)層之間的抗剪性能是我國乃至世界上許多國家設(shè)計(jì)規(guī)范手冊中較少涉及的力學(xué)指標(biāo)，然而從以往的經(jīng)驗(yàn)和道路的實(shí)際使用情況來看，路面在荷載作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力所引起的結(jié)構(gòu)破壞是不容忽視的。剪切破壞是瀝青路面常見的病害類型，根據(jù)破壞發(fā)生的位置不同又可將其分為兩類：第一類是發(fā)生在面層混合料內(nèi)部的剪切破壞，此類破壞多發(fā)生在剎車及啟動較為頻繁的路段。第二類是發(fā)生在結(jié)構(gòu)層之間的剪切破壞，此類破壞多發(fā)生在層間結(jié)合性能欠佳的路段，破壞產(chǎn)生后容易導(dǎo)致層間發(fā)生滑移，進(jìn)而引起剝落、開裂等病害。

1.2 反射裂縫破壞機(jī)理

反射裂縫破壞對于路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和路面使用性能有著重要的影響，路面開裂破壞同樣是影響瀝青路面使用壽命的主要病害，常見的瀝青路面開裂包括疲勞開裂、反射開裂、低溫開裂等類型，其中反射裂縫是剛性半剛性基層或舊路面原有裂縫缺陷，在溫度與荷載的綜合作用下發(fā)生擴(kuò)張，當(dāng)裂縫擴(kuò)張產(chǎn)生的應(yīng)力得不到緩解和釋放，會在裂縫周圍形成應(yīng)力集中，造成瀝青混凝土底面承受巨大的拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致裂縫向路表擴(kuò)張（見圖1）。

2 道路結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能評價(jià)

根據(jù)瀝青碎石封層推移、擁包的形成原因，可用層間抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度作為層間粘結(jié)性能的評價(jià)指標(biāo)，文中采用直接拉拔和正壓扭剪試驗(yàn)分別對瀝青碎石封層試件進(jìn)行層間抗拉和抗剪強(qiáng)度的檢測。直接拉拔試驗(yàn)示意如圖2所示，用層間破壞時(shí)拉拔力的大小表征層間抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)前，按照前述成型方法和各試驗(yàn)水平成型試件，待試件完全固化后，將環(huán)粘結(jié)劑均勻涂抹在碎石封層表面，將拉頭和碎石層粘結(jié)，待完全牢固后，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。按照表1的設(shè)計(jì)進(jìn)行正交拉拔試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，分別測試?yán)瘟Φ拇笮。⒂?jì)算平均值，得到圖3和圖4所示的各因素對抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖3、圖4可知：①圖3中采用極差的大小來表征各影響因素對碎石封層層間抗拉強(qiáng)度的影響程度，在所選的4個(gè)因素中，對層間抗拉強(qiáng)度影響程度的大小關(guān)系為：乳化瀝青用量（0.233kN）>碎石用量（0.147kN）>纖維長度（0.06kN）>纖維用量（0.05kN）。②在圖4（a）中可以發(fā)現(xiàn)，層間的抗拉強(qiáng)度隨乳化瀝青用量的增大而增大，其原因是隨著瀝青用量的增大，滲透進(jìn)入原路面內(nèi)的瀝青量相對較多，同時(shí)被裹附的碎石面積也增多，結(jié)構(gòu)瀝青量增大，使層間結(jié)合更加緊密。③由圖4（b）可知，當(dāng)碎石用量為900～1050g時(shí)，層間的抗拉強(qiáng)度隨著碎石用量的增加而逐漸增大，但當(dāng)碎石用量大于1050g時(shí)，隨碎石用量增加，抗拉強(qiáng)度增大幅度有所下降，原因是當(dāng)碎石撒布量小于1050g時(shí)，封層表面會留有較多未撒布碎石的空余面積，隨著碎石用量的增加，被裹附的碎石面積進(jìn)一步增加，使結(jié)構(gòu)瀝青量增大，同時(shí)封層與拉頭的接觸面積增大，使抗拉值逐漸增大。當(dāng)碎石撒布量繼續(xù)增加時(shí)，結(jié)構(gòu)瀝青含量增加幅度開始減少，所以拉拔力的增加幅度也相應(yīng)減弱，并且當(dāng)撒布量為1200g時(shí)，碎石覆蓋率接近100%。④從圖3和圖4（c）、圖4（d）可知，纖維長度和纖維用量對抗拉強(qiáng)度的影響水平次于乳化瀝青和碎石用量。其中，纖維長度對層間抗拉強(qiáng)度的影響程度較小，而隨著纖維用量的增加，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，并且當(dāng)纖維用量為9g時(shí)，抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)最大值。

3 道路結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度

試件成型與拉拔試驗(yàn)相同，試驗(yàn)中，向試件逐漸施加扭矩，直至碎石封層與瀝青混合料墊塊發(fā)生脫離，用層間發(fā)生脫離時(shí)的扭矩表征層間抗剪強(qiáng)度。按照表1中設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)進(jìn)行扭剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，分別測試扭矩的大小，并計(jì)算平均值，得到各因素對抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。①在所選的4個(gè)因素中，對層間抗剪強(qiáng)度影響程度排序?yàn)椋喝榛癁r青用量（12.987kN·m）>碎石用量（4.0686kN·m）>纖維用量（2.63kN·m）>纖維長度（1.787kN·m）。②層間抗剪強(qiáng)度隨乳化瀝青用量的增加而增大，其原因是隨著乳化瀝青用量的增大，裹附碎石面積也增多，結(jié)構(gòu)瀝青含量增大，同時(shí)纖維也結(jié)合了更多的瀝青，形成更加致密的結(jié)構(gòu)，提高了層間抗剪強(qiáng)度。③碎石封層的層間抗剪強(qiáng)度隨著碎石用量的增加先增大后減小，在碎石用量為1050g時(shí)出現(xiàn)最大值。這是由于當(dāng)碎石用量較少時(shí)，多余的瀝青無法有效地和碎石結(jié)合，抗剪強(qiáng)度較小，隨著碎石用量的增加，自由瀝青量減少，結(jié)構(gòu)瀝青量增多，抗剪強(qiáng)度逐漸增大；但是，當(dāng)碎石用量大于1050g時(shí)，可能是由于撒布的碎石中有少量未被瀝青粘結(jié)，在扭剪過程中出現(xiàn)滑動，使扭矩降低。④與影響抗拉強(qiáng)度的規(guī)律一致，纖維用量和纖維長度對層間抗剪強(qiáng)度的影響水平次于乳化瀝青用量和碎石用量，纖維長度的影響水平最低。層間抗剪強(qiáng)度隨著纖維用量的增加而增大，在纖維用量為9g時(shí)，扭矩出現(xiàn)最大值，即層間的抗剪強(qiáng)度最大，之后隨著用量的增加，抗剪強(qiáng)度呈下降趨勢。這是由于玻璃纖維能吸附足夠的瀝青，減少自由瀝青含量，并能形成一定厚度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在機(jī)械壓實(shí)作用下，碎石和面層混合料顆粒被壓入纖維網(wǎng)，有利于改善層間抗剪性能。但是，當(dāng)纖維用量繼續(xù)增加時(shí)，纖維吸附及穩(wěn)定的瀝青量不再增加，多余的纖維處于游離狀態(tài)，形成薄弱層，反而會降低層間抗剪強(qiáng)度。當(dāng)纖維長度為40mm時(shí)，由于纖維過短，纖維絲之間相互不能有效地搭接，無法形成穩(wěn)定的玻璃纖維網(wǎng)，對層間抗剪強(qiáng)度影響較?。辉诶w維長度為60mm時(shí)，纖維長度適中，玻璃纖維絲之間可以有效地相互搭接，能夠與瀝青、碎石形成致密的“碎石-瀝青-纖維”結(jié)構(gòu)，使層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值；但纖維長度過長時(shí)，在纖維用量一定的情況下，纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相對變疏，“加筋”作用減弱，抗剪強(qiáng)度反而降低。

4 道路結(jié)構(gòu)層間抗裂性能評價(jià)

瀝青路面的低溫開裂是路面破壞的主要形式之一。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進(jìn)入水份使基層甚至路基軟化，導(dǎo)致路面承載力下降，產(chǎn)生臺階、網(wǎng)裂，加速路面破壞。SHRP規(guī)范中評價(jià)瀝青低溫開裂性能的指標(biāo)，瀝青路面使用一定時(shí)間后瀝青老化，瀝青的勁度增大、應(yīng)力松弛能力變差、拉伸應(yīng)變減少，在溫度的反復(fù)作用下瀝青路面發(fā)生低溫開裂。為此SHRP評價(jià)瀝青結(jié)合料低溫性能所采用的瀝青樣品要求先經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）模擬瀝青在施工過程中的熱老化，再經(jīng)過壓力老化試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面經(jīng)過至少5年的使用期老化。SHRP瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范中提出用彎曲梁流變儀的彎曲蠕變試驗(yàn)及直接拉伸試驗(yàn)評價(jià)瀝青的低溫抗裂性能，用經(jīng)過RTFOT和壓力老化試驗(yàn)的瀝青，測定平均最低路面設(shè)計(jì)溫度時(shí)的低溫彎曲蠕變勁度模量S作為最主要指標(biāo)。SHRP采用BBR試驗(yàn)來評價(jià)瀝青低溫抗裂性能，它要求605時(shí)的S不大于300MPa，同時(shí)還要求605時(shí)蠕變勁度與荷載作用時(shí)間的雙對數(shù)曲線的斜率m不小于0.30（m值反映瀝青勁度的時(shí)間敏感性及應(yīng)力松弛性能，m值越大，瀝青的應(yīng)力松弛性能越好，抗裂性能越好）。

5 結(jié)束語

本文對剪切破壞與反射裂縫兩種常見道路結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行了研究，通過對其形成機(jī)理的分析，總結(jié)了影響層間發(fā)生破壞的主要因素，包括溫度、豎向力、車輛荷載等。在現(xiàn)有試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種多功能層間力測試儀，并對現(xiàn)有的試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了改進(jìn)。

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作者簡介：李金男（1983-），漢族，貴州興仁人，本科，主要從事路橋設(shè)計(jì)方面的工作。