水泥混凝土板瀝青鋪裝層間抗剪強(qiáng)度協(xié)調(diào)性分析

周志剛，鄧長(zhǎng)清，虢 柱，俞文生，2，楊志峰，2

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西南昌 330000）

盡管現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50－2006）［1］對(duì)水泥混凝土橋面和水泥混凝土路面板等情形下瀝青鋪裝層所形成的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)提出了設(shè)計(jì)要求和方法，但隨著交通量尤其是重型車(chē)輛的增加，這些復(fù)合式路面的瀝青鋪裝層病害日益普遍，表現(xiàn)為變形、推移、網(wǎng)裂、坑槽、剝落及橫向裂縫等形式。其中一個(gè)主要原因是水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間的抗剪強(qiáng)度不足，不能承受車(chē)輛的反復(fù)作用。為此，人們對(duì)水泥混凝土板與瀝青鋪裝層間抗剪強(qiáng)度開(kāi)展了一系列研究工作［2－13］。研究發(fā)現(xiàn)，其層間抗剪強(qiáng)度與環(huán)境（如：溫度和水）［2，6－7］、層間條件［3－4，7，9］、鋪裝材料［4－5，8，13］、交通荷載［5，10，11］及線(xiàn)形（如：長(zhǎng)大縱坡和彎道）［12］等因素有關(guān)。交通重載、高溫或冰凍、鋪裝層滲水、長(zhǎng)大縱坡、不良的瀝青混凝土鋪裝材料配合比或施工不當(dāng)?shù)染鶗?huì)對(duì)鋪裝層的壽命產(chǎn)生不利影響。層間條件包括水泥混凝土板表面構(gòu)造（粗糙程度）和水泥混凝土板與瀝青鋪裝層層間結(jié)合方式等。眾所周知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括粘聚力和摩阻角。水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度的粘聚力來(lái)源于層間粘結(jié)材料。層間粘結(jié)材料種類(lèi)及用量直接影響到層間粘聚力的強(qiáng)弱。層間抗剪強(qiáng)度的摩阻角來(lái)源于層間界面上、下材料表面的相互咬合嵌鎖。根據(jù)水泥混凝土板瀝青鋪裝層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，在不同層間粘結(jié)材料和不同水泥混凝土板表面處理的組合下，其層間抗剪強(qiáng)度各有差異［3，5－10，11］。但這些研究工作并未涉及水泥混凝土板表面構(gòu)造和與他直接結(jié)合的瀝青鋪裝下層材料之間匹配協(xié)調(diào)性的問(wèn)題。如：在水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)普遍使用同步封層的工程背景下，水泥混凝土板表面構(gòu)造形態(tài)、同步碎石粒徑和撒布量及瀝青鋪裝下層混合料級(jí)配三者之間協(xié)調(diào)性如何？它會(huì)直接影響層間抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)弱，特別是其摩阻角。另外，關(guān)于水泥混凝土板瀝青鋪裝層間強(qiáng)度，普遍采用垂直斜剪試驗(yàn)［2，4，8，13］、無(wú)正壓力的直剪試驗(yàn)［4，6－7，9，12］和拉拔試驗(yàn)［5－6，9，11，13］等方式進(jìn)行測(cè)試。但這些方式均未能正確地反映粘聚力和摩阻角形成的抗剪強(qiáng)度狀態(tài)。因此，作者擬利用自研的可施加正壓力的剪切試驗(yàn)儀，對(duì)水泥混凝土板表面構(gòu)造形態(tài)、同步碎石粒徑和撒布量及瀝青鋪裝下層混合料級(jí)配等幾種因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)比分析它們對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱，提出協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)方案，以期指導(dǎo)水泥混凝土板上瀝青鋪裝層的設(shè)計(jì)與施工。

1 直接剪切試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

1.1 瀝青鋪裝材料的設(shè)計(jì)

根據(jù)水泥混凝土橋面或路面板瀝青鋪裝實(shí)際工程情況，選用AC－20瀝青混凝土作為直剪試驗(yàn)中復(fù)合式試件的瀝青鋪裝層。瀝青混合料的瀝青和防水粘結(jié)層涂料均為SBS I－D瀝青。瀝青25℃針入度為5.4mm，5℃延度為29cm，軟化點(diǎn)為74.5℃。碎石的表觀(guān)相對(duì)密度為2.740，吸水率為0.730%，毛體積相對(duì)密度為2.700。瀝青混合料所用瀝青、粗集料、細(xì)集料及礦粉均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTC F40－2004）［14］技術(shù)要求。

AC－20瀝青混凝土選用4種級(jí)配（AC－20C、AC－20級(jí)配中值、AC－20級(jí)配上限及AC－20下限），以對(duì)比研究瀝青鋪裝材料不同級(jí)配對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表1）。其中AC－20C最佳瀝青用量為4.1%，毛體積密度為2.465g／cm3，空隙率為4.1%，礦料間隙率為12.1%，流值為0.25mm。60℃的動(dòng)穩(wěn)定度為4 197次／mm，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比為87%，浸水馬歇爾試驗(yàn)的殘留穩(wěn)定度為91%，－10℃的低溫彎曲試驗(yàn)的極限應(yīng)變?yōu)? 098×10－6，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTC F40－2004）［14］技術(shù)要求。采用瀝青膜厚度［15］確定AC－20級(jí)配上限、下限及中值的最佳油石比。

1.2 水泥混凝土板的制作及表面處理

水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)為水泥∶水∶砂∶碎石＝1∶0.45∶1.43∶2.66，制作成305mm×400mm×40mm的水泥混凝土板。養(yǎng)生24h后，進(jìn)行水泥混凝土板表面處理。實(shí)際工程中，為提高水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，在撒布層間粘結(jié)材料前，先對(duì)水泥混凝土板面進(jìn)行拉毛、鑿毛、刻槽、銑刨、拋丸及露石等方式處理。由于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備所限，作者采用人工鑿毛模擬現(xiàn)場(chǎng)水泥混凝土表面處理方式。鑿毛間距分別為3.0，3.5和4.0cm，鑿毛深度范圍為1～5mm。用鋪沙法測(cè)定3種鑿毛間距的平均構(gòu)造深度分別為0.44，0.42和0.40mm。鑿毛養(yǎng)生28d后，噴灑SBS改性瀝青涂料，撒布量為1.4kg／m2［12］，并按設(shè)計(jì)撒布量撒布未預(yù)拌的單一粒徑碎石。

表1 試驗(yàn)用的瀝青混合料級(jí)配Table 1 Asphalt mixture gradation

1.3 復(fù)合式試件的制作

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20－2011）［15］中瀝青混合料試件制作方法（輪碾法），采用歐標(biāo)輪碾壓實(shí)機(jī)CRT－RC2S碾壓試件，制作尺寸為305mm×400mm×90mm復(fù)合車(chē)轍板（2層），其中，水泥混凝土板厚40mm，瀝青混凝土厚50mm。將其切割成80mm×80mm×90mm的塊狀試件，其中，車(chē)轍板邊緣的20mm部分不得使用。對(duì)2個(gè)相同試件的水泥混凝土底面用水泥砂漿粘結(jié)，形成80mm×80mm×190mm左、右對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)條形試件，然后養(yǎng)生一周。

1.4 直剪試驗(yàn)方式

本研究直接剪切試驗(yàn)通過(guò)自行設(shè)計(jì)制作的剪切試驗(yàn)儀進(jìn)行。利用材料試驗(yàn)系統(tǒng)（Material Test System 810，簡(jiǎn)稱(chēng)為MTS），實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、剪切加載及變形的模擬和記錄。

MTS沿著復(fù)合式試件的對(duì)稱(chēng)面豎向加載，提供對(duì)稱(chēng)的剪切推力。另外，利用設(shè)計(jì)的加載裝置進(jìn)行水平加壓，實(shí)現(xiàn)正壓力加載。在控制的環(huán)境溫度下，進(jìn)行帶正壓力的對(duì)稱(chēng)直接剪切試驗(yàn)。加載速率取10mm／min。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度的因素很多，本研究分析瀝青鋪裝層集料、同步碎石及水泥混凝土表面構(gòu)造形態(tài)三者之間機(jī)械嵌鎖能力對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響，即考察瀝青鋪裝層材料級(jí)配、同步碎石粒徑和撒布量及水泥混凝土板表面處理4個(gè)因素對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響的大小順序和顯著性。4個(gè)因素中，瀝青鋪裝層材料不考慮混合料公稱(chēng)粒徑的差異，在同樣的AC－20規(guī)范級(jí)配范圍內(nèi)，考慮AC－20C、AC－20中值、AC－20上限及AC－20下限等4種級(jí)配的影響，即4個(gè)水平；同步碎石常用的單一粒徑有4.75～9.5mm和9.5～13.2mm［16］2種規(guī)格，即2個(gè)水平；碎石撒布量工程上規(guī)定8kg／m2，其表面覆蓋率為60%～70%［16］，此處選擇7，8及9kg／m2［11］3個(gè)水平；水泥混凝土板表面處理為鑿毛，考慮鑿毛間距分別為3.0，3.5及4.0cm 3個(gè)水平。在試驗(yàn)溫度50℃、施加正壓力0.7MPa時(shí)，不考慮各因素間的交互作用，列出混合正交試驗(yàn)表L12（41×32×21）?？紤]不同組次試驗(yàn)時(shí)，每次試驗(yàn)取3個(gè)水平，試驗(yàn)結(jié)果取其算術(shù)平均值，其結(jié)果見(jiàn)表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 層間剪切機(jī)理分析

在試驗(yàn)溫度50℃、正壓力0.7MPa及剪切速率10mm／min時(shí)，典型的層間剪應(yīng)力與位移曲線(xiàn)關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出，水泥混凝土板瀝青鋪裝層間剪切破壞的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：

第一個(gè)階段，MTS施加的豎向?qū)娱g剪應(yīng)力克服了層間的粘結(jié)力和瀝青鋪裝層集料、同步碎石與水泥混凝土板表面之間的機(jī)械咬合力，從零逐漸增大到最大值。隨著豎向?qū)娱g剪應(yīng)力的增大，SBS改性瀝青粘結(jié)作用增強(qiáng)，瀝青鋪裝層集料連帶同步碎石與凹凸不平的水泥混凝土板表面之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力逐漸發(fā)揮作用，表現(xiàn)為線(xiàn)性過(guò)程。隨著豎向?qū)娱g剪應(yīng)力繼續(xù)增大，同步碎石與SBS瀝青粘結(jié)層之間逐漸脫粘，瀝青鋪裝層集料連帶同步碎石與凹凸不平的水泥混凝土板表面之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，表現(xiàn)為非線(xiàn)性過(guò)程。此時(shí)，層間剪應(yīng)力主要克服滑動(dòng)界面上的機(jī)械咬合力和未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)界面上的粘結(jié)力。當(dāng)咬合力和粘結(jié)力到達(dá)最大時(shí)，試件產(chǎn)生層間剪切破壞。該階段表現(xiàn)為試件從層間開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)位移，至位移發(fā)展的過(guò)程。

表2 層間抗剪強(qiáng)度正交試驗(yàn)及其結(jié)果Table 2 The test results and orthogonal test of the shearstrength between layers

圖1 典型層間剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 The typical shearing stress versus the displacement

第二個(gè)階段，豎向?qū)娱g剪應(yīng)力急劇下降。其原因是：當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，水泥混凝土板與瀝青鋪裝層發(fā)生相對(duì)滑移，層間界面的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力也隨之消失。此時(shí)，水泥混凝土板與瀝青鋪裝層層間結(jié)合力來(lái)自于界面間相對(duì)滑移而產(chǎn)生的摩擦力，表現(xiàn)為復(fù)合試件層間達(dá)到最大豎向剪應(yīng)力后發(fā)生破壞性失穩(wěn)性，豎向位移增加但豎向剪應(yīng)力卻不斷減小，最終降低到剩余強(qiáng)度。

第三個(gè)階段，豎向剪應(yīng)力克服水泥混凝土板與瀝青鋪裝層相對(duì)位移產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，位移的增加對(duì)豎向剪應(yīng)力的大小影響很小，層間只存在豎向運(yùn)動(dòng)，相互作用力逐漸趨向于零。

從剪應(yīng)力－位移圖發(fā)展過(guò)程可知，復(fù)合試件在發(fā)生剪切破壞的過(guò)程中，層間粘結(jié)力、水泥混凝土板表面與瀝青鋪裝層集料的機(jī)械咬合力和摩擦力依次發(fā)揮作用。復(fù)合試件層間界面尚未發(fā)生相對(duì)滑移前，層間粘結(jié)力起主導(dǎo)作用；層間界面開(kāi)始發(fā)生滑移但未到達(dá)剪切破壞前，機(jī)械咬合力起主導(dǎo)作用；位移繼續(xù)增加至層間發(fā)生剪切破壞后，摩擦力起主導(dǎo)作用。層間發(fā)生剪切破壞前，剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線(xiàn)發(fā)展緩慢，兩者由線(xiàn)性關(guān)系發(fā)展至非線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到層間剪切破壞時(shí)，與之相隨的是層間界面產(chǎn)生了明顯的大滑移。

3.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)結(jié)果按照正交試驗(yàn)法進(jìn)行直觀(guān)分析，比較4個(gè)因素對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響大小。該法具有簡(jiǎn)單、直觀(guān)和計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)為任意列上水平i時(shí)所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的平均值；R為其中i，j為對(duì)應(yīng)列上的水平號(hào)。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

以各因素水平作為橫坐標(biāo)，以層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)的平均值作為縱坐標(biāo)，作出各因素與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。

表3 層間抗剪強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Results analysis of orthogonal test of the shearstrength between layers

圖2 因素與指標(biāo)的趨勢(shì)Fig.2 The trend of factors and index

從表3和圖2中可以看出：

1）在所考慮的因素水平范圍內(nèi)，對(duì)于水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度，各個(gè)因素由大到小的影響順序?yàn)椋喊灞砻嫣幚鞤、鋪裝層級(jí)配A、碎石撒布量B和碎石粒徑C。即水泥混凝土板表面處理對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響最大，而同步碎石粒徑對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響最小。

2）AC－20級(jí)配上限對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響比其他3種級(jí)配的都大，是4種級(jí)配中集料偏細(xì)最多的。16.0mm以下的集料較多，易與9.5mm左右的同步碎石形成更緊密的相互嵌擠咬合，從而提高層間抗剪強(qiáng)度。

3）碎石撒布量8kg／m2、碎石粒徑9.5～13.2mm時(shí)的層間抗剪強(qiáng)度較碎石撒布量分別為7kg／m2和9kg／m2、碎石粒徑4.75～9.5mm的高。碎石撒布量過(guò)多（如：9kg／m2）或過(guò)少（如：7kg／m2）均會(huì)降低層間抗剪強(qiáng)度。粒徑9.5～13.2mm的碎石與AC－20瀝青鋪裝層和水泥混凝土板間的嵌擠作用更加明顯。鑿毛間距為4.0cm時(shí)與瀝青撒布量1.4kg／m2匹配良好。

4）因素A鋪裝層級(jí)配較好水平為A3級(jí)配AC－20上限，因素B碎石撒布量較好水平為B2撒布量8kg／m2，因素C碎石粒徑較好水平為C2粒徑9.5～13.2mm，因素D板表面處理較好水平為D1鑿毛間距4.0cm，最優(yōu)組合為A3B2C2D1。

4 結(jié)論

通過(guò)復(fù)合試件的直接剪切試驗(yàn)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)比分析了不同因素對(duì)復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度的影響大小。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）水泥混凝土板瀝青鋪裝層間剪切破壞的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段。在這3個(gè)階段中，層間粘結(jié)力、水泥混凝土板表面與瀝青鋪裝層集料的機(jī)械咬合力和摩擦力依次發(fā)揮作用。

2）對(duì)于水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度，各個(gè)因素由大到小的影響順序?yàn)椋航缑嫣幚鞤、瀝青鋪裝層級(jí)配A、碎石撒布量B和碎石粒徑C。

3）界面處理并不是越粗糙越好，界面粗糙度應(yīng)當(dāng)與相應(yīng)的最佳瀝青撒布量相匹配，才能取得較高的層間剪切強(qiáng)度。較小粒徑或較多細(xì)集料的連續(xù)密集配鋪裝層能與同步碎石、水泥板間形成更緊密的層間接觸狀態(tài)。當(dāng)鋪裝層級(jí)配為級(jí)配AC－20上限、碎石撒布量為撒布量8kg／m2、碎石粒徑為粒徑9.5～13.2mm及界面處理為鑿毛間距4.0cm時(shí)，層間粘結(jié)強(qiáng)度最高。

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［15］交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG E20－2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.（Research Institute of Highway Ministry of Transport.JTG E20－2011，Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering［S］.Beijing：China Communications Press，2011.（in Chinese））

［16］楊育生，李振霞，王選倉(cāng)，等.橋面鋪裝同步碎石防水粘結(jié)層的路用性能［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，29（6）：19－23，58.（YANG Yu－sheng，LI Zhen－xia，WANG Xuan－cang，et al.Road performance of synchronous crushed stone waterproof binding course of the bridge pavement［J］.Journal of Chang'an University：Natural Science Edition，2009，29（6）：19－23，58.（in Chinese））