瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響因素研究

王 鑫

(山西省公路局太原分局勘測(cè)設(shè)計(jì)所 太原市 030012)

瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響因素研究

王 鑫

(山西省公路局太原分局勘測(cè)設(shè)計(jì)所 太原市 030012)

針對(duì)瀝青路面層間抗剪問(wèn)題，開(kāi)展不同工況下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。研究得出：在使用粘結(jié)材料后，層間抗剪強(qiáng)度顯著提高，其中粘結(jié)材料為super PCR改性乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度最大，為1.473MPa；溫度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響較大，隨著溫度不斷升高，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度不斷降低，在溫度為60℃、粘結(jié)材料灑布量為0.5kg/m2的情況下，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度僅為0.255MPa，較20℃時(shí)下降了82.65%；油污的污染比砂性土對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的降低更為顯著，當(dāng)油污的灑布量為0.4kg/m2時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度為0.353MPa；通過(guò)對(duì)不同的路面結(jié)構(gòu)組合類型進(jìn)行剪切試驗(yàn)可以得出：AC-13+AC-20層間抗剪強(qiáng)度最大的組合為4cm+6cm。最后通過(guò)工程案例分析，總結(jié)出提高瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度的施工質(zhì)量控制措施。

瀝青路面；層間抗剪強(qiáng)度；粘結(jié)材料；污染程度

瀝青路面具有較好的平整度、耐磨、振動(dòng)小以及施工維修方便等特點(diǎn)逐漸成為我國(guó)高等級(jí)公路主要面層類型。瀝青路面為多層彈性體系，因此層間的抗剪強(qiáng)度對(duì)公路的耐久性、整體性都具有較大影響。特別是近年來(lái)交通量不斷上升，重載汽車增多，在陡坡路段和高溫天氣下，瀝青路面容易發(fā)生剪切破壞。如果瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度不足，瀝青路面將會(huì)發(fā)生擁包、滑移等破壞。

瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度對(duì)道路的使用壽命有極為重要的影響，若抗剪強(qiáng)度不足還容易造成擁包、推移等病害，因此對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響因素的研究顯得至關(guān)重要。有研究表明，我國(guó)大部分瀝青路面的破壞與層間粘結(jié)質(zhì)量有關(guān)[1]。在不同類型的瀝青混合料之間使用一定量的粘結(jié)材料，可以使瀝青面層形成穩(wěn)定的整體，提高其層間的抗剪強(qiáng)度[2]。瀝青材料對(duì)溫度比較敏感，因此溫度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度也具有一定影響。本文將就粘結(jié)材料、溫度、層間污染程度及路面結(jié)構(gòu)組合類型對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度的影響展開(kāi)室內(nèi)試驗(yàn)研究。

1 粘結(jié)材料對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

1.1 試驗(yàn)材料與試件制備

粘結(jié)材料對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響較大，為對(duì)比粘結(jié)材料對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)采用的粘結(jié)材料有SBR改性乳化瀝青、super PCR改性乳化瀝青、SBS改性瀝青和GMR溶劑型粘結(jié)劑，粘結(jié)材料用量均為0.5kg/m2。

本次試驗(yàn)采用AC-13與AC-20路面結(jié)構(gòu)組合，兩結(jié)構(gòu)層均為5cm。為真實(shí)模擬路面的實(shí)際情況，采用雙車轍板取芯的方法制作試件。首先在模具中成型下層結(jié)構(gòu)，自然情況下靜置24h后脫模，用油漆刷在已脫模的下層車轍板上均勻涂抹一定量的粘結(jié)材料，當(dāng)乳化瀝青完全破乳后，將其放入模具中制作上層。在試件成型后靜置24h，然后脫模鉆取試驗(yàn)所用的試件。

1.2 剪切試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

同一種路面結(jié)構(gòu)涂有4種不同的粘結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)見(jiàn)表1。

表1 不同粘結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度

將表1試驗(yàn)結(jié)果整理為柱狀圖，見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出在使用粘結(jié)材料后，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度都要大于未使用粘結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度，其中super PCR改性乳化瀝青提高層間抗剪強(qiáng)度最大，達(dá)到1.473MPa。由表1可以看出添加super PCR改性乳化瀝青的層間抗剪強(qiáng)度約是未使用粘結(jié)材料的2.17倍，其次是GMR溶劑型粘結(jié)劑，抗剪強(qiáng)度達(dá)到1.461MPa，是無(wú)粘結(jié)材料的2.15倍，而使用SBR改性乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度最小，為0.975MPa。

2 溫度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

2.1 試驗(yàn)材料與試件制備

瀝青材料對(duì)溫度較為敏感，因此不同溫度下層間抗剪強(qiáng)度也將不同[5]。為研究溫度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)采用20℃、40℃、60℃三個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度，選用super PCR改性乳化瀝青作為粘結(jié)材料，粘結(jié)材料用量分為0.3kg/m2、0.5kg/m2兩組。

試驗(yàn)試件在雙車轍板成型取芯后，放入烘箱內(nèi)，分別加熱至20℃、40℃、60℃，然后進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為MTS材料試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)室內(nèi)剪切試驗(yàn)，層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 粘結(jié)材料用量為0.3kg/m2時(shí)

表3 粘結(jié)材料用量為0.5kg/m2時(shí)

由表2、表3可以看出當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度不斷降低，并且隨著溫度升高，抗剪強(qiáng)度下降的越快?？辜魪?qiáng)度較20℃時(shí)不論粘結(jié)材料用量大小，其下降率均大于80%，因此溫度對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度的影響較大。

當(dāng)粘結(jié)材料用量為0.3kg/m2時(shí)，40℃與60℃的層間抗剪強(qiáng)度較20℃時(shí)下降率分別為80.31%和82.49%。當(dāng)粘結(jié)材料用量為0.5kg/m2時(shí)，試驗(yàn)溫度為40℃時(shí)抗剪強(qiáng)度較20℃時(shí)的下降率達(dá)到80.87%，當(dāng)試驗(yàn)溫度為60℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度下降率為82.56%。

對(duì)比表2、表3可以看出隨著粘結(jié)材料(super PCR改性乳化瀝青)用量的增加，當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度下降越快。

3 污染程度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

瀝青路面層間的污染程度將直接影響其抗剪強(qiáng)度。在路面鋪筑過(guò)程中，由于不同的路面結(jié)構(gòu)層在施工完成后有一定的間歇時(shí)間，此時(shí)會(huì)因天氣、行車、機(jī)械漏油等因素對(duì)路面造成一定污染，污染物主要是泥土和油污。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試件的制備與以上各試驗(yàn)相同，瀝青路面層間粘結(jié)材料選用super PCR改性乳化瀝青，用量為0.5kg/m2。泥土選用研磨細(xì)的砂性土，油污選用普通柴油，污染物的灑布量設(shè)為0.1kg/m2、0.2kg/m2、0.3kg/m2、0.4kg/m2四組。試驗(yàn)溫度為20℃，豎向應(yīng)力設(shè)為0.35MPa。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，不同污染程度的層間抗剪強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4 不同污染程度的層間抗剪強(qiáng)度

將表4試驗(yàn)結(jié)果整理為散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖2。

通過(guò)表4、圖2可以看出污染物為砂性土的抗剪強(qiáng)度大于污染物為油污的。當(dāng)污染物灑布量為0.4kg/m2時(shí)，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最小，砂性土為0.728MPa；污染物為油污的層間抗剪強(qiáng)度為0.353MPa。

隨著污染物的增多，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度也不斷降低。污染物為油污的抗剪強(qiáng)度下降速率要大于砂性土，當(dāng)污染物灑布量為0.1kg/m2時(shí)，污染物為砂性土的層間抗剪強(qiáng)度下降率為10.89%，而油污的層間抗剪強(qiáng)度下降率達(dá)到了26.56%。最終污染物灑布量為0.4kg/m2時(shí)，油污的抗剪強(qiáng)度下降率為56.79%，也大于砂性土的49.94%。當(dāng)油污的灑布量為0.2kg/m2時(shí)，其層間抗剪強(qiáng)度相當(dāng)于砂性土灑布量為0.4kg/m2時(shí)的層間抗剪強(qiáng)度。

由試驗(yàn)結(jié)果分析：當(dāng)污染物為砂性土?xí)r，砂土顆粒阻礙了粘結(jié)材料粘結(jié)瀝青面層，減少了上下兩層的接觸面積，并且在剪切試驗(yàn)時(shí)，由于砂性土的存在，使得層間的靜摩擦變成滑動(dòng)摩擦；實(shí)際施工時(shí)的油污多為柴油或機(jī)油，柴油具有與瀝青材料相同的烷烴和環(huán)烷烴[6]，因此柴油對(duì)瀝青具有較高的溶解力和滲透力，當(dāng)污染物為柴油時(shí)，柴油會(huì)滲入粘結(jié)材料，使得粘結(jié)材料中油分含量增多，降低粘結(jié)材料的粘性，從而降低瀝青路面層間的抗剪強(qiáng)度。

4 路面結(jié)構(gòu)組合的影響

瀝青路面是層狀體系，因此在設(shè)計(jì)與施工時(shí)路面結(jié)構(gòu)組合多種多樣，路面結(jié)構(gòu)組合的不同對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響存在一定差異。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)采用AC-13混合料與AC-20混合料，厚度設(shè)計(jì)為5cm+5cm、4cm+6cm、3cm+7cm三種組合，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，并進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試件成型及試驗(yàn)過(guò)程與以上各試驗(yàn)相同。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同結(jié)構(gòu)組合的抗剪強(qiáng)度，見(jiàn)表5。

表5 不同結(jié)構(gòu)組合的層間抗剪強(qiáng)度

通過(guò)表5的結(jié)果可以看出在其他條件相同的情況下路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響較大，第二種結(jié)構(gòu)組合類型的層間抗剪強(qiáng)度最大，為0.757MPa。第一種結(jié)構(gòu)組合類型安全系數(shù)與層間抗剪強(qiáng)度都較小，分別為2.6、0.581MPa，層間抗剪強(qiáng)度是第二種類型的76.75%。

5 工程案例分析

5.1 工程概況

本次試驗(yàn)選用山西省某一級(jí)公路K4+560～K5+060路段，該公路面層采用7cm的AC-20與5cm的SMA-16，粘結(jié)材料選用SBR改性乳化瀝青，灑布量為0.5kg/m2。在該試驗(yàn)路段投入使用一年后路面未出現(xiàn)擁包、推移等破壞現(xiàn)象。

5.2 施工質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)該試驗(yàn)路段隨機(jī)鉆取3個(gè)試樣進(jìn)行室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 鉆芯取樣試驗(yàn)結(jié)果

由表6結(jié)果可以看出該路段在投入使用后依舊保持了較高的抗剪強(qiáng)度，因此可以針對(duì)本文所討論的層間抗剪強(qiáng)度影響因素提出幾點(diǎn)質(zhì)量控制措施。

5.3 質(zhì)量控制措施

(1)根據(jù)路面面層結(jié)構(gòu)合理選擇粘結(jié)材料。根據(jù)本次試驗(yàn)可以看出在使用粘結(jié)材料后瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度顯著提高，其中GMR溶劑型粘結(jié)劑效果最好。但是在實(shí)際使用中GMR溶劑型粘結(jié)劑價(jià)格較高，需要專業(yè)的設(shè)備施工，因此使用較少。SBS改性瀝青與SBR改性乳化瀝青效果也很好，相對(duì)性價(jià)比較高。

(2)施工過(guò)程中控制施工溫度。溫度較高的情況下會(huì)降低粘結(jié)材料的粘結(jié)性能，因此在鋪撒粘結(jié)材料后應(yīng)等待粘結(jié)材料降至適當(dāng)溫度，待粘結(jié)材料充分發(fā)揮粘結(jié)性能時(shí)再攤鋪上面層。

(3)施工過(guò)程中保證瀝青路面層間清潔程度。在鋪撒粘結(jié)材料前應(yīng)清掃一下結(jié)構(gòu)層，污染嚴(yán)重的部位應(yīng)采用鋼刷和水沖的方式徹底清除污染物。在鋪撒粘結(jié)材料后應(yīng)盡快攤鋪上一層面層，避免因施工養(yǎng)護(hù)期造成粘結(jié)材料的污染。同時(shí)對(duì)攤鋪機(jī)車輪進(jìn)行沖洗避免造成二次污染。

(4)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇路面結(jié)構(gòu)組合類型。在實(shí)際工程中應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，確定各層混合料級(jí)配與路面結(jié)構(gòu)組合類型。在方案設(shè)計(jì)中，下面層應(yīng)略小于上層厚度，這樣可以保證下層結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度以保證層間的粘結(jié)性能。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本文采用了SBR改性乳化瀝青、super PCR改性乳化瀝青、SBS改性瀝青和GMR溶劑型粘結(jié)劑四種瀝青路面層粘結(jié)材料，通過(guò)剪切試驗(yàn)可以得出super PCR改性乳化瀝青的粘結(jié)性能最好，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到1.473MPa，大約是未使用粘結(jié)材料的2.12倍。

(2)在其他條件相同的情況下，溫度對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響較大，溫度不斷升高時(shí)，抗剪強(qiáng)度不斷減小。當(dāng)溫度為60℃、粘結(jié)材料灑布量為0.5kg/m2時(shí)，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度僅為0.255MPa，較20℃時(shí)下降了82.65%。

(3)當(dāng)瀝青路面層間粘結(jié)材料受到污染時(shí)，其層間抗剪強(qiáng)度也會(huì)不斷降低。油污的污染對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響較砂性土更為顯著，當(dāng)油污灑布量為0.4kg/m2時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度最小，僅為0.353MPa，較無(wú)污染時(shí)下降了56.79%。

(4)通過(guò)對(duì)不同類型的路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，可以得出路面結(jié)構(gòu)組合類型對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響較大，并且得到AC-13與AC-20的組合為4cm+6cm時(shí)層間抗剪強(qiáng)度較為理想。

(5)通過(guò)工程案例分析與鉆芯取樣檢測(cè)，可以總結(jié)出提高瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度的工程質(zhì)量控制措施，對(duì)提高瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度提供一定指導(dǎo)意義。

[1] 劉麗.瀝青路面層間處治技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

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[3] 韋剛，楊文軍，戰(zhàn)琦琦，等.加鋪層防裂材料使用效果影響參數(shù)的灰熵分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,29(2)：207-210.

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Experimental study on the Influence Factors of Shear Strength between Layers of Asphalt Pavement

WANGXin

(Survey Design Institute of Shanxi Provincial Highway Taiyuan Branch, Taiyuan 030012, China)

Aimed to the inter-layer shear resistance problem of asphalt pavement, the paper conducted a serial of shear strength test under different working conditions. The results shows that: After the use of bondingmaterial, the shear strength between structural layers increased significantly，and the shear strength of the adhesive material for super PCR modified emulsified asphalt is the biggest -1.473MPa；Temperature has great influence on the shear strength between layers, and the shear strength of asphalt pavement decreases with the increasing of temperature.When the temperature is 60℃ and the amount of the bonding material is 0.5kg/m2, the inter-layer shear strength of asphalt pavement is only 0.255MPa, which is 82.65% lower than that of 20℃；The pollution of oil pollution is more significant than the decrease of the inter-layer shear strength of sandy soil.When the amount of the oil spill is 0.4kg/m2, the shear strength of the layer is 0.353MPa. Through the shear test of different types of pavement structure, it can be concluded thatthe maximum shear strength of the AC-13+AC-20 layer is the combination of 4cm+6cm.Finally, through the engineering case analysis, the paper summed up the construction quality control measures to improve the shear strength of the asphalt pavement layer.

Asphalt pavement；Inter-layer shear strength；Bonding material；Degree of pollution

1673-6052(2016)11-0042-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.012

U416.01

A