瀝青路面層間剪切強(qiáng)度主要影響因素研究

吳 波

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

瀝青路面層間剪切強(qiáng)度主要影響因素研究

吳 波

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

保證瀝青層層間具有足夠的剪切強(qiáng)度是保證瀝青路面具有良好整體性的根本措施?；?種粘層油(SS — 1h，CRS — 1，Trackless)，擬定3種粘層油用量、2種路表清潔狀態(tài)和2個(gè)正壓力水平，闡述了采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型兩層(下層AC — 16、上層AC — 13)試件的方法。采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試件的層間剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度25 ℃。結(jié)果表明：壓力為0時(shí)，路表污染時(shí)層間剪切強(qiáng)度均小于路表清潔狀態(tài)；正壓力為0.14 MPa時(shí)，相反。隨著正壓力的增大，瀝青層間剪切強(qiáng)度增大，且在路表受污染狀態(tài)時(shí)正壓力對(duì)瀝青層間剪切強(qiáng)度的影響較路表清潔狀態(tài)更為顯著。在0.15～0.70 L/m2粘層油用量范圍，隨著粘層油用量的增加瀝青層層間剪切強(qiáng)度單調(diào)遞增，且粘層油灑布量為0.70 L/m2時(shí)瀝青層層間剪切強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著大于0.15 L/m2。不同粘層油種類層間剪切強(qiáng)度大小順序?yàn)門rackless>SS — 1h>CRS — 1，且Trackless粘層油瀝青層層間剪切強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著大于CRS — 1。

瀝青路面；層間剪切強(qiáng)度；粘層油類型；粘層油用量；清潔度

0 引言

瀝青路面在車輛轉(zhuǎn)向、起步和制動(dòng)等過程均會(huì)在瀝青層間產(chǎn)生一定的剪切作用[1]，尤其是在坡道路段車輛剪切作用力增大，因而保證瀝青層間有足夠的剪切強(qiáng)度，足夠的粘結(jié)力，使得多層瀝青層成為一個(gè)整體(完全連續(xù)層狀)至關(guān)重要，也符合我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算理論(多層連續(xù)層狀體系)[2]。新建瀝青路面施工過程、水泥混凝土路面提質(zhì)改造或?yàn)r青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)加鋪罩面之前，需噴灑粘層油，以保證上、下層間粘附完好[3]。但關(guān)于粘層油瀝青種類、瀝青用量、質(zhì)量評(píng)估等較完備的指導(dǎo)性或規(guī)范性文件較少，導(dǎo)致目前粘層油的設(shè)計(jì)、施工則主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)、參考現(xiàn)有工程實(shí)例或?qū)＜彝扑]等方式。大多數(shù)施工規(guī)范和指南僅推薦一個(gè)適用范圍[4]，需要施工單位自己去確定一個(gè)具體目標(biāo)值。甚至沒有用于施工階段檢測(cè)粘層油質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，從而導(dǎo)致粘層油路用性能較差，加速路面早期破壞，形勢(shì)嚴(yán)峻。

加之影響瀝青層間剪切強(qiáng)度的因素較多[5-8]，故明確主要因素對(duì)其影響狀態(tài)至關(guān)重要，如路表污染狀態(tài)、路表干燥或浸水、粘層油種類及粘層油灑布量等因素。選取3種粘層油(SS — 1h，CRS — 1，Trackless)，擬定3種粘層油用量、2種路表清潔狀態(tài)和2個(gè)正壓力水平，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型兩層(下層AC — 16、上層AC — 13)試件。在25 ℃試驗(yàn)溫度下，采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)和自制的夾具對(duì)試件的層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。確定各因素對(duì)粘層油質(zhì)量的影響情況，為類似研究提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

選擇3種粘層油， SS — 1h為慢凝型陰離子乳化瀝青(1表示粘度低，h表示瀝青較稠)；CRS — 1為快凝型改性陽離子乳化瀝青，蒸發(fā)殘留物比例為51.3%；Trackless是基于硬質(zhì)瀝青生產(chǎn)的改性乳化瀝青，破乳速度11 min，在小于60 ℃溫度條件下，改性劑與瀝青形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，吸附并封鎖瀝青中輕質(zhì)組分，降低高溫敏感性，降低瀝青與輪胎的粘附性，不粘車輪；在大于120 ℃溫度條件下，改性劑被上層熱瀝青混合料高溫軟化，恢復(fù)瀝青的粘結(jié)性，溫度降低至常溫后，改性劑重新形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有效提高瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度。

粘層油正壓力是為了模擬層間界面摩擦力的作用，設(shè)定0和0.14 MPa 2個(gè)正應(yīng)力水平。測(cè)量溫度25 ℃，試驗(yàn)前，試件及夾具在試驗(yàn)溫度下恒溫不低于5 h。每組平行3次試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)影響因素設(shè)計(jì)

1.2 試件成型

試件的成型過程為下層試件的制備；試件的切割及干燥；路表清潔度條件模擬；粘層油的撒布+上層瀝青壓實(shí)過程。

下層試件制備：基于AC — 16SBS改性瀝青混合料，采用馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳油石比(4.1%)，利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(SGC)成型150 mm×150 mm的柱型試件。用切割機(jī)將試件一切為二(2個(gè)75 mm×150 mm的柱型試件)。

試件的切割及干燥：用切割機(jī)將試件一切為二，分為2個(gè)75 mm×150 mm的柱型試件。因切割過程需要灑水，所有瀝青混凝土切割后置于風(fēng)扇前風(fēng)干24 h以上。

表面受污染條件模擬：采用粉質(zhì)粘土均勻撒于試件未切割端表面，用于模擬瀝青路面受塵土污染狀況，粉質(zhì)粘土滿布率90%左右。

粘層油的撒布+上層瀝青壓實(shí)過程：按照設(shè)計(jì)粘層油用量，將粘層油均勻噴灑到試件的未切端。上層瀝青層均采用AC — 13SBS改性瀝青混合料，混合料最佳油石比4.4%，將噴灑粘層油后的試件置于25 ℃環(huán)境箱4 h，以模擬施工現(xiàn)場(chǎng)粘層油撒布后的待鋪過程，放入SGC試筒，撒布粘層油面朝上，稱量一定量(壓實(shí)后上下兩層總厚度150 mm)的AC — 13混合料倒入壓實(shí)筒中，AC — 13瀝青混合料溫度為165～170 ℃旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次。待溫度降至室溫后脫模，即制得層間剪切強(qiáng)度檢測(cè)試件。

2 層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方法

層間剪切強(qiáng)度測(cè)定儀器為MTS試驗(yàn)儀，夾具為自制夾具，能夠保證試件剪切過程無轉(zhuǎn)動(dòng)滑移。由環(huán)境箱取出試件后及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程不超過3 min。沿試件豎直方向施加正應(yīng)力P，沿水平方向施加水平荷載F，剪切速率為50 mm/ min[9,10]，直到達(dá)到最大水平荷載Fmax。采用式(1)計(jì)算層間剪切強(qiáng)度PS。

(1)

式中:PS為層間剪切強(qiáng)度，MPa；Fmax為施加的最大荷載，N；d為柱形試件直徑， mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于新建瀝青路面，選用SS — 1h、CRS — 1、Trackless粘層油，分別進(jìn)行正壓力為0和0.14 MPa的層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度25 ℃。層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 路表清潔度與層間剪切強(qiáng)度

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 路表清潔度的影響

以路表清潔層間剪切強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，以路表受污染層間剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，分別繪制正壓力為0和正壓力為0.14 MPa時(shí)瀝青層層間剪切強(qiáng)度散點(diǎn)圖，如圖1、圖2。圖中的斜線為45°控制線，散點(diǎn)在控制線上方，表明路表受污染層間剪切強(qiáng)度大于路表清潔狀態(tài)；反之，則路表清潔層間剪切強(qiáng)度大于路表受污染。

圖1 路表污染與清潔狀態(tài)瀝青層層間剪切強(qiáng)度(正壓力為0)

圖2 路表污染與清潔狀態(tài)瀝青層層間剪切強(qiáng)度(正壓力為0.14 MPa)

由圖1知，壓力為0時(shí)，3種粘層油不同用量的9組層間剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)均在45°控制線下方，表明路表污染時(shí)瀝青層層間剪切強(qiáng)度均小于路表清潔狀態(tài)。由圖2知，正壓力為0.14 MPa時(shí)，3種粘層油表面污染時(shí)瀝青層層間剪切強(qiáng)度均大于表面清潔狀態(tài)。原因可能是因?yàn)槲廴疚?粉質(zhì)粘土)充當(dāng)了部分填料的功能，污染物(粉質(zhì)粘土)與粘層油共混后能夠形成粘度較高的瀝青瑪蹄脂，提高粘層油的粘度，使得瀝青層層間抗滑移能力增強(qiáng)，層間剪切強(qiáng)度增大。

圖1和圖2知，隨著瀝青層層間剪切強(qiáng)度的增大，圖中點(diǎn)位偏離45°控制線越遠(yuǎn)。表明路表清潔狀態(tài)隨著層間剪切強(qiáng)度的增大，對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響越顯著。這種趨勢(shì)在正壓力為0.14 MPa時(shí)更為明顯。

3.2 正壓力的影響

以正壓力為0層間剪切強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，以正壓力為0.14 MPa層間剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，分別繪制路表清潔和受污染狀態(tài)時(shí)瀝青層層間剪切強(qiáng)度散點(diǎn)圖，如圖3、圖4。

圖3 正壓力為0與0.14 MPa層間剪切強(qiáng)度(路表清潔)

圖4 正壓力為0與0.14 MPa層間剪切強(qiáng)度(路表受污染)

圖3、圖4中的斜線為45°控制線，若散點(diǎn)在控制線上方，表明正壓力為0.14 MPa層間剪切強(qiáng)度大于正壓力為0的；反之，則正壓力為0層間剪切強(qiáng)度大于正壓力為0.14 MPa的。

圖3、圖4中層間剪切強(qiáng)度點(diǎn)位均在45°控制線上方，表明相對(duì)比路表清潔狀態(tài)，正壓力對(duì)瀝青層間剪切強(qiáng)度的影響處于主導(dǎo)地位，路表清潔和路表受污染狀態(tài)下，正壓力為0.14 MPa的層間剪切強(qiáng)度均大于正壓力為0的。正壓力由0增加至0.14 MPa，路表清潔狀態(tài)時(shí)瀝青層間剪切強(qiáng)度增大30.1%，路表受污染狀態(tài)時(shí)瀝青層間剪切強(qiáng)度增大126.2%。表明隨著正壓力的增大，瀝青層間剪切強(qiáng)度增大，且在路表受污染狀態(tài)時(shí)正壓力對(duì)瀝青層間剪切強(qiáng)度的影響較路表清潔狀態(tài)更為顯著。

隨著瀝青層層間剪切強(qiáng)度越大，圖3和圖4中剪切強(qiáng)度點(diǎn)位偏離45°控制線越遠(yuǎn)。表明正壓力的大小隨著層間剪切強(qiáng)度的增大，對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響越顯著，且在路表受污染狀態(tài)時(shí)該趨勢(shì)更為顯著。

3.3 粘層油灑布量的影響

將表2中層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果繪制柱形圖，以直觀地對(duì)比層間剪切強(qiáng)度的大小，見圖5、圖6。

圖5 正壓力為0時(shí)路表清潔度與層間剪切強(qiáng)度

圖6 正壓力為0.14 MPa時(shí)路表清潔度與層間剪切強(qiáng)度

圖5、圖6知，正壓力為0和正壓力為0.14 MPa時(shí)，隨著粘層油灑布量的增大，瀝青層層間剪切強(qiáng)度均呈單調(diào)增大趨勢(shì)。對(duì)了對(duì)比瀝青層層間剪切強(qiáng)度隨粘層油灑布量增加的增長(zhǎng)速率，特將剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)率定義為粘層油灑布量每增加1 L/m2，瀝青層層間剪切強(qiáng)度增量。按式(2)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

(2)

式中，PZ為瀝青層層間剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)率， MPa/(L·m-2)；Lmax為較大的粘層油灑布量，L/m2；Lmin為較小的粘層油灑布量，L/m2；Pmax為粘層油用量Lmax對(duì)應(yīng)的瀝青層層間剪切強(qiáng)度， MPa；Pmin為粘層油用量Lmin對(duì)應(yīng)的瀝青層層間剪切強(qiáng)度， MPa。

由表3知，3種粘層油在2個(gè)正壓力水平，隨著粘層油灑布量的增大，路表清潔狀態(tài)的層間剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速率均大于路表受污染狀態(tài)。粘層油灑布量由0.15 L/m2增至0.30 L/m2時(shí)，剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速率Trackless>CRS — 1>SS — 1h；粘層油灑布量由0.30 L/m2增至0.70 L/m2時(shí)，剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速率SS — 1h> Trackless>CRS — 1。表明在不同的粘層油灑布量范圍，采用不同種類粘層油的瀝青層層間剪切強(qiáng)度對(duì)灑布量的敏感性不同。但我國(guó)工程粘層油用量一般大于0.30 L/m2，如文獻(xiàn)[11]為0.4～0.45 kg/m2，文獻(xiàn)[12]為0.3～0.6 L/m2等。故針對(duì)0.30～0.70 L/m2粘層油灑布量范圍，SS — 1h剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速率最大，灑布量增加能夠較大幅度提高層間剪切強(qiáng)度，在條件允許的情況下可以適量多撒；但CRS — 1在此用量范圍剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)速率小，多撒對(duì)層間剪切強(qiáng)度影響小，其灑布量以滿足層間設(shè)計(jì)剪切強(qiáng)度為宜。

表3 瀝青層層間剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)率 %

由表2及圖5、圖6知，隨著粘層油用量的增加瀝青層層間剪切強(qiáng)度呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，但增加的幅度卻大小不一，該趨勢(shì)也可從表3中發(fā)現(xiàn)。故為能夠檢測(cè)在本文所涉及的3各粘層油用量水平中，粘層油用量變化是否會(huì)造成瀝青層層間剪切強(qiáng)度的在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義線顯著增大，特采用單因素方差分析Tukey (HSD)方法[13]，檢驗(yàn)水平α= 0.05。檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，不同粘層油用量水平下層間剪切強(qiáng)度均值大小順序?yàn)?.70 L/m2>0.30 L/m2>0.15 L/m2，該趨勢(shì)同圖5和圖6的趨勢(shì)一致，但3個(gè)粘層油用量水平層間剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差大小順序同均值大小順序一致，標(biāo)準(zhǔn)差大表明易出現(xiàn)質(zhì)量薄弱區(qū)。同類子集分組表明0.15 L/m2和0.30 L/m2為A組，0.30 L/m2和0.70 L/m2為B組，同組的顯著性P均大于0.05，表明同組內(nèi)層間剪切強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不存在顯著差異。故0.15 L/m2和0.30 L/m2，0.30 L/m2和0.70 L/m2之間不存在顯著差異；但是0.15 L/m2和0.70 L/m2未劃分到同組表明其存在顯著差異，0.7 L/m2時(shí)的均值為37.89 MPa，其值顯著大于0.15 L/m2的層間剪切強(qiáng)度。

3.4 粘層油種類的影響

由圖5、圖6柱形圖可知，從柱形的高低可以認(rèn)為層間剪切強(qiáng)度大小順序大概為Trackless>SS — 1h>CRS — 1。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用不同粘層油的瀝青層層間剪切強(qiáng)度存在波動(dòng)，故為了較系統(tǒng)的探討不同類型的粘層油是否會(huì)導(dǎo)致瀝青層層間剪切強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在顯著差異，特采用單因素方差分析Tukey(HSD)方法，檢驗(yàn)水平α= 0.05。檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同類型的粘層油層間剪切強(qiáng)度Tukey分析

由表5知，層間剪切強(qiáng)度均值大小順序?yàn)門rackless>SS — 1h>CRS — 1，該趨勢(shì)同圖5和圖6的趨勢(shì)一致，但3類粘層油的標(biāo)準(zhǔn)差大小順序卻同樣為Trackless>SS — 1h>CRS — 1。同類子集分組表明CRS — 1和SS — 1h為A組，SS — 1h和Trackless為B組。故Trackless和SS — 1h，CRS — 1和SS — 1h之間不存在顯著差異；但是Trackless和CRS — 1未劃分到同組表明其存在顯著差異，Trackless時(shí)的均值為45.06 MPa，CRS — 1時(shí)的均值為14.84 MPa，采用Trackless粘層油瀝青層層間剪切強(qiáng)度顯著大于CRS — 1。

4 結(jié)論

1) 壓力為0時(shí)，路表污染時(shí)層間剪切強(qiáng)度均小于路表清潔狀態(tài)；正壓力為0.14 MPa時(shí)，表面污染時(shí)層間剪切強(qiáng)度大都大于表面清潔狀態(tài)，原因可能是因?yàn)槲廴疚?粉質(zhì)粘土)與粘層油共混后能夠形成粘度較高的瀝青瑪蹄脂，提高瀝青層層間剪切強(qiáng)度。

2) 在0～0.14 MPa正壓力范圍，隨著正壓力的增大，瀝青層間剪切強(qiáng)度增大，且在路表受污染狀態(tài)時(shí)正壓力對(duì)瀝青層間剪切強(qiáng)度的影響較路表清潔狀態(tài)更為顯著。

3) 在0.15～0.70 L/m2粘層油用量范圍，隨著粘層油用量的增加瀝青層層間剪切強(qiáng)度呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，且粘層油灑布量為0.70 L/m2時(shí)瀝青層層間剪切強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著大于0.15 L/m2。

4) 不同粘層油種類層間剪切強(qiáng)度大小順序?yàn)門rackless>SS — 1h>CRS — 1，且Trackless粘層油瀝青層層間剪切強(qiáng)度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著大于CRS — 1。

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