植石混凝土橋面瀝青鋪裝層間抗剪性能研究

任萬艷, 韓 森, 李 俊, 劉亞敏(.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 70064；.交通運輸部公路科學研究院 道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室， 北京 00088)

植石技術是基于嵌入集料工藝的水泥混凝土表面紋理處理新工藝，它要求在已經(jīng)攤鋪、振搗、整平完畢的新澆水泥混凝土面層上，均勻撒布一層滿足一定級配要求的石料，并壓入至一定深度，從而改善水泥混凝土表面紋理.這種技術起源于比利時，在美國、英國和法國也有應用，但由于集料撒布均勻性問題，并未得到廣泛的推廣應用[1-3].國內(nèi)外對植石技術的最初設想是用于水泥混凝土路面表面紋理處理，后來由韓森等[4-5]提出應用于水泥混凝土橋面鋪裝.

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構由于層間不穩(wěn)定而造成的推移、擁包等病害在橋面鋪裝病害中占據(jù)相當大的比例，將植石技術應用于水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構時，能取得良好的抗推移效果，提高鋪裝結構層間穩(wěn)定性，從而改善橋面鋪裝的層間抗剪性能.

關于水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構已經(jīng)開展了較多的研究.李云良等[6]采用有限元方法對其力學行為進行分析，為橋面鋪裝材料的選擇和結構設計提供理論參考；胡世敬等[7]研究了界面處治方式對CC+AC復合式路面界面層強度的影響；何德云等[8]、許濤等[9]、于新等[10]分別采用室內(nèi)試驗、有限元、灰靶理論等方法，分析了鋪裝層材料設計參數(shù)對鋪裝層受力狀態(tài)的影響及其變化規(guī)律；紀小平等[11]、陳仕周等[12]、王乾等[13]采用數(shù)據(jù)采集、有限元模擬等方法，建立了橋面鋪裝層溫度場預估模型或經(jīng)驗公式；紀倫等[14]采用剪切試驗，分析了橋面鋪裝在不同膠結材料灑布量下剪應力和剪應變的變化規(guī)律；徐鷗明等[15-16]研究了露石混凝土橋面瀝青鋪裝結構層間抗剪強度隨正應力的變化情況，以及防水層對露石混凝土橋面瀝青鋪裝結構層間抗剪強度的影響；羅敏[17]通過室內(nèi)試驗研究了不同鋪裝層結構類型、防水材料類型及用量等因素對水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構層間抗剪性能的影響規(guī)律，并從工程造價角度分析了露石技術的經(jīng)濟效益.

目前國內(nèi)外關于植石技術在水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構中的應用研究開展較少，也未開展與其他界面類型水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構層間抗剪性能的對比研究.本文對比分析了豎向荷載、溫度、水以及凍融循環(huán)對不同界面類型試件層間抗剪性能的影響，并針對植石水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構，分析了瀝青鋪裝層類型對其層間抗剪性能的影響.

1 試驗方案

任萬艷等[18]通過研究認為：采用單粒級13.2～16.0mm的輝綠巖石料，撒布面積80%，壓入深度比(石料壓入深度與初始高度的比值)0.2是最佳的植石參數(shù)組合，并推薦SBR改性乳化瀝青防水粘層油最佳用量為0.9L·m-2.本文進行植石水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構層間抗剪性能研究時，亦采用上述植石參數(shù)組合和防水粘層油用量.室內(nèi)植入石料時采用平板振動器施加荷載，待石料振壓至預設深度即停止.

采用直剪試驗進行橋面鋪裝試件層間抗剪性能的研究，所用試件為模擬鋪裝結構狀況的復合圓柱體試件，直徑10cm，高10cm.成型時，首先制備植石(chip-sprinkling)、刻槽(grooved)、毛面(rough)和光面(smooth)4種界面類型的水泥混凝土面板試件，尺寸為30cm×30cm×5cm，并放在標準養(yǎng)生室中養(yǎng)生28d；養(yǎng)生完畢后，在其上灑布SBR改性乳化瀝青防水粘層油，待破乳后，成型“5cm水泥混凝土面板+粘層油+5cm瀝青鋪裝”的復合板；最后在成型的復合板上鉆取直徑為10cm的圓柱體試件.植石、刻槽、毛面、光面4種界面類型的水泥混凝土板構造深度分別為2.20，0.80，1.62，0.30mm，其中刻槽參數(shù)為：槽寬5mm，槽深2mm，槽間距20mm.

直剪試驗方案具體如下：

(1)豎向荷載選取3個水平：0，0.7，1.4MPa；基于摩爾庫倫理論，回歸抗剪強度公式，分析植石、刻槽、毛面和光面4種界面類型試件的內(nèi)摩阻角和黏聚力的差異，并對比分析這些試件在0.7MPa豎向荷載條件下層間剪應力與剪切位移之間的關系.本研究中的加載速率均采用20mm/min.

(2)選取溫度和水2種環(huán)境條件，其中溫度選取3個水平：5，25，60℃，用來表征水泥混凝土橋面鋪裝的低溫、常溫和高溫工作環(huán)境；水選取2種作用方式：浸水48h和未浸水，分析水分侵入對橋面鋪裝結構層間抗剪性能的影響.

(3)定義“-5℃冷凍放置16h+60℃水浴環(huán)境下放置8h”為1次凍融循環(huán)，分別測試經(jīng)歷3次、6次、9次凍融循環(huán)后不同界面類型試件的抗剪強度，分析橋面鋪裝結構層間抗剪性能在“溫度+水”凍融循環(huán)作用下的耐久性.

(4)針對植石界面類型試件，選取3種瀝青鋪裝層，包括AC-13C，AC-20C和SMA-13，分析瀝青鋪裝層類型對其層間抗剪性能的影響.

2 試驗結果與分析

2.1 豎向荷載對不同界面類型試件層間抗剪性能影響

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構由水泥混凝土橋面板、防水粘結層與瀝青鋪裝層組成，其抗剪強度主要由兩部分組成：防水粘結層本身或者瀝青鋪裝層與水泥混凝土橋面板之間的黏結力，以及橋面板表面紋理與瀝青鋪裝層的嵌擠作用提供的摩阻力.在不同的豎向荷載作用下，橋面鋪裝結構的力學特性也不同.在0，0.7，1.4MPa豎向荷載條件下，不同界面類型試件的剪切試驗結果如圖1所示.

圖1 不同界面類型試件豎向荷載與極限抗剪強度關系Fig.1 Relationship between vertical load and ultimate shear strength for specimens with different interface types

由圖1可知，隨著豎向荷載的增大，不同界面類型試件的極限抗剪強度均隨之增大；與另外3種界面類型試件相比，植石界面類型試件的層間極限抗剪強度較大.此外，圖1中的層間極限抗剪強度與豎向荷載近似呈線性關系.根據(jù)摩爾庫倫理論，對不同界面類型橋面鋪裝層間極限抗剪強度與豎向荷載關系進行線性回歸，回歸結果如表1所示，其中τmax為層間極限抗剪強度，σz為豎向荷載.

表1 極限抗剪強度與豎向荷載線性回歸結果Table 1 Linear regression results of ultimate shear strength with vertical load

由表1中摩爾庫倫公式的回歸結果可知，植石、刻槽、毛面與光面4種界面類型試件的層間黏結力分別為0.875，0.776，0.697，0.544MPa，這主要與試件的界面類型和粘層油最佳用量有關.此外4種界面類型試件的內(nèi)摩阻角分別為37.4°，23.4°，21.7°，13.8°，植石界面類型試件的內(nèi)摩阻角要遠大于另外3種界面類型試件，表明植石技術應用于橋面鋪裝時，層間粗糙的表面紋理對提高鋪裝結構層間內(nèi)摩阻力有利.

2.2 界面類型對層間抗剪性能的影響

水泥混凝土橋面板的表面紋理不同，能夠提供的摩阻力也不同.由圖1可見，在0.7MPa豎向荷載下，植石、刻槽、毛面和光面4種界面類型試件的極限抗剪強度分別為1.144，0.918，0.854，0.674MPa.即4種界面類型試件的極限抗剪強度大小依次為：植石> 刻槽>毛面>光面，植石界面類型試件的層間極限抗剪強度較之光面界面類型試件提高了0.470MPa， 提高幅度近69.7%，較刻槽界面類型試件提高0.226MPa，提高幅度為24.6%.試件層間抗剪強度是由層間摩阻力與黏結力共同提供的，在層間黏結力保持相對一致的情況下，層間摩阻力大小是影響橋面鋪裝層間抗剪強度的主要因素，而植石界面類型試件層間的表面紋理深度相對較深，表面外露的石料與瀝青鋪裝層混合料相互嵌擠，可提供較大的層間摩阻力，因此其極限抗剪強度最大.

為了分析橋面鋪裝試件發(fā)生剪切破壞之后剪應力的衰減規(guī)律，本文根據(jù)測試結果繪制了不同界面類型試件剪應力與剪切位移關系的曲線圖，見圖2.

由圖2可知，在同一加載速率下，4種界面類型試件剪切應力隨剪切位移變化的趨勢呈現(xiàn)3個階段：緩慢增長、近似線性增長和下降.但不同界面類型試件剪應力達到最大值后的下降趨勢不盡相同.對于植石界面類型試件，其剪應力達到峰值后的下降比較緩慢，且降至某一固定值后即幾乎保持穩(wěn)定，這一固定值可以稱為殘余抗剪強度.植石界面類型試件殘余抗剪強度保持在0.8MPa左右，幾乎為其層間極限抗剪強度的80%，這說明植石界面類型試件不會因為發(fā)生剪切破壞而喪失層間抗剪能力，剪切滑移后仍然能夠承受一定的剪切作用，從而延長了橋面鋪裝的使用壽命.殘余抗剪強度體現(xiàn)出植石界面類型試件具有良好的抗剪耐久性.

圖2 不同界面類型試件剪應力與剪切位移的關系Fig.2 Relationship between shear stress and shear displacement for specimens with different interface types

由圖2還可見，刻槽、毛面與光面水泥混凝土橋面鋪裝試件的剪應力在達到峰值之后即迅速衰減，直至試驗結束，沒有表現(xiàn)出某一固定的殘余抗剪強度，其抗剪耐久性較差.

2.3 環(huán)境對不同界面類型試件層間抗剪性能影響

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構長期暴露于自然環(huán)境中，受到雨水和溫度等環(huán)境作用的影響，尤其是粘層材料是典型的粘彈性體，受溫度影響較大.因此，選取溫度和水2種環(huán)境條件，分析環(huán)境條件對橋面鋪裝結構層間抗剪性能的影響.不同溫度和水分條件下，不同界面類型試件的層間極限抗剪強度如圖3所示.

圖3 不同界面類型試件在不同溫度和水分條件下的 剪切試驗結果Fig.3 Shear test results under different temperature and water conditions for specimens with different interface types

2.3.1溫度的影響分析

由圖3可見，無論水泥混凝土橋面鋪裝試件是否浸水，溫度對其層間抗剪性能的影響均十分顯著.當環(huán)境溫度從5℃增大至60℃時，4種界面類型試件的層間極限抗剪強度均有大幅度下降.但無論環(huán)境溫度如何，植石界面類型試件的層間極限抗剪強度一直大于另外3種界面類型試件，其抗剪性能受溫度影響的敏感度較低.

2.3.2水的影響分析

由圖3可見，無論環(huán)境溫度如何，不同界面類型試件的層間極限抗剪強度在浸水后均有一定程度的減小，其中植石界面類型試件的層間極限抗剪強度降幅最小，而且植石界面類型試件相比另外3種界面類型試件一直保持著較大的層間極限抗剪強度.一般集料表面或多或少都具有親水憎油的性能，酸性集料相比堿性集料更甚.當橋面鋪裝結構遇到水時，水分會穿透瀝青膜到達集料表面，使瀝青與集料相互分離，減小橋面鋪裝結構的層間黏結力.此外水分濕潤橋面鋪裝層間，形成的水膜會降低層間摩擦系數(shù)，減小層間摩阻力.在這二者共同作用下，橋面鋪裝結構層間極限抗剪強度將減小.植石界面類型試件由于橋面紋理結構較深，摩阻力較大，因此其層間抗剪強度受水影響相對較小.

2.4 不同界面類型試件層間抗剪耐久性分析

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構受到水和溫度的影響較大，為此，采用冷凍和水浴循環(huán)作用的方式，以模擬水和溫度對橋面鋪裝結構的共同作用.經(jīng)歷0次、3次、6次、9次凍融循環(huán)時，植石、刻槽、毛面和光面4種界面類型試件的剪切試驗結果如圖4所示.

圖4 不同界面類型試件極限抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)關系Fig.4 Relationship between ultimate shear strength and number of freeze-thaw cycles for specimens with different interface types

由圖4可知，植石界面類型試件的層間極限抗剪強度衰減趨勢先急后緩，以凍融循環(huán)3次為分界點；刻槽與毛面界面類型試件層間極限抗剪強度的衰減幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)增加；光面界面類型試件的層間極限抗剪強度衰減幅度更大，在凍融循環(huán)6次時其層間極限抗剪強度已經(jīng)很小，凍融循環(huán)9次時已損失殆盡，幾乎衰減至零.不同界面類型試件的層間極限抗剪強度衰減大致呈線性，其回歸分析結果如表2所示，其中n為凍融循環(huán)次數(shù).

表2 不同界面類型試件極限抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)的線性回歸結果Table 2 Linear regression results of ultimate shear strength with number of freeze-thaw cycles

由表2可知，不同界面類型試件的層間極限抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)回歸方程的斜率均為負值，即各試件的層間極限抗剪強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加均出現(xiàn)不同程度的下降，但植石界面類型試件回歸方程的斜率絕對值最小，這表明植石界面類型試件的層間極限抗剪強度雖然也隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而有所減小，但相比另外3種界面類型試件，其層間極限抗剪強度減小相對緩慢.因此，植石技術用于橋面鋪裝結構時，對凍融循環(huán)作用敏感性較小，耐久性較好.

2.5 瀝青鋪裝層類型對植石界面試件層間抗剪性能影響

由不同界面類型試件的層間抗剪性能對比可知，4種界面類型中，植石界面類型試件的層間抗剪性能綜合表現(xiàn)最好.因此，針對植石界面類型橋面鋪裝，選擇AC-13C，AC-20C與SMA-13這3種瀝青鋪裝層，進一步分析瀝青鋪裝層對植石界面類型試件層間抗剪性能的影響.不同瀝青鋪裝層的植石界面類型試件剪切試驗結果如表3所示.

表3 不同瀝青鋪裝層的植石界面類型試件剪切試驗結果Table 3 Shear test results of chip-sprinkling specimens with different asphalt pavements

由表3可知，無論瀝青鋪裝層所處環(huán)境條件如何，AC-20C瀝青鋪裝層試件的層間抗剪強度均大于AC-13C瀝青鋪裝層試件.這是因為植石界面類型試件的植石層石料采用對抗剪性能較為有利的13.2～16.0mm單粒級石料，這種粒徑植石層石料更易與AC-20C中粗集料相互嵌擠，形成鎖結作用，提供較大的層間摩阻力，因此其抗剪強度大于AC-13C瀝青鋪裝層試件.

SMA-13瀝青鋪裝層試件的抗剪性能要優(yōu)于AC-13C瀝青鋪裝層試件，這是因為SMA-13是骨架密實型瀝青混合料，相比AC-13C瀝青混合料，SMA-13礦料組成中占據(jù)70%以上的粗集料可以與植石界面形成良好的嵌擠結構，提高層間摩阻力；另一方面SMA-13中改性瀝青、纖維能與高摻量的礦粉形成具有很高黏度的瀝青瑪蹄脂，可以提高橋面鋪裝層間黏結力.

3 結論

(1)植石界面類型試件由于具有豐富的表面紋理以及較大的粘層油最佳用量，其內(nèi)摩阻角和內(nèi)聚力均大于其他界面類型試件，因此具有較大的層間抗剪強度.

(2)植石界面類型試件層間剪應力達到峰值后，其剪應力曲線下降比較緩慢，殘余抗剪強度幾乎為層間極限抗剪強度的80%，這表明植石界面橋面鋪裝結構具有良好的抗剪耐久性.

(3)植石界面橋面鋪裝層間抗剪強度主要是由豐富的表面紋理提供的，因此受環(huán)境溫度和水的影響較小.此外隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，植石界面橋面鋪裝結構層間抗剪強度衰減幅度較小，同樣表明植石界面橋面鋪裝結構對環(huán)境變化的敏感度較低.

(4)對于植石界面橋面鋪裝，AC-20C和SMA-13瀝青鋪裝層試件的層間極限抗剪強度均大于AC-13C瀝青鋪裝層試件，原因是SMA-13中較多的粗集料以及AC-20C的大粒徑粗集料更易與單粒級13.2～16.0mm植石層形成嵌擠作用，此外SMA-13中高黏度瀝青瑪蹄脂同樣對提高植石界面橋面鋪裝結構層間抗剪強度有利.

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