新舊瀝青路面拼接方案室內(nèi)試驗(yàn)研究

張利東，張羽彤，鄭炳鋒，朱富萬，*

(1. 吉林省高等級公路建設(shè)局，長春 130033; 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一大批高速公路已經(jīng)或即將進(jìn)入改擴(kuò)建階段。目前常用的擴(kuò)建方案為雙側(cè)拓寬至八車道[1-2]，而采用何種拼接技術(shù)，如何確保新老路面拼接的質(zhì)量，如何確保新建車道與舊車道之間銜接成一個(gè)整體，是改擴(kuò)建工程中的一大難點(diǎn)。目前國內(nèi)已完工的高速公路改擴(kuò)建工程，多采用臺階開挖與涂刷界面材料的拼接工藝，如滬寧高速、西寶高速、安新高速等[3-6]，常用的基層拼接材料主要為水泥凈漿，優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，但其拼接強(qiáng)度及耐久性存在不足；而面層拼接材料主要為瀝青基材料，采用較多的為乳化瀝青，施工操作便捷。

為了保證拼接結(jié)構(gòu)的使用品質(zhì)，本文對目前常用的新舊基層、面層拼接方案進(jìn)行比選研究，提出適用于高速公路改擴(kuò)建工程的瀝青路面面層與基層拼接界面處治方案。

1 新舊路面基層拼接方案研究

本文采用的材料參數(shù)：

(1) 水泥為PO42.5，經(jīng)3 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩除塊狀結(jié)團(tuán)。

(2) 乳化瀝青為普通乳化改性瀝青。

(3) 界面劑采用上海某公司生產(chǎn)的混凝土界面處理劑。其中，混凝土界面處理劑為雙組份水性高分子環(huán)氧乳液，由A、B兩種組分構(gòu)成。

1.1 拉拔強(qiáng)度研究

(1) 試驗(yàn)方案

先從中部將水穩(wěn)試件切割為2個(gè)半體，針對切割的半體水穩(wěn)試件，對切割面采用5種處理方式，分別為：

界面劑組分A∶B∶水泥=1∶3∶4；

界面劑組分A∶B∶水泥=1∶3∶6；

界面劑組分A∶B∶水泥=1∶3∶8；

水泥凈漿(水泥凈漿的水灰比采用0.6)；

乳化瀝青∶水泥=2∶1。

5種處理方式下的涂層厚度均約 2～3 mm，將試件在25℃室溫條件下養(yǎng)生4天，待表面處理劑凝固，分別用高性能結(jié)構(gòu)AB膠將拉拔試驗(yàn)所用拉拔扣粘結(jié)于表面。每個(gè)半體試件粘5個(gè)拉拔扣，拉拔扣直徑為20 mm，其后在25℃室溫條件下繼續(xù)養(yǎng)生1天，待AB膠強(qiáng)度形成時(shí)，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果分析

各組試驗(yàn)具體測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同界面處理情況下的拉拔強(qiáng)度

從拉拔試驗(yàn)結(jié)果圖1中可以看出，界面處理采用界面劑組分A∶B∶水泥=1∶3∶6時(shí)的拉拔強(qiáng)度最高，達(dá)到2.40 MPa，同時(shí)具有較低的變異系數(shù)，采用水泥凈漿的拉拔強(qiáng)度最低，僅為0.48 MPa。

1.2 劈裂強(qiáng)度研究

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)步驟：

(1) 在模具中成型60 cm×60 cm×15 cm的水穩(wěn)板，分兩層進(jìn)行擊實(shí)，第一層約9 cm，第二層約6 cm，標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃條件下濕養(yǎng)，齡期14天。

(2) 待強(qiáng)度形成之后，沿直線將水穩(wěn)板切割為4部分，取其二放入模具兩側(cè)。

(3) 在中間空區(qū)拌制新水泥穩(wěn)定石料并進(jìn)行新老水穩(wěn)板復(fù)合分層振動(dòng)成型，接縫處分別采用界面劑組分A、B與水泥質(zhì)量比為1∶3∶6，以及乳化瀝青:水泥=2∶1共兩種界面處理劑進(jìn)行處理，界面劑的涂刷量如表1所示。

表1 復(fù)合水穩(wěn)界面處理劑量統(tǒng)計(jì)表

(4) 待復(fù)合板體成型后，在標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃條件下濕養(yǎng)，齡期28天，強(qiáng)度形成后按照圖2所示進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣直徑15 cm。

圖2 水穩(wěn)板體取芯方案

1.2.2 劈裂試驗(yàn)

為了研究水泥穩(wěn)定碎石基層接縫處的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法(T0806—94)，測試儀器為多功能路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀，測試壓條的寬度采用18.75 mm，弧面半徑為75 mm，溫度20℃，加載速度0.5 kN/s，壓力施加方向平行于試件接縫。

試件分為4種，即界面劑A∶B∶水泥=1∶3∶6的3個(gè)涂刷量，還有乳化瀝青∶水泥=2∶1等，每種試件各3個(gè)，進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，按規(guī)程計(jì)算劈裂強(qiáng)度、平均值、變異系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，D方案的劈裂強(qiáng)度值最高，達(dá)0.848 MPa，而C方案的劈裂強(qiáng)度變異系數(shù)最小，為4.81%，此外采用界面劑的3種方案劈裂強(qiáng)度均高于采用乳化瀝青拼接方案。

表2 復(fù)合水穩(wěn)劈裂強(qiáng)度結(jié)果

1.2.3 凍融劈裂試驗(yàn)

在水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)過程中，一般是不要求進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)的，為防止界面處存在的孔隙導(dǎo)致路面使用過程中的水損害、界面的開裂，本研究提出采用凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)水泥穩(wěn)定碎石的界面強(qiáng)度。試驗(yàn)過程為將芯樣在25℃恒溫水槽中浸泡2 h，然后在0.09 MPa壓力下浸水抽真空15 min，再放到-18℃冰箱中放置16 h，取出試件立即放入60℃的恒溫水槽中保持24 h，接著再放入25℃的恒溫水槽中浸泡2 h后測其劈裂強(qiáng)度。

試件的制作同劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)一樣，按照預(yù)定方案進(jìn)行凍融后劈裂試驗(yàn)，并計(jì)算劈裂強(qiáng)度、平均值、TSR。從表3可以看出，方案D的凍融劈裂強(qiáng)度比最大，方案C次之。

表3 復(fù)合水穩(wěn)凍融循環(huán)后劈裂強(qiáng)度結(jié)果一覽表

1.3 基層拼接方案比選

綜合以上研究結(jié)果，從以下3個(gè)方面對A、B、C、D方案進(jìn)行綜合比選。

(1) 芯樣表觀情況

從芯樣表面情況來看，4種方案的芯樣均存在孔洞，側(cè)壁光滑，芯樣完整無松散現(xiàn)象，接縫處密實(shí)，無氣泡、空隙，粘結(jié)效果良好。方案A處理的芯樣在凍融過程中，接縫表面會滲出小顆粒狀瀝青，表明乳化瀝青中的瀝青質(zhì)滲出，可能會影響到接縫的粘結(jié)和強(qiáng)度。

(2) 劈裂、凍融劈裂試驗(yàn)破壞形態(tài)

圖3界面處理劑為乳化瀝青水泥漿，圖4界面處理劑為302砼界面劑。對比后可以發(fā)現(xiàn)，二者達(dá)到破壞極限時(shí)的受力情況不一樣，用乳化瀝青水泥漿處理的試件破壞時(shí)，是由劈裂壓力產(chǎn)生的間接拉應(yīng)力超過界面劑的抗拉極限強(qiáng)度而發(fā)生界面劑的“脆斷”；而用砼界面劑處理過的試件破壞，是由劈裂壓力產(chǎn)生的間接拉應(yīng)力超過水穩(wěn)碎石與界面劑整體的抗拉極限強(qiáng)度而發(fā)生材料的“屈服斷裂”，界面劑和水穩(wěn)材料有效地融合為一個(gè)整體，達(dá)到了協(xié)同受力的目的。

圖3 乳化瀝青水泥漿

圖4 302砼界面劑

(3) 劈裂、凍融劈裂試驗(yàn)

無論是從劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，還是從凍融后劈裂強(qiáng)度比、劈裂強(qiáng)度損失值來看，方案D均是效果最好的處理方案，方案C次之。分析劈裂試驗(yàn)的變異系數(shù)，方案D變異系數(shù)為8.05%，方案B變異系數(shù)高達(dá)11.74%。相比之下，方案C的強(qiáng)度雖相對較低，約為方案D的74%，但變異系數(shù)很小，約為4.81%，保證了拼接強(qiáng)度和拼接施工質(zhì)量。

(4) 比選結(jié)果

綜上所述，本研究推薦新舊基層拼接采用方案C，即砼界面劑組分A∶B∶水泥=1∶3∶6，涂刷量采用4～6 kg/m2，涂刷層厚約2.4 mm。

2 新舊瀝青面層拼接方案研究

新舊瀝青面層拼接界面處治方案初選改性乳化瀝青、SBS改性瀝青、水性環(huán)氧瀝青，首先通過復(fù)合馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度選擇界面劑。改性乳化瀝青、SBS改性瀝青、水性環(huán)氧瀝青的復(fù)合馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度對比如圖5所示。

圖5 復(fù)合馬歇爾試件劈裂試驗(yàn)

水性環(huán)氧瀝青處治的復(fù)合馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度最高，為0.91 MPa。此外，水性環(huán)氧瀝青施工過程中無需加熱，因此，選用水性環(huán)氧瀝青作為新、舊瀝青面層拼接界面處治方案。

考慮到水性環(huán)氧瀝青容易流淌，摻加一定量的礦粉，根據(jù)試拌，選擇水性環(huán)氧瀝青與礦粉質(zhì)量分別為1∶1.1、1∶1.3、1∶1.5，復(fù)合馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度對比，如圖6所示。

圖6 水性環(huán)氧瀝青處治的復(fù)合馬歇爾試件劈裂試驗(yàn)

根據(jù)復(fù)合馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，水性環(huán)氧瀝青與礦粉質(zhì)量比例為1∶1.1。為了驗(yàn)證上述比例，進(jìn)行復(fù)合馬歇爾試件凍融劈裂、浸水馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水性環(huán)氧瀝青與礦粉質(zhì)量比例為1∶1.1的拼接方案TSR為60.5%， MS0為88.2%，明顯優(yōu)于其余兩種方案，表明采用水性環(huán)氧瀝青與礦粉質(zhì)量比例為1∶1.1進(jìn)行新、舊瀝青面層拼接界面處治具有一定的抗水損害性能，因此，本研究推薦新舊面層拼接方案為水性環(huán)氧瀝青與礦粉質(zhì)量比例為 1∶1.1。

3 結(jié)論

本文通過開展高速公路改擴(kuò)建工程新舊路面基層與面層拼接方案室內(nèi)試驗(yàn)研究，通過拉拔強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)對拼接材料的配方、用量進(jìn)行比選，得出以下主要結(jié)論，推薦方案有待試驗(yàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)一步檢驗(yàn)。

表4 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表5 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

(1) 通過對比3種基層拼接方案，推薦采用砼界面劑拼接方案，能夠提供最優(yōu)的抗拉拔強(qiáng)度。

(2) 通過成型基層復(fù)合板試件，采用劈裂試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)基層拼接材料的劈裂強(qiáng)度，綜合拉拔強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及破壞形態(tài)，推薦新舊基層拼接采用方案C，即砼界面劑組分A∶B∶水泥=1∶3∶6，涂刷量采用4～6 kg/m2，涂刷層厚約2.4 mm。

(3) 通過成型瀝青混合料復(fù)合試件，采用劈裂試驗(yàn)對新舊瀝青面層的拼接材料進(jìn)行研究，推薦新舊面層拼接方案為水性環(huán)氧瀝青與礦粉質(zhì)量比例為1∶1.1，該方案劈裂強(qiáng)度可達(dá)1.07 MPa，并且具有良好的抗水損害性能。