基于層間抗剪強(qiáng)度的水泥混凝土板刻槽參數(shù)的確定

劉 鵬 王育博 盧 歡 姚愛玲

(1.呼倫貝爾市公路管理局拉布大林公路養(yǎng)護(hù)管理處，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 022250；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710000；3.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

水泥混凝土面板上加鋪薄層瀝青鋪裝層的復(fù)合式結(jié)構(gòu)是指薄層瀝青混凝土鋪裝層直接鋪筑在水泥混凝土面板上，鋪裝層屬于表面功能層，主要是起磨耗層的作用。若水泥混凝土面板與薄層瀝青鋪裝的層間抗剪強(qiáng)度不足，則容易出現(xiàn)滑移，進(jìn)而導(dǎo)致鋪裝層的變形，破壞整個鋪裝體系。為了增加水泥混凝土面板與薄層瀝青鋪裝層間的抗剪強(qiáng)度或粘結(jié)力，通常采用對混凝土面板刻槽與噴灑粘結(jié)層相結(jié)合的方式。因此，研究水泥混凝土面板刻槽參數(shù)以及粘結(jié)層材料的用量對該結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價值[1，2]。

在水泥混凝土面板的刻槽參數(shù)研究方面，PCA和AASHTO以安全行車為目標(biāo)，推薦槽深3.2 mm～4.0 mm、槽寬2.3 mm～3.2 mm、槽間距12 mm～25 mm的刻槽參數(shù)[3]；美國加州從行車安全和舒適度方面考慮，規(guī)定橫向刻槽參數(shù)為槽寬2.4 mm、槽深大于3.2 mm、槽間距19 mm[4]；美國聯(lián)邦公路局以改善混凝土路面抗滑能力為準(zhǔn)則，并考慮刻槽參數(shù)對路面噪聲的影響，建議采用槽寬為3 mm、槽深為3 mm～6 mm、槽間距在10 mm～57 mm，窄而深的不等間距橫向刻槽[5]；法國、英國從抗滑能力以及控制噪聲方面也對刻槽的參數(shù)進(jìn)行了研究和規(guī)定[6]。我國在刻槽參數(shù)優(yōu)化等方面的研究起步較晚，但也取得了一系列的成果，同時給出了基于安全性考慮的刻槽參數(shù)[7]。本文對混凝土刻槽參數(shù)的研究是基于增加混凝土面板與薄層瀝青鋪裝層的層間抗剪強(qiáng)度，分析刻槽參數(shù)及SBS改性瀝青粘結(jié)層最佳用量對鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度的影響，從而得出層間抗剪強(qiáng)度值最大時的最佳組合，為混凝土面板薄層鋪裝結(jié)構(gòu)的層間參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)用原材料與配合比

1.1 水泥與水泥混凝土

采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。按照J(rèn)TG E30—2005公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[8]，對水泥進(jìn)行試驗(yàn)檢測，滿足施工技術(shù)規(guī)范的要求?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計結(jié)果見表1。

表1 水泥混凝土配合比

1.2 SBS粘結(jié)層

選用江蘇祥和瀝青有限公司生產(chǎn)的I-C型SBS改性瀝青作為粘結(jié)層材料。

1.3 瀝青與瀝青混合料

4 cm的薄層瀝青鋪裝層采用密級配AC-13改性瀝青混合料，改性瀝青與粘層用的SBS改性瀝青相同，通過配合比設(shè)計與檢驗(yàn)試驗(yàn)，確定出礦料級配和最佳油石比，對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 AC-13的最佳油石比及其相應(yīng)的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 水泥混凝土板刻槽參數(shù)的確定

試驗(yàn)分兩步進(jìn)行，首先擬定一個粘結(jié)層用量，通過正交設(shè)計試驗(yàn)，確定出兩種槽向的刻槽參數(shù)以及槽向，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行第二步的粘結(jié)層用油量的確定。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

為了增加混凝土與其上的瀝青鋪裝層之間的粘結(jié)力，避免發(fā)生層間剪切滑移，采取將水泥混凝土的表面粗糙化與灑布粘結(jié)層相結(jié)合的方法，因而，需要對這兩方面的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?？滩鄄扇×藱M向和縱向刻槽兩種方式，粘層采用的是SBS改性瀝青。

依據(jù)規(guī)范及國內(nèi)部分工程實(shí)例[9]，按正交試驗(yàn)法對槽寬、槽深、槽間距三因素進(jìn)行三水平設(shè)計，對兩種槽向都確定了9組試驗(yàn)方案，槽深：3 mm，4 mm，5 mm；槽寬3 mm，4 mm，5 mm；槽間距10 mm，17 mm，24 mm。按正交試驗(yàn)法設(shè)計的橫向與縱向刻槽的試驗(yàn)方案見表3。

表3 正交試驗(yàn)表 mm

試驗(yàn)時，首先擬定SBS改性瀝青防水粘結(jié)層的用量為1.3 mm[10，11]。

2.2 試件制作與試驗(yàn)方法

在噴灑改性瀝青粘結(jié)層材料之前，為使粘結(jié)層材料與瀝青鋪裝層有很好的粘結(jié)作用，先在水泥混凝土板上噴灑一層乳化瀝青作為浸潤層，由于刻槽參數(shù)組合不同，每個試驗(yàn)號的水泥面板構(gòu)造深度不同，若采用相同份量的粘結(jié)層進(jìn)行噴灑，由于填進(jìn)槽內(nèi)的量不同，不能保證粘結(jié)層的有效厚度相同，其結(jié)果可比性較小，故本試驗(yàn)先采用干燥潔凈的礦粉實(shí)際填滿300 mm×300 mm水泥混凝土面板上的槽，測量實(shí)際槽容積，在噴灑粘結(jié)層用量時，先確定填滿槽的粘結(jié)層材料的體積，再加上本試驗(yàn)選擇的粘結(jié)層厚度1.3 mm，進(jìn)而確定粘結(jié)層用量，由于刻槽參數(shù)選擇了9種組合方式，所以第一期試驗(yàn)的各組粘結(jié)層用量見表4。橫向槽和縱向槽剪切試驗(yàn)中粘結(jié)層用量均采用表中數(shù)據(jù)。

表4 粘結(jié)層用量表

瀝青鋪裝層選擇4 cm厚度AC-13混合料。各試驗(yàn)步驟均要求嚴(yán)格、規(guī)范，成型300 mm×300 mm×50 mm的板式試件，經(jīng)過水泥混凝土面板噴灑SBS改性瀝青粘結(jié)層并鋪筑瀝青混凝土面層之后養(yǎng)生48 h，然后鉆芯取樣，進(jìn)行有附加壓力的層間直剪試驗(yàn)，瀝青表面的正壓力選擇0.7 MPa，剪切速率選擇5 mm/min，剪切溫度選擇常溫25 ℃。試驗(yàn)結(jié)果按正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行處理，得出橫向和縱向的最佳槽寬、槽深、槽間距。

2.3 橫向刻槽和縱向刻槽試驗(yàn)結(jié)果與分析

橫向、縱向刻槽直剪試驗(yàn)結(jié)果見表5，經(jīng)正交試驗(yàn)結(jié)果分析其效應(yīng)曲線見圖1～圖3。

表5 橫向、縱向槽正交試驗(yàn)結(jié)果

圖1說明，對于橫向刻槽，在選定的三個槽寬變量中，隨著槽寬的增加，抗剪強(qiáng)度也隨之增加。在槽寬數(shù)值較小時隨槽寬的增大抗剪強(qiáng)度上升的并不明顯，槽寬數(shù)值較大時抗剪強(qiáng)度增大較快；對于縱向刻槽，在選定的三個槽寬中，隨著槽寬的增加，抗剪強(qiáng)度隨之減小。并且在選定的三個槽寬范圍內(nèi)，抗剪強(qiáng)度值基本呈直線下降趨勢。

圖2表明，對于橫向刻槽與縱向刻槽，在選定的三個槽深變量中，兩種槽向表現(xiàn)出相同的規(guī)律，隨著槽深的增加，抗剪強(qiáng)度并沒有隨之增加，反而呈減小趨勢。說明變化槽深對層間抗剪強(qiáng)度沒有積極的作用。

圖3表明，對于橫向刻槽與縱向刻槽，在選定的三個槽間距變量中，兩種槽向表現(xiàn)出相同的規(guī)律，隨著槽間距的增加，抗剪強(qiáng)度減小。在槽間距數(shù)值較大時隨槽間距的減小抗剪強(qiáng)度上升的并不明顯，槽間距數(shù)值較小時隨著槽間距的減小抗剪強(qiáng)度增大較快。由此可見橫向和縱向槽間距對層間抗剪強(qiáng)度的影響趨勢一樣。

從圖1～圖3可以得出：以層間抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)，確定出最優(yōu)的橫向刻槽方案為刻槽寬度為5 mm、深度為3 mm、間距為10 mm；最優(yōu)的縱向刻槽方案為刻槽寬度為3 mm、深度為3 mm、間距為10 mm。并以此方案進(jìn)行水泥混凝土面板刻槽，進(jìn)行第二期即最佳粘結(jié)層用量的選定試驗(yàn)。橫、縱向槽的槽寬、槽深、槽間距經(jīng)正交試驗(yàn)結(jié)果分析方差分析表見表6。

表6 方差分析表

從表6可以看出，槽間距對橫、縱向?qū)娱g抗剪強(qiáng)度影響最大。

3 確定粘結(jié)層SBS改性瀝青的最佳用量

根據(jù)已經(jīng)得出的橫向與縱向刻槽的最佳參數(shù)，進(jìn)行兩種槽向的最優(yōu)刻槽參數(shù)組合下的粘結(jié)層SBS改性瀝青最佳用量試驗(yàn)。試驗(yàn)將SBS改性瀝青粘結(jié)層的用量分為五檔：0.4 kg/m2，0.8 kg/m2，1.2 kg/m2，1.6 kg/m2，2.0 kg/m2。分別確定橫向和縱向的最佳粘結(jié)層用量。

水泥混凝土面板噴灑SBS改性瀝青粘結(jié)層必須經(jīng)曬干以后，方可進(jìn)行瀝青混凝土面層鋪筑，面層鋪筑之后養(yǎng)生48 h，進(jìn)行鉆芯取樣，并做有附加荷載的直剪試驗(yàn)。

3.1 橫向、縱向刻槽最佳防水粘結(jié)層用量確定

橫向、縱向刻槽不同粘結(jié)層用量的直剪試驗(yàn)結(jié)果見表7，橫向、縱向刻槽層間抗剪強(qiáng)度與粘結(jié)層用量關(guān)系見圖4。

表7 橫向、縱向槽直剪試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出，以層間抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)，對于橫向槽(寬5 mm、深3 mm、間距10 mm)的最佳粘結(jié)層用量為0.9 kg/m2。當(dāng)用量高于0.9 kg/m2時，隨著粘結(jié)層用量的增加，抗剪強(qiáng)度隨之減小；對于縱向槽(寬3 mm、深3 mm、間距10 mm)的最佳粘結(jié)層用量為1.0 kg/m2，但是從圖表中可以看出，當(dāng)粘結(jié)層用量大于0.8 kg/m2時，粘結(jié)層用量的變化對層間抗剪強(qiáng)度影響不大。

3.2 刻槽方向的確定

根據(jù)已經(jīng)得出的橫向和縱向的最優(yōu)參數(shù)組合以及粘結(jié)層最佳用量，在同樣的試驗(yàn)條件下進(jìn)行了橫向和縱向兩個槽向?qū)娱g抗剪強(qiáng)度的影響試驗(yàn)。橫向槽采用槽寬5 mm、槽深3 mm、間距10 mm，SBS改性瀝青粘結(jié)層用量0.9 kg/m2；縱向槽采用槽寬3 mm、槽深3 mm、間距10 mm，SBS改性瀝青粘結(jié)層用量1.0 kg/m2。直剪試驗(yàn)得出橫向與縱向刻槽的抗剪強(qiáng)度分別為1.23 MPa，0.85 MPa。結(jié)果表明，橫向刻槽最優(yōu)參數(shù)組合與最佳粘結(jié)層用量下得到的層間抗剪強(qiáng)度明顯大于縱向刻槽最優(yōu)方案的層間抗剪強(qiáng)度值，因此，對于水泥混凝土薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇混凝土面板橫向刻槽方式。

4 結(jié)語

1)通過試驗(yàn)得出，橫向刻槽的最佳組合為：刻槽寬度5 mm、深度3 mm、間距10 mm；縱向槽的最佳組合為：刻槽寬度3 mm、深度3 mm、間距10 mm。橫向、縱向刻槽三個參數(shù)對層間抗剪強(qiáng)度的影響分析中，間距的影響均為最大。

2)橫向刻槽在槽參數(shù)最佳組合時SBS改性瀝青防水粘結(jié)層最佳用量為0.9 kg/m2；縱向刻槽在槽參數(shù)最佳組合時SBS改性瀝青防水粘結(jié)層最佳用量為1.0 kg/m2。其中縱向槽的抗剪試驗(yàn)得出在粘結(jié)層大于0.8 kg/m2時，層間抗剪強(qiáng)度變化趨勢不太明顯。

3)在相同的刻槽參數(shù)以及粘結(jié)層用量時，橫向槽比縱向槽的層間抗剪強(qiáng)度普遍要大；在各自最優(yōu)的刻槽參數(shù)組合以及粘結(jié)層用量時，橫向刻槽的層間抗剪強(qiáng)度明顯大于縱向刻槽的，因此，基于層間剪切強(qiáng)度，對于水泥混凝土薄層瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇混凝土面板橫向刻槽方式。