復(fù)合式路面層間處置方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

朱金鵬

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司），山西 太原 030032）

隨著對(duì)行車舒適性和路面快速養(yǎng)護(hù)要求的提高，近年來(lái)水泥混凝土路面加鋪瀝青層越來(lái)越普遍，但是由于該結(jié)構(gòu)上下兩層性能差距大，層間處置的不合理將會(huì)導(dǎo)致路面在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生瀝青層剝落、推移等病害，嚴(yán)重影響到路面使用壽命，因此合理的層間處置對(duì)提高復(fù)合式路面整體性能，延長(zhǎng)其使用壽命具有較大的意義[1]。

1 黏層對(duì)層間結(jié)合狀態(tài)的影響分析

圖1 層間剪切試驗(yàn)儀

圖2 層間拉拔試驗(yàn)儀

復(fù)合式路面由于上下面層的模量性能相差很大，在行車荷載作用下，瀝青與水泥混凝土兩面層會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，使層間發(fā)生滑移、開裂，嚴(yán)重影響路面使用壽命。因此板面的結(jié)合狀態(tài)是影響復(fù)合式路面壽命的重要因素。

通常為了提高板面結(jié)合狀態(tài)，在復(fù)合式面層間設(shè)置黏層，即在瀝青層與水泥混凝土路面之間灑鋪瀝青材料薄層。為了研究板面結(jié)合狀態(tài)對(duì)路面使用性能的影響，本文對(duì)瀝青面層與水泥路面基層間噴灑和不噴灑黏層油兩種情況進(jìn)行剪切、拉拔、層間疲勞試驗(yàn)。其中黏層采用改性乳化瀝青，試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

試驗(yàn)采用4 cm AC-13C 型瀝青面層+黏層+6 cm 水泥混凝土路面層結(jié)構(gòu)，先在（300×300 ×100）mm 的模中成型車轍板，再用小鉆芯機(jī)鉆出Φ10×10 cm 的芯層作為剪切、拉拔試驗(yàn)的試件[2]。

1.1 黏層對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

表1 復(fù)合式路面層間有無(wú)黏層油剪切試驗(yàn)結(jié)果

層間抗剪強(qiáng)度是評(píng)定瀝青水泥層間接觸狀態(tài)的一個(gè)主要指標(biāo)[3]，本文對(duì)瀝青水泥層間采用和不采用黏層油兩種情況進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為25 ℃、40 ℃和60 ℃剪切3 種情況，試驗(yàn)結(jié)果如表1 和圖3 所示。

圖3 復(fù)合式路面不同情況下層間抗剪強(qiáng)度

由表1、圖3 可知，層間抗剪強(qiáng)度對(duì)層間結(jié)合狀態(tài)的變化很敏感，在不同溫度下，層間無(wú)黏層油剪切強(qiáng)度僅為層間采用改性乳化瀝青黏層油的63%、48%和66%，表明黏層油對(duì)于抗剪強(qiáng)度有很大的改善，可見黏層油對(duì)提高層間抗剪性能是非常有利的。

1.2 黏層對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響

本文對(duì)瀝青水泥層間噴灑和不噴灑黏層油兩種情況進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃、40 ℃、60 ℃三種情況，試驗(yàn)結(jié)果如表2 和圖4 所示。

表2 復(fù)合式路面層間拉拔試驗(yàn)

圖4 復(fù)合式路面不同情況下層間拉拔強(qiáng)度

由表2 和圖4 可以看出，復(fù)合層層間拉拔強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的增加而降低。層間噴灑黏層油后層間拉拔強(qiáng)度明顯提高，對(duì)于25 ℃、40 ℃、60 ℃下，噴灑與不噴灑黏層油的層間拉拔強(qiáng)度分別提高159%、85%和312%，改善效果明顯。

2 黏層對(duì)路面壽命的影響

復(fù)合面層層間剪切疲勞壽命是決定路面使用壽命的一個(gè)重要指標(biāo)，本文對(duì)復(fù)合式路面層間采用和不采用黏層油兩種情況進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)，黏層油采用改性乳化瀝青，疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力水平分別為0.2、0.3、0.4、0.5，試驗(yàn)結(jié)果如表3 和圖5 所示。

表3 復(fù)合式路面層間疲勞壽命試驗(yàn)

圖5 復(fù)合式路面不同應(yīng)力水平下層間疲勞壽命

由表3 和圖5 可知，復(fù)合面層剪切疲勞壽命隨應(yīng)力比的增加而顯著降低，且噴灑黏層油后對(duì)層間剪切疲勞壽命提高顯著。應(yīng)力水平分別在0.2、0.3、0.4、0.5 情況下，噴灑黏層油比不噴灑時(shí)疲勞壽命提高360%、97%、134%和278%。

由以上分析可知，噴灑黏層油后復(fù)合面層層間的抗剪強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度及剪切疲勞壽命都得到了顯著的提高。由于黏層的作用，使得復(fù)合路面瀝青層和混凝土層之間黏結(jié)成一個(gè)較為穩(wěn)定的整體，能夠抵抗在車輛荷載作用下路面內(nèi)部產(chǎn)生的各種水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力，使得路面在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具備良好的路用性能。

3 黏層材料的選擇及最佳灑布量確定

黏結(jié)層材料的選擇及灑布量是影響層間結(jié)合狀態(tài)的重要因素，黏層油過少不能全部覆蓋水泥混凝土表面，影響水泥混凝土面板與瀝青混凝土層的黏結(jié)；用量過多，則形成較厚的自由瀝青，將導(dǎo)致形成薄弱層，導(dǎo)致層間滑移病害。在工程中，經(jīng)常使用的黏層油材料有：改性乳化瀝青、普通熱瀝青、高黏瀝青、SBS 改性瀝青等。因此對(duì)層間灑布不同黏層油材料進(jìn)行室內(nèi)剪切和拉拔試驗(yàn)，評(píng)定出最優(yōu)黏層油材料，并確定最優(yōu)黏層油的灑布量。

3.1 不同黏層材料最佳灑布量的確定

3.1.1 改性乳化瀝青

分 別 按 照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2灑布量灑布改性乳化瀝青，對(duì)成型好的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，25 ℃和60 ℃試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同溫度下改性乳化瀝青用量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

從圖6 中可以看出，改性乳化瀝青灑布量較小時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨灑布量的增加而增大，當(dāng)灑布量達(dá)到0.6 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后抗剪強(qiáng)度隨灑布量的增加而急劇降低，因此改性瀝青最佳灑布量為0.6 kg/m2。

3.1.2 熱瀝青

分 別 按 照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2、1.6 kg/m2灑布量灑布70 號(hào)熱瀝青，對(duì)成型好的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，25 ℃和60 ℃試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同溫度下70 號(hào)瀝青用量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

從圖7 可以看出，25 ℃條件下熱瀝青灑布量為0.6 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值；60 ℃條件下熱瀝青灑布量為0.4 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值。高溫條件下熱瀝青的最佳灑布量要略小一些。無(wú)論常溫還是高溫，抗剪強(qiáng)度在達(dá)到峰值后都急劇下降，瀝青灑布量過大，會(huì)在層間形成一層富油層，容易形成層間滑移破壞，因此應(yīng)嚴(yán)格控制黏層瀝青用量。綜合考慮路面使用環(huán)境與施工因素，熱瀝青的最佳灑布量宜為 0.6 kg/m2。

3.1.3 高黏瀝青

分 別 按 照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2、1.6 kg/m2灑布量灑布高黏瀝青，對(duì)成型好的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，25 ℃和60 ℃試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同溫度下高黏瀝青用量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

由圖8 可看出，抗剪強(qiáng)度隨高黏瀝青灑布量的增加而增加，而且25 ℃和60 ℃的瀝青抗剪強(qiáng)度均在灑布量為1.4 kg/m2后基本恒定，這與改性乳化瀝青和基質(zhì)瀝青不同。因此，高黏瀝青最佳灑布量為1.4 kg/m2。

3.1.4 SBS 改性瀝青

分 別 按 照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2、1.6 kg/m2灑布量灑布SBS 改性熱瀝青，對(duì)成型好的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，25 ℃和60 ℃試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同溫度下SBS 改性瀝青用量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

由圖9 可看出，無(wú)論25 ℃還是60 ℃條件下，抗剪強(qiáng)度隨SBS 改性瀝青灑布量的增加而增加，灑布量超過1.4 kg/m2后，抗剪強(qiáng)度逐漸下降。因此，SBS 改性瀝青最佳灑布量為1.4 kg/m2。

從改性乳化瀝青、70 號(hào)基質(zhì)瀝青、高黏瀝青和SBS 改性瀝青抗剪強(qiáng)度曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，60 ℃和25 ℃確定的最佳用量相差不大。改性乳化瀝青和70 號(hào)基質(zhì)瀝青，不同溫度下確定的最佳用量有點(diǎn)不同，高溫下可能會(huì)比常溫下確定的最佳用量稍小一些。所以，在確定黏層油用量時(shí)，應(yīng)結(jié)合所在地區(qū)的氣溫狀況，為了避免產(chǎn)生層間滑移，南方地區(qū)黏層油的用量應(yīng)比北方地區(qū)減少一些。

為便于層間抗剪強(qiáng)度影響因素分析，研究采用25 ℃時(shí)確定的最佳用量，即：改性乳化瀝青、普通熱瀝青、高黏瀝青和SBS 改性瀝青的用量分別是0.6 kg/m2、0.6 kg/m2、1.4 kg/m2和 1.4 kg/m2。

3.2 不同黏層材料試驗(yàn)對(duì)比分析

選擇滿足上述指標(biāo)要求的黏層油材料，黏層油進(jìn)行室內(nèi)剪切、拉拔試驗(yàn)，評(píng)定其抗剪、拉拔強(qiáng)度，最終確定合適黏層油材料。

3.2.1 室內(nèi)剪切試驗(yàn)

對(duì)復(fù)合式面層灑布改性乳化瀝青、普通熱瀝青、高黏瀝青、SBS 改性瀝青等幾種情況進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)。黏層油灑布量為各種黏層材料的最佳灑布量：改性乳化瀝青灑布量0.6 kg/m2，普通熱瀝青灑布量為0.6 kg/m2，高黏瀝青黏層油灑布量1.4 kg/m2，SBS改性瀝青灑布量1.4 kg/m2。試驗(yàn)溫度分別為25 ℃、40 ℃和60 ℃，各黏層油復(fù)合式面層層間抗剪強(qiáng)度如表4 和圖10 所示。

表4 不同黏層材料復(fù)合面層層間剪切強(qiáng)度 MPa

圖10 不同黏層材料復(fù)合面層層間抗剪強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，高黏瀝青和SBS 改性瀝青作黏層油時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度最大，改性乳化瀝青次之，普通熱瀝青最低。

3.2.2 室內(nèi)拉拔試驗(yàn)

試件成型及材料配制與剪切試驗(yàn)相同，各黏層油復(fù)合式面層層間拉拔強(qiáng)度如表5 和圖11 所示。

表5 不同黏層材料復(fù)合面層層間拉拔強(qiáng)度 MPa

圖11 不同黏層材料復(fù)合面層層間拉拔強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，與抗剪強(qiáng)度特性相似，SBS改性瀝青和高黏瀝青作黏層油時(shí)層間拉拔強(qiáng)度最大，改性乳化瀝青次之，普通熱瀝青最低。

3.3 黏層材料選擇

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)黏層材料抗剪性能、拉拔性能進(jìn)行對(duì)比，分為優(yōu)、良、中三檔，結(jié)果如表6 所示。

表6 不同黏層材料性能比較

從表6 可看出，僅考慮黏層材料的抗剪性能與抗拉拔性能，SBS 改性瀝青和高黏瀝青最優(yōu)，其次為改性乳化瀝青和普通熱瀝青。因此，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際工況，確定黏層材料的使用類型。在南方高溫地區(qū)長(zhǎng)大縱坡路段宜采用SBS 改性瀝青和高黏瀝青作為黏層材料，北方寒冷地區(qū)和普通路段可選用改性乳化瀝青和普通熱瀝青作為黏層材料。

4 結(jié)語(yǔ)

a）分析了黏層對(duì)層間結(jié)合狀態(tài)及路面壽命的影響，對(duì)層間無(wú)黏層油及灑布改性乳化瀝青黏層油兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)，得出噴灑黏層油后層間抗剪強(qiáng)度提高30%～60%，拉拔強(qiáng)度提高1～2 倍，層間疲勞壽命提高1～3 倍。

b）通過抗剪、拉拔等試驗(yàn)確定了各種黏層瀝青材料的最佳用量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，改性乳化瀝青、普通熱瀝青、高黏瀝青和SBS 改性瀝青的最佳用量分別是 0.6 kg/m2、0.6 kg/m2、1.4 kg/m2和 1.4 kg/m2。

c）僅考慮黏層材料的抗剪性能與抗拉拔性能，SBS 改性瀝青和高黏瀝青最優(yōu)，其次為改性乳化瀝青和普通熱瀝青。