瀝青路面層間抗剪強度影響因素研究

張軒銘

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

0 引言

在設(shè)計瀝青路面時，除了要精準確定路面結(jié)構(gòu)層的材料、厚度，還要充分考慮瀝青路面層間實際狀態(tài)，因為彈性層狀理論中對各瀝青路面結(jié)構(gòu)層的層間接觸假設(shè)為連續(xù)狀態(tài)，而實際中由于施工時各結(jié)構(gòu)層在鋪設(shè)時是無法做到完全連續(xù)的，因而在對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行力學指標驗算所得的結(jié)果與瀝青路面在實際使用時存在一定的差別，由于結(jié)構(gòu)層間存在水平方向的摩檫力，使得瀝青路面實際的層底拉應力大于設(shè)計值，從而導致瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫等病害，即使對裂縫進行了灌膠處治維修，依然容易產(chǎn)生應力集中，導致路面病害進一步發(fā)展，降低路面使用性能?？紤]到上述瀝青路面層間的不利情況，在瀝青路面設(shè)計時通過設(shè)置粘層來提升層間的粘結(jié)性能，改善瀝青路面結(jié)構(gòu)的整體性能。

當前用于研究瀝青路面層間抗剪強度與荷載關(guān)系的理論為摩爾-庫倫理論，計算公式為τ=C+σTanθ。瀝青路面層間直剪實驗結(jié)果中，抗剪強度與豎向荷載關(guān)系與摩爾-庫倫理論中的規(guī)律有些類似，可采用摩爾-庫倫理論對瀝青路面上下面層的直剪試驗結(jié)果進行分析。

加強瀝青路面層間接觸對提升層間抗剪切性能、優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)受力及延長路面使用壽命有著非常重要的作用，而影響層間接觸水平的因素有豎向荷載、粘層瀝青種類及灑布溫度、瀝青含量等，因此通過選取豎向荷載、瀝青種類、灑布溫度、乳化瀝青灑布量為研究對象，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論對瀝青路面層間抗剪強度影響因素進行研究分析。

1 試驗方案

(1)豎向荷載對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學影響最為直接，因而研究豎向荷載對瀝青路面的層間接觸具有重要意義。試驗采取帶有豎向荷載的直剪試驗，試驗中荷載參數(shù)設(shè)定為0.35MPa、0.5MPa、0.7MPa、0.9MPa及1.1MPa。

(2)為了能夠使得各瀝青結(jié)構(gòu)層在施工時充分粘結(jié)，因而采用乳化瀝青作為粘層材料最為常見，試驗選用三種粘層材料，分別為Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青。由于瀝青是非線性粘彈特性的溫敏性材料，因而在粘層材料進行灑布時需控制一個合理的溫度，設(shè)定溫度參數(shù)分別為25℃、45℃及60℃。

(3)在灑布粘層時應選擇合適的瀝青灑布量，灑布量過大，乳化瀝青破乳時間長，可能會導致瀝青層間存在水份，嚴重降低層間摩擦力，瀝青層產(chǎn)生滑移；灑布量過小，乳化瀝青無法覆蓋瀝青面層，層間存在空隙，容易產(chǎn)生破壞。因此，本試驗設(shè)定乳化瀝青灑布量分別為0.4kg/m2、0.6kg/m2、0.8kg/m2、1kg/m2。

通過設(shè)定上述四種因素及不同試驗參數(shù)，對瀝青路面層間抗剪性能影響因素進行研究，并分析出各因素影響大小及參數(shù)合理值。

2 各因素對瀝青路面層間抗剪性能的影響

2.1 豎向荷載對抗剪強度的影響分析

在豎向荷載對瀝青路面層間抗剪強度試驗中，粘層材料乳化瀝青灑布量分別為0.4kg/m2、0.8kg/m2。從圖1可看出，在0.4kg/m2、0.8kg/m2乳化瀝青灑布量下瀝青路面層間抗剪強度與豎向荷載基本都呈現(xiàn)線性關(guān)系，且隨著豎向荷載增大，抗剪強度增大，當乳化瀝青灑布量為0.4kg/m2時，擬合的函數(shù)為y=0.92512+0.46602x，相關(guān)性高達97%以上；當乳化瀝青灑布量為0.8kg/m2時，擬合的函數(shù)為y=1.05419+0.45608x，相關(guān)性為64%，這表明豎向荷載對抗剪強度的影響非常明顯，過大的豎向荷載使得瀝青路面層間容易產(chǎn)生破壞，瀝青路面上出現(xiàn)的推移病害可通過上述試驗結(jié)果進行解釋。另外，當乳化瀝青灑布量為0.8kg/m2時的抗剪強度與豎向荷載相關(guān)性明顯高于0.4kg/m2時的抗剪強度，這也充分說明了當粘層乳化瀝青灑布量過大時更容易導致瀝青面層間接觸狀態(tài)變差，產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

此外，上述擬合函數(shù)形式與摩爾-庫倫理論公式較為一致，由摩爾-庫倫理論可知，豎向荷載越大，層間的內(nèi)摩阻力越大，導致層間的抗剪強度增大。兩個擬合函數(shù)的系數(shù)比較接近，可見層間的滑動摩擦系數(shù)或?qū)娱g的內(nèi)摩擦角與層間粘結(jié)材料含量的關(guān)系不大。

2.2 瀝青種類、溫度對抗剪強度的影響分析

從圖2試驗結(jié)果可看出，總體上不同粘層材料種類、灑布溫度對瀝青面層層間抗剪強度的影響很明顯，當灑布溫度為25℃時，Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青對應的抗剪強度分別為1.48MPa、1.25 MPa、0.93 MPa；當灑布溫度為45℃時，Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青對應的抗剪強度分別為1.1MPa、0.9 MPa、0.65 MPa；當灑布溫度為60℃時，Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青對應的抗剪強度分別為0.82MPa、0.72 MPa、0.5 MPa。當灑布溫度相同時，抗剪強度排序為Super PCR>SBR乳化瀝青>普通乳化瀝青，可見Super PCR有著更好的抗剪性能。而相同粘層材料時，灑布溫度越低，抗剪性能越好，這主要與瀝青的溫度敏感性有關(guān)，瀝青隨著溫度的升高，其剪切模量降低、粘度減小，從而降低瀝青層間的粘結(jié)作用。通過上述分析，在實際工程中對于粘層材料的選擇及灑布量的確定要慎重，最大程度選擇好的粘層材料。

2.3 乳化瀝青灑布量對抗剪強度的影響分析

從圖3可看出，層間抗剪強度隨著乳化瀝青灑布量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化現(xiàn)象，其中層間抗剪強度峰值出現(xiàn)在瀝青灑布量為0.8～0.9kg/m2。出現(xiàn)這一變化情況的原因在于當瀝青灑布量較低時，隨著瀝青灑布量的增加，在乳化瀝青破乳后，瀝青能夠充分與瀝青面層接觸，并形成厚度適宜的瀝青膜，從而使得層間的抗剪性能逐漸增大，而當瀝青灑布量較大時，出現(xiàn)了富余瀝青的情況，從而使得富余瀝青無法與瀝青面層充分接觸，這種情況很容易使得瀝青面層在應力作用下產(chǎn)生流動，降低了層間的抗剪切強度。

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

分析上述試驗結(jié)果可知，豎向荷載、瀝青種類、乳化瀝青灑布溫度、灑布量均對層間抗剪強度具有較大的影響，因此，為了能夠研究這幾個因素對層間抗剪強度的影響，通過對上述幾種因素進行灰色關(guān)聯(lián)分析，分析出各因素影響大小的排序情況?？紤]到目前應用最多、質(zhì)量最為穩(wěn)定的粘層材料為普通乳化瀝青，因此選定粘結(jié)材料為普通乳化瀝青。層間抗剪強度為參考序列，豎向荷載、溫度、乳化瀝青灑布量為比較數(shù)列。試驗數(shù)據(jù)具體見表1。

表1 層間抗剪強度試驗數(shù)據(jù)

相關(guān)計算公式不再贅述，經(jīng)計算，關(guān)聯(lián)度分別為:

r1=0.78；r2=0.63；r3=0.66

從上述結(jié)算結(jié)果可看出，對層間抗剪強度影響排序為：豎向荷載>乳化瀝青灑布量>溫度，并且豎向荷載關(guān)聯(lián)度達到0.78，而最小的關(guān)聯(lián)度也為0.63，可見總體上這三個影響因素對層間抗剪強度的影響顯著。因此，在瀝青路面設(shè)計、施工時應充分重視瀝青面層層間的處理，嚴格控制乳化瀝青的灑布量與灑布溫度。

4 結(jié)論

(1)瀝青路面層間抗剪強度與豎向荷載基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，且隨著豎向荷載增大，抗剪強度增大，當乳化瀝青灑布量為0.4kg/m2時，擬合函數(shù)相關(guān)性高達97%以上；當乳化瀝青灑布量為0.8kg/m2時的抗剪強度與豎向荷載相關(guān)性明顯高于0.4kg/m2時的抗剪強度，這也充分說明了當粘層乳化瀝青灑布量過大時更容易導致瀝青面層間接觸狀態(tài)變差，產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

(2)當灑布溫度相同時，抗剪強度排序為Super PCR>SBR乳化瀝青>普通乳化瀝青，可見Super PCR有著更好的抗剪性能。而粘層材料相同時，灑布溫度越低，抗剪性能越好，這主要與瀝青的溫度敏感性有關(guān)，隨著溫度的升高，瀝青剪切模量降低、粘度減小，從而降低瀝青路面層間的粘結(jié)作用。

(3)當乳化瀝青灑布量較低時，隨著灑布量的增加，在乳化瀝青破乳后，瀝青能夠充分與瀝青面層接觸，并形成厚度適宜的瀝青膜，從而使得層間的抗剪性能逐漸增大，而當瀝青灑布量較大時，出現(xiàn)了富余瀝青的情況，從而使得富余瀝青無法與瀝青面層充分接觸，這種情況很容易使得瀝青面層在應力作用下產(chǎn)生流動，降低了層間的抗剪切強度。

(4)對層間抗剪強度影響排序為：豎向荷載>乳化瀝青灑布量>溫度，并且豎向荷載關(guān)聯(lián)度達到0.78，而最小的關(guān)聯(lián)度也為0.63，可見總體上這三個影響因素對層間抗剪強度影響顯著。因此，在瀝青路面設(shè)計、施工時應充分重視瀝青面層層間的處理，注意施工時要嚴格控制乳化瀝青的灑布量與灑布溫度；更為重要的是還應治理超載、重載現(xiàn)象，減少豎向荷載對瀝青路面的力學作用。