高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層層間粘接穩(wěn)定性狀態(tài)研究*

黃 娟

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與鐵道工程學(xué)院,陜西西安 710018)

路面的層間粘接穩(wěn)定性會(huì)直接影響到路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果,無(wú)論是何種類(lèi)型的瀝青路面,結(jié)構(gòu)層層間粘接狀態(tài)都會(huì)關(guān)聯(lián)到瀝青路面的使用年限。在進(jìn)行高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)將瀝青路面的各結(jié)構(gòu)層看作是連續(xù)的、均勻的,但是受實(shí)際施工技術(shù)和其他外部因素的影響,會(huì)出現(xiàn)各結(jié)構(gòu)層不連續(xù)的問(wèn)題,各層間粘接穩(wěn)定性較差,在實(shí)際使用過(guò)程中,高速公路瀝青路面會(huì)出現(xiàn)龜裂、車(chē)轍等病害。針對(duì)此種情況,本文對(duì)高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層層間粘接穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究,旨在提升路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用年限。

1 高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型

1.1 全厚式瀝青路面

將顆粒集料、礦粉、瀝青按照比例進(jìn)行調(diào)和,并將其加熱到既定溫度,將加熱后的材料拌和、攤鋪?zhàn)詈筮M(jìn)行壓實(shí),就可以得到全厚式瀝青路面[1]。此種瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)是路用性能相對(duì)穩(wěn)定,但是應(yīng)用熱拌熱鋪法制成的瀝青路面各層間處于完全粘接的狀態(tài),因此對(duì)原料品質(zhì)和制備方法都有著較高的要求。

1.2 組合式基層瀝青路面

此種瀝青路面的面層可分為三部分,分別為瀝青混凝土制成的面層、瀝青穩(wěn)定碎石制成的基層和無(wú)機(jī)結(jié)合材料制成的底基層。為了提升穩(wěn)定性,可以在半剛性基層上加鋪以鋪級(jí)配碎石為原料的過(guò)渡層[2]。該瀝青路面在剛投入使用時(shí)各層間是完全粘接的狀態(tài),但是當(dāng)半剛性層產(chǎn)生損傷時(shí),各層間的粘接狀態(tài)也會(huì)隨之消失。

1.3 柔性基層瀝青路面

柔性基層瀝青路面由面層和基層兩部分構(gòu)成,鑒于此種瀝青路面的材料是由顆粒狀材料集配而成,因此排水效果較差,容易因路面積水而造成損傷。但是擁有著更好的耐疲勞性,在使用過(guò)程中不易收縮、開(kāi)裂。

1.4 半剛性基層瀝青路面

由于該路面的基層材料選用的是土類(lèi)材料或是無(wú)機(jī)結(jié)合料,擁有良好的抗彎強(qiáng)度。因此半剛性基層瀝青路面不僅具備投入成本低、板體性好等優(yōu)點(diǎn),路面的整體穩(wěn)定性、耐久性也值得信賴(lài)[3]。正式由于這些優(yōu)點(diǎn),我國(guó)在最初鋪設(shè)高速公路時(shí),選用的都是這種瀝青路面,但是在實(shí)際使用過(guò)程中,此種瀝青路面的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái),其半剛性基層的水滲透性能力較差,直接影響了基層和瀝青層之間的粘接效果。

為了更加直觀(guān)地展示不同類(lèi)型的瀝青路面結(jié)構(gòu)層層間粘接情況,整理了表1 以供參考。

表1 不同類(lèi)型瀝青路面結(jié)構(gòu)層之間的粘接狀況Table 1 Bonding conditions between structural layers of different types of asphalt pavement

2 不同類(lèi)型的瀝青路面結(jié)構(gòu)層層間粘接穩(wěn)定性分析

在以往設(shè)計(jì)瀝青路面時(shí),無(wú)論何種瀝青路面我們都將其結(jié)構(gòu)層間的粘接狀況設(shè)定為完全粘接,但是這種設(shè)定顯然是不符合實(shí)際情況的,基于此種情況設(shè)計(jì)出的高速公路瀝青路面在實(shí)際使用過(guò)程中也無(wú)法打造預(yù)期的效果[4]。以下對(duì)不同類(lèi)型的瀝青路面結(jié)構(gòu)層層間粘接穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行具體分析。

2.1 半剛性層與半剛性層

通常情況下,水泥實(shí)際使用量、施工條件等外部因素都會(huì)對(duì)等溫壓縮系數(shù)造成影響,使其產(chǎn)生偏差,因此半剛性層的上、下結(jié)構(gòu)層之間難以實(shí)現(xiàn)完全粘接。因此,為了確保層間粘接穩(wěn)定性,兩個(gè)半剛性層應(yīng)當(dāng)同時(shí)施工,確保二者具備相同強(qiáng)度。但是在實(shí)際施工過(guò)程中,由于在鋪攤厚水泥穩(wěn)定碎石時(shí),要利用重力振動(dòng)壓土機(jī),因此要想完成同步施工難度是相對(duì)較大的。當(dāng)半剛性層的強(qiáng)度超出7～8MPa 時(shí),若剛度繼續(xù)變大,則瀝青路面的抗變形能力和層間粘接穩(wěn)定性都會(huì)隨之降低。

2.2 級(jí)配碎石層和半剛性基層

2.2.1 上層為半剛性層,下層為級(jí)配碎石層

土基在完成施工后,會(huì)出現(xiàn)一定幅度的沉降,由于級(jí)配碎石層擁有良好的抗變形能力,因此內(nèi)部的碎石材料會(huì)根據(jù)沉降狀況調(diào)整排列情況。原本經(jīng)過(guò)夯實(shí)的碎石材料會(huì)出現(xiàn)松散的情況,緊密度有所下降。在施工過(guò)程中,也只能通過(guò)加強(qiáng)施工壓實(shí)度來(lái)改善因沉降造成的碎石排布松散的問(wèn)題。基于此種情況,提出了下調(diào)級(jí)配碎石層的承載力的想法,但是應(yīng)用此種方法后,兩結(jié)構(gòu)層之間仍具備一定的粘接。

2.2.2 上層為級(jí)配碎石層,下層為半剛性層

半剛性層無(wú)論是強(qiáng)度或剛度都比級(jí)配碎石層要好,因此其塑性變形也極小,與此同時(shí),位于上層的級(jí)配碎石層也具備更良好的適應(yīng)力,此種路面可以更好地應(yīng)對(duì)路基沉降問(wèn)題。當(dāng)半剛性基層為受到損傷時(shí),級(jí)配碎石層擁有良好的排水效果,無(wú)論是路面積水或下滲雨水都能快速排出,層間的粘接穩(wěn)定性也不受影響,此時(shí)可以將粘接狀態(tài)看作完全粘接[5]。

2.3 配礫石和級(jí)配礫石

級(jí)配礫石,是指將不同大小的碎石集料和石屑按照特定的比例進(jìn)行混合、攪拌,同時(shí)要確保顆粒構(gòu)成符合要求。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,可以從多種渠道獲取碎石原料,就地取材就是一種常用的方式,加工好的混合料直接由機(jī)械進(jìn)行推鋪,操作方法簡(jiǎn)單。且由級(jí)配礫石打造的層面擁有良好的透水性和擴(kuò)散應(yīng)力,所以級(jí)配礫石和級(jí)配礫石間也可以看做是完全粘接的狀態(tài)。

2.4 瀝青穩(wěn)定碎石層和半剛性層

當(dāng)前常用的瀝青穩(wěn)定碎石分為兩種,分別是ATB 密級(jí)和AM 半開(kāi)級(jí)。ATB 密級(jí),在性能上和半剛性基層類(lèi)似,當(dāng)出現(xiàn)路面積水或滲水情況時(shí),水分需要很長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入結(jié)構(gòu)層層間。造成這種情況的原因是因?yàn)榇嘶鶎拥臑r青層較厚,且位置相對(duì)較低,層間的剪應(yīng)力略顯不足。單是二者的粘接狀態(tài)可以看作是完全粘接,制成的瀝青路面也更加耐用。若以AM 半開(kāi)級(jí)為基層,則不會(huì)出現(xiàn)層間不連續(xù)的情況,排水性能得到顯著提升,粘接狀態(tài)也可以看作是完全粘接。

2.5 瀝青穩(wěn)定碎石層和級(jí)配碎石層

利用瀝青的膠黏性來(lái)穩(wěn)定碎石,這種基面礦粉少、強(qiáng)度低,碎石之間的孔隙率也較大。前文中已經(jīng)提到,級(jí)配碎石層擁有良好的排水力,若加以透層和封層,其滲透力也會(huì)得到明顯提升。此外,瀝青穩(wěn)定碎石和級(jí)配碎石都具備良好的變形力,受外界因素影響時(shí)適應(yīng)力較強(qiáng),所以層間狀態(tài)也可以當(dāng)做完全粘接[6]。

2.6 瀝青面層和半剛性基層

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看,瀝青層面和干剛性基層之間的粘接效果較差,這也是阻礙其無(wú)法大規(guī)模鋪設(shè)的主要原因。當(dāng)瀝青路面使用半剛性基層時(shí),其自身具備緊密性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致下滲的積水無(wú)法通過(guò),從而造成基層表面積水的情況。在行車(chē)荷載的作用下,基層表面會(huì)慢慢形成“灰漿”,瀝青面層和半剛性基層之間也不再粘接,若問(wèn)題得不到解決,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)“脫空”、“唧漿”等情況。

2.7 半剛性底基層和土基

在路基填土?xí)r,由于無(wú)法保證土質(zhì)、土壤含水量的一致性,因此在填土工作完成后,會(huì)出現(xiàn)差異沉降量。其次,半剛性底層的抗變形能力較差,隨著高速公路的投入使用,差異沉降現(xiàn)象也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重,在半剛性底基層和土基之間會(huì)產(chǎn)生脫空區(qū)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步,土基的鋪就方法也得到了相應(yīng)的改善。因?yàn)轱柡蛙浲翆犹幱诘叵滤坏南路?在鋪就完成的初期,軟土層自身所帶的水分會(huì)承擔(dān)外部因素產(chǎn)生的附加應(yīng)力,慢慢的壓力消散的時(shí)間也會(huì)隨之減少,有效應(yīng)力的增長(zhǎng)速度變快,沉降速度變低,半剛性底基層和土層之間的粘接也更加穩(wěn)定。

2.8 級(jí)配礫石和土基

級(jí)配礫石基本都是由散體材料組成的,由于散體材料之間的孔隙較大,因此當(dāng)土基發(fā)生沉降后,其結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之變的松散,但是這種差異沉降可以通過(guò)增加施工壓實(shí)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)木徑狻．?dāng)路基趨于穩(wěn)定之后,受差異沉降消失的壓實(shí)度也會(huì)慢慢恢復(fù),地基反應(yīng)模量與設(shè)計(jì)之初的設(shè)定相符[7]。隨著使用年限的增長(zhǎng),級(jí)配礫石墊層的壓實(shí)度會(huì)逐年上升,相應(yīng)的承載力也會(huì)有所提升,級(jí)配礫石和土基之間的粘接穩(wěn)定性也更好。

2.9 瀝青層和瀝青層

瀝青層之間主要通過(guò)粘層油進(jìn)行連接,且噴灑的粘層油具有較強(qiáng)的粘性和穩(wěn)定性,如果不遭受?chē)?yán)重的污染和破壞,其粘性可以維持很長(zhǎng)一段時(shí)間,瀝青層之間的粘接狀態(tài)也可以看作為完全粘接。

為了更加直觀(guān)地了解各路面結(jié)構(gòu)層的粘接情況,將其進(jìn)行了總結(jié),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層粘接情況總結(jié)表Table 2 Summary table of bonding situation of each structural layer of asphalt pavement

3 不同層間結(jié)合條件對(duì)瀝青路面層間粘接穩(wěn)定性的影響

為了深入研究不同層間粘接狀態(tài)對(duì)高速公路瀝青路面產(chǎn)生的影響,設(shè)定了5 種結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比,具體設(shè)定見(jiàn)表3。

表3 不同類(lèi)型的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合表Table 3 Structure combination table of different types of asphalt pavement

完成結(jié)構(gòu)組合后,將土基模量取值設(shè)定為35MPa,土基泊松比數(shù)值設(shè)定為0.35。半剛性層泊松比數(shù)值設(shè)定為0.35,土基泊松比數(shù)值設(shè)定為0.25。柔性結(jié)構(gòu)層泊松比數(shù)值設(shè)定為0.3[8]。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果表Table 4 Calculation results of mechanical parameters

從表4 結(jié)果來(lái)看,當(dāng)考慮不同粘接條件后,半剛性基層瀝青路面的粘接穩(wěn)定性所受影響最大,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)影響適中,對(duì)純?nèi)嵝月访娴膶娱g粘接穩(wěn)定性幾乎不產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

瀝青路面結(jié)構(gòu)層層間粘接穩(wěn)定性是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考的重要因素,因此本文通過(guò)深度分析不同類(lèi)型的瀝青路面各結(jié)構(gòu)層層間的粘接狀態(tài),計(jì)算出了更為合理的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)際分析,也使我們意識(shí)到在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將各種外界影響因素考慮進(jìn)去,提出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,以此來(lái)確保各層間的穩(wěn)定性。