加鋪型就地熱再生層間熱結(jié)合性能試驗分析

蘇衛(wèi)國，伍勇輝，吳啟檳

(華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510640)

0 引言

對于破損舊瀝青路面修復一般可以選擇熱拌瀝青面層直接鋪裝，或采用銑刨重鋪。表面直接加鋪技術(shù)施工效率極高，使得路面防滑性能得到恢復，抑制水分滲透。不過在舊路面病害未徹底處理的條件下加鋪，容易出現(xiàn)反射裂縫現(xiàn)象，此時路面的連續(xù)性將會受到嚴重的破壞，而從超薄磨耗層角度來說，將會降低其使用的耐久性。同時兩層屬于冷結(jié)合，當厚度足夠時，結(jié)構(gòu)層作用才可以充分發(fā)揮?？紤]到舊瀝青混合料的循環(huán)再生，現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種集成加鋪的就地熱再生技術(shù)，100%利用舊路面層，再生加鋪后獲得等效厚度的新瀝青混凝土面層。加鋪型就地熱再生技術(shù)實際應用中，就是加熱以及耙松舊路面表面層(30～40 mm)，此階段還需要實現(xiàn)20 mm超薄高性能磨耗層同步鋪設，從而真正的實現(xiàn)熱結(jié)合，形成60 mm厚的再生加鋪整體結(jié)構(gòu)層。通過就地熱再生耙松使得原瀝青路面裂縫等病害被有效消除，在熱拌瀝青混和料(hot mixture asphalt, HMA)覆蓋層同步加鋪后，使得兩層熱態(tài)粘結(jié)，道路路用性能在很大程度上得到恢復，增加了使用壽命。這種解決方案的關(guān)鍵即是層間的結(jié)合效果，其優(yōu)劣將影響路面結(jié)構(gòu)的承載能力及道路的整體性能和使用壽命。為此，本文通過剪切實驗和拉拔實驗來對熱結(jié)合與傳統(tǒng)HMA加鋪的層間結(jié)合效果進行評價研究。

1 試驗概況

1.1 層間強度影響因素

層間結(jié)合部分可認為是一個特殊混合結(jié)構(gòu)，強度構(gòu)成包括了粘結(jié)力、摩擦和嵌擠力。因而可將層間強度形成因素進行總結(jié)：

① 層間界面集料相互嵌擠

采用傳統(tǒng)磨耗層加鋪，為了更好的粘結(jié)于舊路面，普遍采用的就是高粘性乳化瀝青，界面強度主要由乳化瀝青粘附作用提供。熱再生后實現(xiàn)磨耗層同步加鋪，集料熱態(tài)嵌入，層間界面的抗剪強度顯著提高。

② 層間界面瀝青的粘附作用

混合料自身瀝青與集料所提供的黏附力以及層間瀝青的粘結(jié)作用，這對于層間強度皆存在著一定的影響。瀝青具有相對較高的粘性，使得瀝青層結(jié)合強度顯著提高；保證層間瀝青具有合適的含量，使得層間聯(lián)結(jié)更為緊密。

③ 瀝青混合料的級配組合

級配組合也會影響到層間強度形成，骨架空隙型結(jié)構(gòu)等不同結(jié)構(gòu)類型混合料在熱態(tài)下實現(xiàn)層間結(jié)合，這在一定程度上會影響嵌入深度。瀝青混合料結(jié)構(gòu)類型相同，存在著差異的公稱最大粒徑，或具有不同的油石比，在這種情形下結(jié)構(gòu)的結(jié)合強度也會有所不同。

1.2 材料設計

1.2.1 瀝青

瀝青采用廣州南粵牌SBS改性瀝青，路用性能分級為PG76—22, 按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對瀝青及制備的乳化瀝青性能進行相應指標的檢驗(表1、表2)。

表1 SBS改性瀝青性能指標

表2 乳化瀝青性能指標

1.2.2 級配設計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)進行相關(guān)設計指標、性能指標的測試。通過馬歇爾試驗確定混合料最佳油石比，SMA-10通過析漏及飛散進行油石比確定。AC-13最佳油石比為4.9%，SMA-10最佳瀝青用量為6.5%，瀝青混合料的礦料通過篩孔的質(zhì)量百分數(shù)見表3。

表3 瀝青混合料的礦料通過篩孔的質(zhì)量百分數(shù)

2 熱結(jié)合嵌入深度的研究

2.1 層間嵌入深度與溫度關(guān)系試驗

熱態(tài)下瀝青混合料的層間結(jié)合，形成的齒狀嵌入并不規(guī)則，在各種結(jié)合溫度下，制作成型雙層馬歇爾試件。順著直徑方向采用20 mm寬錫紙的進行布設，后續(xù)試驗所展開的剖切主要順著錫紙長度方向，在對上下層結(jié)構(gòu)分層時主要選擇采用錫紙位置進行辨別。對每個樣品剖面選取8個相鄰波峰和波谷到下邊界的高度差進行測量，這一過程中所選用的工具為游標卡尺，對其平均值進行計算，此時也就獲得了層間嵌入深度。錫紙布設和嵌入深度測量如圖1所示。

圖1 加鋪型熱再生層間嵌入深度測量

在各種攤鋪結(jié)合溫度的條件下，全方位的分析其與加鋪型熱再生層間嵌入深度間的關(guān)聯(lián)性，為了真正的掌握其中的規(guī)律，采取雙層擊實成型試驗研究，主要試驗過程為：

① 在此次試驗中主要選擇采用了雙層馬歇爾試件：具體即為SMA-10(23.5 mm) + AC-13(40 mm)。

② 將混合料AC-13按擊實后大約40 mm高度的比例放入，首先需要開展預擊實，總共進行的次數(shù)為15次，對擊實功進行分析可知，其與熨平板對再生層所進行的預壓實是等價的[1]，AC-13試件在完成了處理后，后續(xù)就可以進行20 mm寬度錫箔紙帶的布設，錫箔紙布置形式及布置位置分別如圖2和圖3所示。將AC-13試件帶模具轉(zhuǎn)移到烘箱保溫，該環(huán)節(jié)總共持續(xù)的時間為1 h。

圖2 錫箔紙布置形式

圖3 錫箔紙布置位置

③ 在160、140、120、100 ℃的溫度條件下分別取出試件，將上面層160 ℃混合料加鋪到其中，此時需要開展正反擊實，總共進行的次數(shù)為75次，針對熱結(jié)合作用下，相應的嵌入效果進行模擬；分別選擇不同溫度下的3個試件切割，主要目的是對嵌入深度進行測量。

④ 傳統(tǒng)加鋪試件成型：AC-13混合料在試驗中需要施加雙面擊實，總共進行的次數(shù)為50次。等待AC-13底層溫度降低到25 ℃，將粘層油均勻撒布，試模中添加保溫到160 ℃的上面層混合料SMA-10(擊實后將會達到約23.5 mm的高度)，此時開展正反擊實，總共進行的次數(shù)為50次。

⑤ 順著錫紙中部長度方向來將試件切開，以錫紙位置分辨上下層結(jié)構(gòu)。采用游標卡尺測量層間嵌入深度，同時還需要對結(jié)果進行嚴格的記錄。

實施熱結(jié)合擊實，總共進行的次數(shù)為90次，實施傳統(tǒng)加鋪擊實，總共進行的次數(shù)為100次。后一種方法要多擊實10次。成型方式不同，但擊實總次數(shù)具有相對較小的差異，使得材料的擊實功是基本相同的。圖4和圖5所示分別為熱結(jié)合層間黏結(jié)圖和傳統(tǒng)加鋪層間連接圖。

圖4 熱結(jié)合層間黏結(jié)

圖5 傳統(tǒng)加鋪層間連接

層間嵌入深度隨結(jié)合溫度的變化如圖6所示，溫度變化與層間嵌擠深度試驗結(jié)果見表4，分析圖6和表4可知，160 ℃的層間嵌入深度要更大，經(jīng)過分析后可以發(fā)現(xiàn)其嵌入深度比100 ℃有98.3%的提升。而對于傳統(tǒng)超薄加鋪來講，其具有極小的嵌入深度，近乎為0，對加鋪所獲得的層間嵌入深度進行分析可知，其與加鋪方式有緊密的關(guān)聯(lián)性，其大小很大程度上取決于底層材料的結(jié)合溫度。

圖6 層間嵌入深度隨結(jié)合溫度的變化

表4 溫度變化與層間嵌擠深度試驗結(jié)果

3 熱結(jié)合條件下層間黏結(jié)性能評價

3.1 評估界面粘合的試驗方案

國內(nèi)相關(guān)試驗標準以及測試方法并不統(tǒng)一。瀝青路面破壞多源自于剪切等作用。依據(jù)損傷形式來源的差異，不同地區(qū)研究者開發(fā)了不同的試驗儀器進行相關(guān)試驗。

綜合國內(nèi)外目前采用的評估界面粘合的試驗方法，試驗如下：①不存在法向應力條件下以直接剪切粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;②施加正應力以直接剪切粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;③DST試驗;④以傾斜剪切作為重點內(nèi)容所展開的試驗;⑤以扭矩粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;⑥以原位扭轉(zhuǎn)粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;⑦以直接拉伸粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;⑧以間接拉伸粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;⑨以原位拉伸粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;⑩以3點剪切粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗;以4點剪切粘結(jié)作為重點內(nèi)容所展開的試驗[2]。

國內(nèi)扭轉(zhuǎn)試驗、剪切試驗等較為常用，此次課題研究中主要選擇直剪試驗以及拉拔試驗評價集成結(jié)構(gòu)熱結(jié)合效果，室內(nèi)試驗條件見表5。

表5 室內(nèi)試驗條件

3.2 層間直剪試驗

直接剪切試驗較為常用。將剪切位移速率施加到雙層試樣的界面處，最終將會達到界面破壞。此時就可以得到剪切強度，以此作為指標，進而實現(xiàn)對材料粘合特征的評價。試件成型在制作馬歇爾試件的過程中，此次試驗中主要選擇采用了SMA-10(23.5 mm)+AC-13( 40 mm)。

而對于瀝青混合料研究來講，很多學者以摩爾-庫侖理論作為理論方法對象，基于該理論來評定其抗剪強度?？辜魪姸戎饕醋杂谡掣搅?、摩擦阻力[3]，其公式如下：

τ=c+σtanφ，

(1)

式中，τ為材料抗剪強度，MPa；c為材料粘結(jié)力，MPa;σ為法向應力，MPa;φ為材料內(nèi)磨擦角,rad。

當前直接剪切試驗設備主要包括了以下類型，一類為圍繞單純直接剪切所展開的試驗，另一類就是施加以正應力進行的直剪試驗。此次試驗中所選擇采用的夾具如圖7所示, 正應力施加的強度值在此次試驗中具體為0.7 MPa。每組至少需要展開3次試驗，熱結(jié)合的剪切破壞和含粘層油界面的剪切破壞情況分別如圖8和圖9所示，剪切試驗結(jié)果見表6。

圖7 剪切夾具細部結(jié)構(gòu)圖

表6 剪切試驗結(jié)果

圖8 熱結(jié)合的剪切破壞

圖9 含粘層油界面的剪切破壞

在破壞性實驗中，為了將加載作用下蠕變影響有效的降低，主要采用的方式就是快速加載，加載速率在此次實驗中主要選擇取用50 mm/min的剪切速率。對雙層馬歇爾試樣進行測試，以此來展開粘結(jié)強度的評估，層間粘結(jié)強度基于公式(2)～(4)進行計算。

δ=F/S，

(2)

ε=Δl/L，

(3)

GS=δ/ε，

(4)

式中，F(xiàn)為材料損壞最大剪力，N;S為受剪面積,m2;δ為抗剪強度,Pa;Δl為最大剪切力時的豎向位移，mm;L為豎向長度，mm;ε為應變；GS為最大剪切模量，Pa。

圖10所示為在25 ℃實驗條件下層間熱結(jié)合的剪切應力變化曲線，由圖10可以看出，隨著溫度的升高，層間剪切應力逐漸增大。從100 ℃到120 ℃剪切應力增幅明顯，同樣的變化趨勢也出現(xiàn)在120 ℃到140 ℃階段；120 ℃到140 ℃，經(jīng)過測定后可以發(fā)現(xiàn)剪切應力有最大的應力增幅，剪切應力在這一過程中存在有0.6 MPa的增加，統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)有26.7%的增幅。從140 ℃到160 ℃，此階段有相對更小的增加幅度，同時剪切應力呈現(xiàn)出相對更小的變化幅度。熱結(jié)合條件，160 ℃溫度條件下的粘結(jié)，將會具有相對更大的剪切應力，比100 ℃時要大1.09 MPa，統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)有58.6%的增幅。

圖10 25 ℃層間熱結(jié)合的剪切應力變化

圖11所示為25 ℃粘層油撒布條件下剪切應力變化曲線，由圖11可以看出剪切應力并不是單向變化的，在初期階段呈現(xiàn)出的趨勢為上升，0.4 kg /m2時對應峰值1.74 MPa，此后存在持續(xù)下降情況，不過經(jīng)過分析后可以發(fā)現(xiàn)其要小于熱結(jié)合條件下的剪切試驗強度；0.6 kg /m2至0.8 kg /m2階段，經(jīng)過觀察后發(fā)現(xiàn)具有快速降低的剪切應力強度，出現(xiàn)這種情況的主要原因就是乳化瀝青撒布過多，在層間抗剪切強度方面并不理想，這一階段會形成相對薄弱層，這在很大程度上也就降低了剪切應力。熱結(jié)合在粘結(jié)溫度在140 ℃和160 ℃的實驗結(jié)果基本相近，斷層位置主要在上層或下層混合料層結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生，粘結(jié)面位置在這種情況下就可以判定并非剪切強度薄弱位置。

圖11 25 ℃粘層油撒布的剪切應力變化

圖12和圖13分別為60 ℃層間熱結(jié)合剪切應力變化和60 ℃粘層撒布剪切應力變化曲線，對60 ℃溫度下的剪切規(guī)律進行分析可知，其變化十分接近于25 ℃條件；熱結(jié)合條件下，不斷的增加結(jié)合溫度，經(jīng)過觀察后發(fā)現(xiàn)試件具有不斷提高的整體剪切強度，在160 ℃結(jié)合條件下獲得最大剪切強度具體為1.48 MPa。粘層油撒布條件，持續(xù)的增加粘層油用量，這在一定程度上會改變剪切強度，呈現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢，0.4 kg /m2乳化瀝青撒布條件時獲得一個剪切強度的最大峰值為0.73 MPa。兩者相比而言，在60 ℃實驗條件下，熱結(jié)合條件依然擁有較好的層間剪切性能。

圖12 60 ℃層間熱結(jié)合的剪切應力變化

圖13 60 ℃粘層油撒布剪切應力變化

3.3 層間拉拔試驗

在實驗室或現(xiàn)場都可以進行這一項試驗。主要就是將拉伸應力施加給雙層試樣。其頂部和底部在拉拔模具上粘貼，此時主要選擇采用的就是高強度AB膠；試驗的過程中，拉拔模具將會順著軸向拉出，最終一直到界面發(fā)生破裂。對此時最大荷載進行記載，拉拔試驗結(jié)果見表7。

表7 拉拔試驗結(jié)果

在測試之前，樣品需要分別轉(zhuǎn)移到(25 ± 0.5) ℃和(60 ± 0.5 ℃) 的環(huán)境中，這一環(huán)節(jié)總共持續(xù)的時間為2 h。采用拉拔夾具來展開拉拔試驗，在實施加載控制的過程中，主要采用的速率為50 mm / min ，最終將會出現(xiàn)破壞。對其強度的計算主要遵循著如下公式：

SP=4Pmax/πD2，

(5)

式中，SP為試件強度，MPa;Pmax為最大載荷，N；D為試件的直徑，mm。

由拉拔試驗結(jié)果可知，熱結(jié)合斷裂位置主要發(fā)生在下層界面，而撒布粘層油的熱接冷試件，拉斷位置大多位于層與層的連接位置，斷裂形式分別如圖14和圖15所示，由圖14和圖15可以看出，在熱結(jié)合條件下，層間界面非薄弱界面，在撒布粘層油熱接冷試件中，層間位置將會最早出現(xiàn)破壞的，依托于熱結(jié)合，試件整體性能在很大程度上得到保證，層間連續(xù)性十分出色。

圖14 層間界面位置處拉斷

圖15 下部界面位置拉斷

圖16和圖18所示分別為25 ℃和60 ℃熱結(jié)合拉拔試驗強度曲線，經(jīng)過觀察后可以發(fā)現(xiàn)，拉拔實驗強度呈現(xiàn)單向增長，提高結(jié)合溫度，有助于提高整體拉拔強度，不過僅小幅度提升，160 ℃熱結(jié)合比100 ℃帶來9.5%的強度提高。圖17和圖19所示分別為25 ℃和60 ℃粘層油撒布條件下拉拔試驗強度曲線。

圖16 25 ℃熱結(jié)合拉拔試驗強度

圖17 25 ℃粘層油撒布條件下拉拔試驗強度

圖18 60 ℃熱結(jié)合拉拔試驗強度

由圖16至圖19可以看出，拉拔強度并不是單向變化的，在初期階段呈現(xiàn)出的趨勢為上升，此后將會逐漸的下降，在0.2 kg/m2條件對比無粘層油撒布，這在一定程度上提高了拉拔性能強度，從最開始階段的0.74 MPa，實現(xiàn)至1.27 MPa拉拔強度的提升，拉拔強度此時經(jīng)過測定后可以發(fā)現(xiàn)有71.6%的提升。0.6 kg/m2對應拉拔強度峰值為1.35 MPa，熱結(jié)合時100 ℃對應1.78 MPa，對比后可以發(fā)現(xiàn)要低31.8%，整體來看，熱結(jié)合讓拉拔強度得到進一步提高。

圖19 60 ℃粘層油撒布條件下拉拔試驗強度

4 粘結(jié)性能數(shù)據(jù)綜合分析

4.1 熱結(jié)合條件下的綜合分析

剪切拉拔嵌入綜合性能評價如圖20所示，由圖20可知，25 ℃及60 ℃條件下，增加結(jié)合溫度，此時對應著相對更大的剪切強度。在結(jié)合溫度由100 ℃到120 ℃，以及120 ℃到140 ℃的過程中，25 ℃條件下及60 ℃條件下剪切強度基本與嵌入深度增長斜率一致；但在140 ℃到160 ℃過程中嵌入深度增長斜率值較大，但是25 ℃及60 ℃環(huán)境的實驗條件下的140 ℃和160 ℃結(jié)合溫度下的剪切強度增長斜率較小，數(shù)據(jù)差距不大；原因如下，結(jié)合溫度為140 ℃和160 ℃，層間界面在這種情況下并非為軟弱界面，熱結(jié)合瀝青的粘結(jié)與集料的互鎖在很大程度上提供了剪切強度，表面熱結(jié)合在140 ℃及以上時，此時所獲得的層間粘結(jié)力將十分出色，使得層與層的弱結(jié)合面也就被有效消除。不斷的提高層間嵌入深度，這在一定程度上也就提高了拉拔強度，不過相關(guān)性并不顯著；在提高了結(jié)合溫度后，瀝青間具有更好的結(jié)合效果，導致增大了拉拔強度，不過提升幅度有限。在增加了結(jié)合溫度后，此時將會增加互鎖深度，從斜率來看，互鎖深度在很大程度上會影響到抗剪強度，這種影響要比拉拔強度更為顯著。25 ℃、60 ℃條件下，剪切強度峰值出現(xiàn)在160 ℃熱結(jié)合溫度，60 ℃下的極限剪切強度顯著低于25 ℃時，僅為后者50.2%。在25 ℃及60 ℃條件下，拉拔強度峰值都出現(xiàn)在160 ℃的結(jié)合條件，60 ℃試驗條件極限拉拔強度為25 ℃的14.3%，表明高溫致使層間強度出現(xiàn)較大的衰減。

圖20 剪切拉拔嵌入綜合性能評價

4.2 粘層油撒布條件下的綜合分析

粘層油條件下綜合性能評價如圖21所示，由圖21分析可知，不斷的增加粘層油撒布量，剪切、拉拔強度皆存在拉拔和剪切的峰值。剪切強度在25 ℃實驗條件及60 ℃實驗條件下，強度峰值都出現(xiàn)在0.4 kg/m2。60 ℃試驗條件下的剪切峰值強度為25 ℃試驗條件下的42.0%。在25 ℃、60 ℃實驗條件，拉拔強度峰值出現(xiàn)在0.6 kg/m2，60 ℃試驗條件為25 ℃時的15.6%。高溫環(huán)境中，觀察可以發(fā)現(xiàn)皆具有相對更低的剪切及拉拔強度，其中降幅最大的就是拉拔強度。

圖21 粘層油條件下綜合性能評價

4.3 熱結(jié)合及粘層油撒布的綜合分析

① 25 ℃條件下的剪切和拉拔性能評價

25 ℃實驗條件下，熱結(jié)合的拉拔強度及剪切強度優(yōu)于撒布粘層油條件。熱結(jié)合最大剪切強度達到了2.95 MPa, 粘層油撒布條件下最大剪切應力1.74 MPa,熱結(jié)合性能相比粘層油撒布得到的剪切強度提升了69.5%。熱結(jié)合最大拉拔強度達到了1.95 MPa, 粘層油撒布條件下最大拉拔應力1.35 MPa,熱結(jié)合性能相比粘層油撒布得到的拉拔強度提升了44.4%。

② 60 ℃條件下的剪切和拉拔性能評價

60 ℃實驗條件下，熱結(jié)合的拉拔強度及剪切強度同樣優(yōu)于撒布粘層油條件。熱結(jié)合最大剪切強度為1.48 MPa, 粘層油撒布條件下最大剪切應力0.73 MPa,熱結(jié)合性能相比粘層油撒布得到的剪切強度提升了102.7%。熱結(jié)合最大拉拔強度為0.28 MPa, 粘層油撒布條件下最大拉拔應力0.21 MPa,熱結(jié)合性能相比粘層油撒布得到的拉拔強度提升了33.3%。

5 結(jié)論

通過剪切和拉拔性能實驗對就地熱再生加鋪層間熱結(jié)合與傳統(tǒng)加鋪的剪切及拉拔強度進行綜合分析評價，實驗結(jié)果表明：

① 層間嵌入深度隨著結(jié)合溫度的升高逐漸增大，傳統(tǒng)加鋪形式層間嵌入深度取決于集料類型和下承層的構(gòu)造深度。

② 層間熱結(jié)合在剪切以及拉拔性能得到顯著的提升，這兩方面均要優(yōu)于傳統(tǒng)薄層加鋪方式，持續(xù)的增加層間嵌入深度，這在一定程度上就會增加層間剪切強度，在140 ℃及以上時，層間剪切強度不再隨嵌入深度增加而增加，這種情況下以混合料的強度為主。

③ 25 ℃條件下，與乳化瀝青撒布時進行對比，熱結(jié)合具有相對更大的剪切強度最大值，整體來看有69.5%的提升，拉拔強度經(jīng)過測定后可以發(fā)現(xiàn)有44.4%的提升。

④ 60 ℃條件下，熱結(jié)合的剪切強度最大值則有102.7%的提升，拉拔強度經(jīng)過測定后可以發(fā)現(xiàn)有33.3%的提升。