瀝青路面增強(qiáng)型基-面層層間黏結(jié)組合材料優(yōu)選試驗(yàn)研究

邸洪江，何宏智，尹顯輝，任東亞，艾長(zhǎng)發(fā)

(1.河北雄安榮烏高速公路有限公司，河北 保定 071700；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

半剛性基層瀝青路面是中國(guó)廣泛采用的典型路面結(jié)構(gòu)，但其基-面層作為一種上下異質(zhì)性結(jié)構(gòu)組合，其層間黏結(jié)往往十分薄弱，常因此而誘發(fā)諸多病害[1-2]。為改善上下結(jié)構(gòu)層因模量、變形能力和應(yīng)力傳遞等方面的差異，需要高度重視其層間黏結(jié)[3]。而現(xiàn)有路面施工中，基-面層層間處置時(shí)較為粗糙，大多只有透層或封層等單一黏結(jié)材料[4-5]。面對(duì)日益增加的交通量，這種層間處置方式顯然難以滿足對(duì)路面結(jié)構(gòu)整體性和長(zhǎng)久性的要求，迫切需要對(duì)層間黏結(jié)進(jìn)行加強(qiáng)。周澤洪[6-7]等通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用透層和防水黏結(jié)層相組合的層間黏結(jié)可以有效防止層間損壞，并在此基礎(chǔ)上探究了這種組合式層間黏結(jié)中不同粘層油和碎石粒徑及各自用量等對(duì)基-面層間抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，同時(shí)，在考慮高溫?fù)p壞的條件下推薦了合理試驗(yàn)溫度為60 ℃。

透層油作為基-面層層間的重要黏結(jié)材料，既可以加強(qiáng)基-面層層間結(jié)合，又可以固結(jié)保護(hù)基層表面以實(shí)現(xiàn)基層的封閉養(yǎng)生[8]。研發(fā)或選擇優(yōu)質(zhì)透層油非常重要，為此，DU[9]等研制了高滲透乳化瀝青作為加強(qiáng)基-面層層間黏結(jié)材料；張秋瑞[10]、杜本發(fā)[11]等研制了高黏乳化瀝青作為層間黏結(jié)的透層油材料；Mohan[12]為給施工中透層油類型的選擇提供依據(jù)，對(duì)6種透層油進(jìn)行了強(qiáng)度和滲透性能的測(cè)試；武建民[13]根據(jù)“選擇性滲透”理念，通過加入各種外摻劑制備了更加有利于基-面層層間黏結(jié)的透層油產(chǎn)品。

為減少基層受水沖刷而產(chǎn)生唧漿病害，層間防水是層間的另一重要功能需求。為實(shí)現(xiàn)基-面層層間同時(shí)滿足黏結(jié)和防水兩個(gè)功能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路面層間防水黏結(jié)層進(jìn)行了深入研究[5,14-20]。其中，張鋒[14]、Hicks[15]等針對(duì)橋面復(fù)合防水黏結(jié)層的性能進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究；錢振東[16]對(duì)REAS防水黏結(jié)層進(jìn)行了斜剪試驗(yàn)，并基于能量分析法證明了其抗剪強(qiáng)度在凍融循環(huán)作用下呈拋物線型衰減；Kodippily[17]研究了碎石封層試件在側(cè)向循環(huán)荷載作用下的變形規(guī)律，確定碎石封層試件中氣孔分布的變化，并研究了封層中的黏結(jié)劑體積對(duì)其變形模式和沖刷行為的影響；張敏江[5]、張麗萍[18]等研究發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青(碎石)封層具有優(yōu)良的層間防水黏結(jié)效果；宋亮[19]、Li[20]等研究發(fā)現(xiàn)在封層中加入纖維進(jìn)一步提高了層間拉拔和抗剪強(qiáng)度。

基于透層和防水黏結(jié)層各自的優(yōu)點(diǎn)，綜合采用透層+防水黏結(jié)層的增強(qiáng)型層間黏結(jié)組合方案(下文簡(jiǎn)稱透黏組合)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)基-面層層間的牢固黏結(jié)和優(yōu)異防水功能。為此，許多學(xué)者從層間材料及用量、環(huán)境條件和施工工藝等方面開展了大量研究工作[6,21-25]，但已有研究重點(diǎn)關(guān)注層間材料變化、環(huán)境差異和施工方式不同而導(dǎo)致層間黏結(jié)性能的變化等方面，而對(duì)在不同環(huán)境條件下如何基于層間黏結(jié)性能進(jìn)行層間黏結(jié)材料組合形式優(yōu)選研究得不夠。

為此，本研究針對(duì)半剛性基層瀝青路面這一異質(zhì)性結(jié)構(gòu)，提出了采用“透黏組合式”黏結(jié)材料作為其層間黏結(jié)層，并通過低溫、常溫和高溫等不同環(huán)境溫度下的直接剪切和拉拔試驗(yàn)，分析不同用量的透黏組合材料對(duì)基-面層層間力學(xué)性能的影響，以及溫度因素對(duì)層間黏結(jié)效應(yīng)的影響，尋求不同區(qū)域環(huán)境下的增強(qiáng)型基-面層層間黏結(jié)適宜材料組合，以為基于區(qū)域環(huán)境溫度下的瀝青路面增強(qiáng)型基-面層層間黏結(jié)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)材料及試件制備

1.1 試驗(yàn)材料

研究中半剛性基層為水泥穩(wěn)定碎石，水泥用量5.5%，瀝青面層為橡膠改性瀝青混合料ARHM-25，半剛性基層及面層所用礦質(zhì)混合料級(jí)配如表1所示?；鶎雍兔鎸訉娱g黏結(jié)材料選用透黏組合材料，其中，選用PC-2型乳化瀝青透層油作為透層材料，以纖維加強(qiáng)型橡膠改性瀝青碎石封層作為防水黏結(jié)層，黏層變量為橡膠改性瀝青，纖維為玻璃纖維。本次試驗(yàn)中纖維用量參照文獻(xiàn)[26]，取為100 g/m2；碎石選用5～10 mm的單一粒徑石料，其灑布面積占總面積的55%～60%。

表1 基層和面層礦質(zhì)混合料級(jí)配Tab.1 Gradation of mineral aggregate in base course and surface course

1.2 試件制備

利用上述材料制作由ARHM-25面層和水泥穩(wěn)定碎石基層組成的復(fù)合試件樣本。制備復(fù)合試件時(shí)，采用碾壓法進(jìn)行試件成型。首先，制作水泥穩(wěn)定碎石基層，待基層養(yǎng)護(hù)好后，使用鋼刷和高壓水槍對(duì)基層表面進(jìn)行清理，保證表面的潔凈；其次，在處理好的基層表面先灑布PC-2型乳化瀝青透層油，破乳后再灑布纖維加強(qiáng)型橡膠改性瀝青碎石封層；然后，待層間黏結(jié)層處理完畢，再倒入瀝青混合料ARHM-25成型上部面層結(jié)構(gòu)；最后，采用直徑100 mm 的鉆芯機(jī)對(duì)整個(gè)模具中的復(fù)合試件進(jìn)行試樣的鉆取，獲取試驗(yàn)所用的圓柱體試件。復(fù)合試件的成型及鉆取過程如圖1所示。

圖1 試件成型示意圖Fig.1 Schematic diagram of molding of specimen

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)中所用夾具均為團(tuán)隊(duì)自行研制加工，以萬能試驗(yàn)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備，試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of direct shear test and pull-out test

試驗(yàn)時(shí)，首先將鉆取的芯樣分批次置于溫控箱內(nèi)保溫4 h；而后將控溫好的復(fù)合試件快速安裝到剪切或拉拔裝置上；最后利用萬能試驗(yàn)機(jī)提供受力，以測(cè)試各組試件在不同溫度下的層間抗剪強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度。在測(cè)定復(fù)合試件層間抗剪強(qiáng)度時(shí)，其剪切速率取為50 mm/min；測(cè)定拉拔強(qiáng)度時(shí)，其拉拔速率取為10 mm/min。整個(gè)試件測(cè)試過程不超過2 min，保證試件在合格條件下完成測(cè)試。其中，各試驗(yàn)條件下的平行試件數(shù)量為3個(gè)，且以3個(gè)平行試件測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)方案

(1)不同層間組合方案

結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[27]，試驗(yàn)中以層間僅灑布透層油為對(duì)照組，其灑布量為1.1 L/m2。當(dāng)采用透黏雙層組合時(shí)，PC-2型透層油取0.4，0.6和0.8 L/m2這3種用量，防水黏結(jié)層中橡膠改性瀝青取0，0.9和1.8 kg/m2這3種用量。依據(jù)上述兩種材料、3種用量情況，其層間透黏組合共設(shè)計(jì)了9種組合形式(見表2)，組合10為對(duì)照組。

表2 層間材料組合形式Tab.2 Combination forms of interlayer materials

(2)試驗(yàn)溫度方案

溫度作為路面層間結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的影響因素不容忽視[28]。為研究溫度對(duì)層間黏結(jié)性能的影響，本研究考慮低溫、常溫和高溫3種情況，試驗(yàn)溫度取值范圍為-10～50 ℃，對(duì)應(yīng)低溫、常溫和高溫3種典型溫度。分別對(duì)-10 ℃，25 ℃和50 ℃下的復(fù)合試件進(jìn)行層間直剪和拉拔試驗(yàn)，以探究不同溫度下的層間黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表2中各層間組合在不同溫度下的層間抗剪和拉拔強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 各組合方案下的層間強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test result of interlayer strength under each combination scheme

3.2 單一透層油對(duì)層間黏結(jié)性能的影響

為探明透層油對(duì)基-面層層間黏結(jié)性能的影響，對(duì)層間僅灑布PC-2透層油時(shí)的層間黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，即表2中的組合1，4，7及10，對(duì)應(yīng)的透層油灑布量為0.4，0.6，0.8和1.1 L/m2。在低溫、常溫和高溫下的層間抗剪和拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 不同溫度條件下的層間抗剪強(qiáng)度Fig.3 Interlayer shear strength at each temperature

圖4 不同溫度條件下的層間拉拔強(qiáng)度Fig.4 Interlayer tensile strength at each temperature

由圖3、圖4可知：

(1)低溫、常溫條件下，復(fù)合試件的層間強(qiáng)度隨透層油用量的增加而呈現(xiàn)整體增長(zhǎng)趨勢(shì)，且具有兩階段特征。對(duì)于層間抗剪強(qiáng)度，當(dāng)透層油用量由0.4 L/m2增加至0.6 L/m2時(shí)，-10 ℃的強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，而25 ℃的增長(zhǎng)迅速；當(dāng)透層油用量由0.6 L/m2增加至1.1 L/m2時(shí)，-10 ℃及25 ℃的強(qiáng)度近乎呈相同趨勢(shì)線性增長(zhǎng)。對(duì)于層間拉拔強(qiáng)度，其隨透層油用量的增加而增長(zhǎng)的趨勢(shì)與層間抗剪強(qiáng)度有差異，當(dāng)透層油用量由0.4 L/m2增加至0.6 L/m2時(shí)，-10 ℃ 及25 ℃的強(qiáng)度均增長(zhǎng)迅速，而當(dāng)透層油用量由0.6 L/m2增加至1.1 L/m2時(shí)，-10 ℃及25 ℃的增長(zhǎng)緩慢。以上結(jié)果表明在低溫和常溫條件下，透層油用量的增加對(duì)復(fù)合試件的層間強(qiáng)度有提高作用，且以用量為0.6 L/m2為分界點(diǎn)形成強(qiáng)度增長(zhǎng)兩階段特征。

(2)高溫條件下，復(fù)合試件的層間強(qiáng)度明顯低于低溫及常溫的，且隨透層油用量的增加呈先增后減趨勢(shì)，并存在以用量約為0.6 L/m2的特征分界點(diǎn)。當(dāng)透層油用量小于0.6 L/m2時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)，大于0.6 L/m2時(shí)，則呈下降趨勢(shì)；而對(duì)于層間拉拔強(qiáng)度，當(dāng)透層油用量小于0.6 L/m2時(shí)，強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)；透層油用量在0.6～0.8 L/m2時(shí)，強(qiáng)度幾乎沒有增長(zhǎng)；當(dāng)透層油用量大于0.8 L/m2時(shí)，強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。由此可見，在高溫條件下，透層油用量的持續(xù)增加對(duì)復(fù)合試件的層間抗剪及拉拔強(qiáng)度具有抑制作用。

綜上分析，溫度是影響層間透層油用量的關(guān)鍵因素，而高溫是影響層間黏結(jié)性能的決定性因素。為使高溫時(shí)的層間抗剪及拉拔強(qiáng)度更有保障，推薦基-面層層間PC-2型乳化瀝青單層透層油的適宜灑布量為0.6 L/m2。

3.3 “透黏組合”材料對(duì)層間黏結(jié)性能的影響

各“透黏組合”材料下的層間抗剪和拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分別如圖5、圖6所示。其中，組合1，4，7為單一透層油下的情況，其余各組為“透層+封層”的透黏組合下的情況。

圖5 各組合下的層間抗剪強(qiáng)度Fig.5 Interlayer shear strength under each combination

圖6 各組合下的層間拉拔強(qiáng)度Fig.6 Interlayer tensile strength under each combination

由圖5和圖6可知：

(1)當(dāng)層間黏結(jié)材料由單一透層油變成“透層+封層”的透黏組合材料時(shí)，復(fù)合試件的層間抗剪和拉拔強(qiáng)度均大幅度提高，證明透黏組合材料明顯有利于增強(qiáng)基-面層層間黏結(jié)，進(jìn)而提升基-面層層間黏結(jié)效果。

(2)將組合2和3、組合5和6及組合8和9分成3組進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用組合5和組合6時(shí)，各溫度條件下的層間抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均大于其他兩組，說明當(dāng)透層油用量為0.6 L/m2時(shí)再灑布橡膠改性瀝青碎石封層更有利于增強(qiáng)基-面層層間黏結(jié)。

(3)在上述(2)的基礎(chǔ)上，將組合5和組合6進(jìn)行對(duì)比，即透層油用量固定為0.6 L/m2，橡膠改性瀝青碎石封層中的瀝青用量由0.9 kg/m2增至1.8 kg/m2時(shí)，低溫、常溫情況下的層間抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而高溫情況下則呈下降趨勢(shì)。這說明即使基-面層層間黏結(jié)采用增強(qiáng)型的透黏組合材料，其材料用量在具體工程實(shí)踐中也應(yīng)依據(jù)工程區(qū)域環(huán)境溫度特征而定。

3.4 層間適宜的透黏組合材料用量確定

綜合上述3.2節(jié)、3.3節(jié)的分析結(jié)果可知，溫度、層間材料及其用量對(duì)層間強(qiáng)度影響顯著，不同區(qū)域環(huán)境溫度下適宜的層間透黏組合材料用量不同。為保證基-面層層間有效黏結(jié)，在夏季無高溫地區(qū)，推薦適宜的層間黏結(jié)材料采用組合6，即采取層間灑布用量為0.6 L/m2的PC-2型乳化瀝青透層油+瀝青用量為1.8 kg/m2的摻纖維橡膠改性瀝青碎石封層的增強(qiáng)型層間黏結(jié)措施；在夏季炎熱高溫地區(qū)，推薦適宜的層間黏結(jié)材料采用組合5，即采取層間灑布用量為0.6 L/m2的PC-2型乳化瀝青透層油+瀝青用量為0.9 kg/m2的摻纖維橡膠改性瀝青碎石封層的增強(qiáng)型層間黏結(jié)措施。

3.5 層間材料對(duì)層間強(qiáng)度的溫度敏感性分析

為明晰層間材料對(duì)層間強(qiáng)度的具體影響程度，對(duì)層間組合材料進(jìn)行不同溫度下的主效應(yīng)分析，結(jié)果如表4所示。

表4 層間組合材料在不同溫度下對(duì)層間強(qiáng)度影響的顯著性Tab.4 Significance of influence degree of interlayer composite material on interlayer strength at each temperature

由表4可以看出：

(1)各情況下的P值均呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，說明透層油用量、封層瀝青用量以及兩者的交互作用均對(duì)不同溫度下的層間抗剪、拉拔強(qiáng)度有顯著性影響，也反映出層間材料的灑布量是影響基-面層層間黏結(jié)效果的重要因素。

(2)進(jìn)一步通過F值可以判斷出各因素對(duì)層間強(qiáng)度的具體影響大小。在低溫情況下，封層瀝青用量對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響最大，透層油用量對(duì)層間拉拔強(qiáng)度影響最大；而在常溫、高溫情況下，封層瀝青用量對(duì)層間抗剪、拉拔強(qiáng)度影響均為最大。由于層間抗剪強(qiáng)度更加接近路面層間的真實(shí)受力，因此，在低溫和常溫情況下應(yīng)更多考慮封層瀝青用量，在高溫下則要兼顧透層油及封層瀝青用量。

3.6 各方案下經(jīng)濟(jì)效益分析

在前述研究中已經(jīng)明確基-面層層間處置時(shí)透層油PC-2型乳化瀝青的最佳用量為0.6 L/m2，而防水黏結(jié)層中橡膠改性瀝青的最佳用量則存在夏季炎熱高溫地區(qū)(0.9 kg/m2)和夏季無高溫地區(qū)(1.8 kg/m2)兩種情況，為了進(jìn)一步明確各“透黏組合式”層間黏結(jié)方案對(duì)建成后路面基-面層結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益的影響，分別對(duì)組合4，5和6各層間材料組合方案進(jìn)行比較。

首先，對(duì)各方案下的單位成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5所示(數(shù)據(jù)均由課題組所承接項(xiàng)目方提供)；其次，采用費(fèi)用現(xiàn)值法(PC)[29]進(jìn)行效益評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如式(1)所示；最后，利用PC法中的壽命期最小公倍數(shù)法對(duì)各方案的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)[30]。本研究中，方案組合4中沒有防水黏結(jié)層，假定其大修期為5 a，而對(duì)于含有防水黏結(jié)層的方案組合5和6，假定其大修期為8 a，則3種方案的大修期壽命最小公倍數(shù)為5×8=40 a，設(shè)基準(zhǔn)收益率為12%，分別計(jì)算3種方案的費(fèi)用現(xiàn)值，以最小值為原則，評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣。3種方案組合下的現(xiàn)金流量如圖7所示，各組合方案下的費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 各組合方案下的單位造價(jià)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of unit cost under each combination scheme

表6 各組合方案下的費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算Tab.6 Calculated cost under each combination scheme

圖7 三種方案組合下的現(xiàn)金流量圖Fig.7 Cash flows under 3 combination schemes

(1)

式中，COt為第t年的現(xiàn)金流出量；t為年份；n為項(xiàng)目壽命期或計(jì)算期；ic為基準(zhǔn)收益率。

由表5、6和圖7可知：

(1)從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)角度看，方案組合4～6的造價(jià)逐步提高，相比于無防水黏結(jié)層的組合4，有防水黏結(jié)層的組合5和6的造價(jià)成本分別提高約4.3%和7.2%，且加入防水黏結(jié)層后，結(jié)構(gòu)的層間性能大幅上升。因此，防水黏結(jié)層的加入是必要的，且在無環(huán)境限制的條件下，方案組合5優(yōu)于6。

(2)從效益指標(biāo)角度看，PCA5

4 結(jié)論

(1)層間強(qiáng)度變化以透層油用量0.6 L/m2為特征分界點(diǎn)。低溫、常溫條件下，基-面層層間強(qiáng)度隨透層油用量的增加而增長(zhǎng)，僅是特征分界點(diǎn)前后增長(zhǎng)趨勢(shì)有差異；而高溫條件下，基-面層層間強(qiáng)度在特征分界點(diǎn)前隨透層油用量的增加而增長(zhǎng)，在特征分界點(diǎn)之后則隨透層油用量的增長(zhǎng)而下降。

(2)采用透黏組合材料明顯有利于增強(qiáng)基-面層層間黏結(jié)，提高基-面層層間黏結(jié)性能，且當(dāng)透層油用量為0.6 L/m2時(shí)再灑布橡膠改性瀝青碎石封層更有利于增強(qiáng)基-面層層間黏結(jié)。

(3)為加強(qiáng)基-面層層間黏結(jié)，推薦采用增強(qiáng)型的透黏組合材料作為層間黏結(jié)材料，但具體用量應(yīng)依據(jù)工程區(qū)域環(huán)境溫度特征而定；在低溫、常溫情況下應(yīng)更多考慮封層瀝青用量，在高溫下則要兼顧透層油及封層瀝青用量。同時(shí)，推薦了基于區(qū)域環(huán)境溫度下的半剛性瀝青路面基-面層層間適宜黏結(jié)措施，在夏季無高溫地區(qū)，宜選用組合6，即：層間灑布用量為0.6 L/m2的PC-2型乳化瀝青透層油+瀝青用量為1.8 kg/m2的摻纖維橡膠改性瀝青碎石封層的增強(qiáng)型層間黏結(jié)措施；在夏季炎熱高溫地區(qū)，宜選用組合5，即：將組合6中的橡膠改性瀝青用量調(diào)整為0.9 kg/m2。

(4)對(duì)方案組合4，5和6進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，組合5和6的造價(jià)及效益指標(biāo)差異不大，且顯著優(yōu)于組合4，在不考慮環(huán)境條件限制時(shí)，組合5的經(jīng)濟(jì)效益最好，其次是組合6，最差是組合4?？紤]環(huán)境因素如溫度時(shí)，組合6可以代替組合5。