長壽命路面結(jié)構(gòu)層間處治方案及黏結(jié)性能

石長洪，鄭 俞，嚴(yán)二虎，楊 毅，劉軍海

(1. 中交第二公路工程局有限公司, 陜西 西安 710061；2. 交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3. 合肥明巢高速公路有限公司，安徽 合肥 231699)

0 引言

我國已建成世界上最大的高速公路網(wǎng)和世界第2大的公路網(wǎng)，其中瀝青路面為主要的路面結(jié)構(gòu)形式。我國的高速公路瀝青路面設(shè)計壽命普遍為15 a，大部分舊瀝青路面已經(jīng)進入大中修期，產(chǎn)生了大量的擴容改建工程，且隨著現(xiàn)代化建設(shè)進程的不斷深入，高速公路網(wǎng)密度還在不斷加大。因此，發(fā)展長壽命路面結(jié)構(gòu)可以有效緩解這一問題，進而減緩道路進入大中修期，提升道路服役壽命[1-2]。此外，瀝青路面的建設(shè)和養(yǎng)護需要消耗大量資源，且造成環(huán)境污染。長壽命路面結(jié)構(gòu)通過延長道路使用年限減少資源利用，降低二氧化碳等物質(zhì)的排放，符合“碳達(dá)峰、碳中和”理念，有效助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)[3]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者[4-5]針對長壽命路面結(jié)構(gòu)進行了研究，主要集中在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法、路面材料耐久性、長壽命路面的養(yǎng)護與管理等方面。隨著長壽命路面結(jié)構(gòu)的研究不斷深入，材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法趨于成熟，然而長壽命路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)問題卻研究較少。瀝青路面設(shè)計采用雙圓均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論，然而實際路面結(jié)構(gòu)中層間接觸為不完全連續(xù)狀態(tài)。由于不同層位間材料特性及黏結(jié)狀態(tài)的差異，路面在服役過程中，層間易發(fā)生黏結(jié)失效，進而導(dǎo)致反射裂縫等病害的產(chǎn)生，降低路面使用壽命[6]。因此，為了保證層間的良好黏結(jié)狀態(tài)，緩解不同層位間模量的突變，瀝青路面層間往往會鋪灑黏層油，但是仍存在大量因為黏層材料黏結(jié)性能差而導(dǎo)致的病害[7- 8]。

目前，關(guān)于瀝青路面層間黏結(jié)的研究主要針對普通瀝青路面，集中在黏層油材料設(shè)計、層間黏結(jié)性能測試以及層間力學(xué)狀態(tài)分析等方面[9-10]。黏層油材料設(shè)計方面，劉麗[11]采用3種黏層油材料，分別為普通熱瀝青、乳化瀝青和改性乳化瀝青，進而針對黏層油種類、用量、溫度、浸水、凍融等因素展開了研究，研究結(jié)果指出溫度顯著影響不同黏層油的最佳用量。孫妮[12]通過制備SBS與SBR改性乳化瀝青黏層油，分析層間黏結(jié)技術(shù)指標(biāo)，研究指出SBS改性乳化瀝青具有更好的黏結(jié)性能。黏結(jié)性能測試方面，Metcalf等[13]采用直剪試驗測試了不同溫度、加載形式下層間剪切模量、剪應(yīng)力、摩擦系數(shù)的變化。Yetkin等[14]同樣利用直剪試驗測試了不同黏層油噴灑量對層間黏結(jié)性能的影響，并得到了最佳的黏層油用量。俄廣迅等[15]利用UTM-100對不同黏層油用量的試件進行了直剪試驗，并研究了水、溫度等因素對層間抗剪強度的影響。此外，斜剪試驗也被眾多學(xué)者用于層間黏結(jié)性能的測試[16]。層間力學(xué)狀態(tài)分析方面，眾多研究基于彈性層狀體系理論，建立考慮層間不連續(xù)接觸條件的路面力學(xué)模型，進而求解路面受力狀態(tài)。艾長發(fā)等[17]采用有限元分析軟件建立考慮層間接觸狀態(tài)的路面數(shù)值模型，并分析不同溫度場及荷載作用下的層間接觸狀態(tài)，結(jié)果表示高溫環(huán)境下層間力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)更大。嚴(yán)二虎等[18]通過數(shù)值分析的方法研究了不同層間界面下瀝青面層受力狀態(tài)的變化，研究結(jié)果表明瀝青路面不同層位間的層間剪應(yīng)力、拉應(yīng)力分布情況存在明顯差異。

綜上所述，瀝青路面層間黏結(jié)性能逐漸被國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，然而針對長壽命路面結(jié)構(gòu)的層間性能研究相對較少，且多數(shù)研究采用室內(nèi)試驗或數(shù)值模擬等方法與真實路面狀態(tài)存在較大差異，黏層材料以乳化瀝青為主，層間黏結(jié)性能評價方法以直剪試驗為主。本研究考慮實際工程中長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用乳化瀝青、橡膠瀝青、玻璃纖維、級配碎石等材料，分別對上面層與中面層和中面層與下面層層間選取不同的層間處治方案，鋪筑試驗路段，進而通過鉆芯取樣獲得不同方案的層間黏結(jié)試件；設(shè)計了直剪試驗和應(yīng)力消散試驗方法及指標(biāo)，通過對不同層間處治方案的直剪試驗及應(yīng)力消散試驗結(jié)果進行分析，研究性能最優(yōu)的長壽命路面層間處治方案，并分析碎石粒徑、碎石用量、溫度以及特殊施工環(huán)境對層間黏結(jié)性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 層間黏結(jié)處治方案

為了滿足長壽命路面設(shè)計需求，獲得性能更優(yōu)的層間黏結(jié)狀態(tài)，針對不同面層層間受力狀態(tài)和性能需求的差異，在本研究中，上面層與中面層層間選用30%摻量的橡膠改性瀝青、玻璃纖維、碎石制備纖維抗裂型橡膠改性瀝青防水黏結(jié)層，中面層與下面層層間選用不黏輪乳化瀝青制備不黏輪乳化瀝青黏層。選取的橡膠瀝青性能指標(biāo)如表1所示，不黏輪乳化瀝青性能指標(biāo)如表2所示，層間黏結(jié)處治方案如表3所示，其中冷白在常溫下鋪灑碎石，熱白表示將碎石加熱至105 ℃后鋪灑。由于實際工程中層間往往會鋪灑一定量的級配碎石保證層間的強度，因此本研究設(shè)計了不同碎石粒徑的層間處治方案，研究碎石粒徑對層間黏結(jié)性能的影響。此外，部分方案通過加水、砂和泥模擬下雨等特殊條件下的施工，研究惡劣環(huán)境對層間黏結(jié)性能的影響。

表1 橡膠瀝青性能指標(biāo)

表2 不黏輪乳化瀝青性能指標(biāo)

表3 層間處治方案

續(xù)表3

1.2 長壽命路面結(jié)構(gòu)試驗路

本研究設(shè)計了1種典型的長壽命路面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上面層采用4 cm橡膠改性瀝青混凝土(ARHM-13)，中面層采用8 cm橡膠改性瀝青混凝土(ARHM-20)，下面層采用12 cm橡膠改性瀝青混凝土(ARHM-25)，且均為高摻量橡膠粉改性瀝青，從上面層到下面層的橡膠粉摻量分別為30%，40%和50%。此外，將試驗路段劃分為不同區(qū)域，施工過程中對不同區(qū)域的面層層間鋪灑了不同方案的黏層材料。進行鉆芯取樣獲得不同黏層處治方案的試件，路面芯樣應(yīng)具有完整的路面結(jié)構(gòu)，各層材料不脫落，芯樣切縫光滑連續(xù)，通過切割制備直剪試驗及應(yīng)力消散試驗試件。

圖1 長壽命路面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 直剪試驗

本研究設(shè)計并開發(fā)了1種層間黏結(jié)強度試驗方法，通過對馬歇爾強度試驗儀進行改裝，使其能夠?qū)β访驺@芯試件進行直剪試驗，測試層間黏結(jié)強度。首先對路面芯樣進行切割，分為上-中面層和中-下面層試件，在溫度為25 ℃的烘箱內(nèi)保溫4 h，保溫結(jié)束后取出試件進行直剪試驗，加載速率為50 mm/min。當(dāng)試驗荷載達(dá)到最大值的瞬間，試驗停止，記錄最大荷載，測量試件截面尺寸并記錄，最終計算層間黏結(jié)強度，如式(1)所示。每種黏層處治方案進行3組平行試驗，求其平均值作為最終的黏結(jié)強度指標(biāo)數(shù)值。為探究不同溫度對黏結(jié)強度的影響，本研究選取其中部分方案進行了45 ℃和60 ℃ 的直剪試驗。

Dz=Fz/Sz，

(1)

式中，Dz為直剪試驗黏結(jié)強度；Fz為直剪試驗最大荷載；Sz為試件截面積。

1.2.2 應(yīng)力消散試驗

本研究設(shè)計并開發(fā)了層間應(yīng)力消散試驗方法及設(shè)備，應(yīng)力消散試驗的試件是通過路面芯樣切割獲得的，試件切割流程及尺寸如圖2所示。首先將路面芯樣從中面層切開，分為上面層與中面層層間試件、中面層與下面層層間試件；進而切除圓弧部分材料，保留立方體部分材料；最后在試件下部分鉆孔，孔徑為5 mm，孔邊緣距層間1 cm，用于試驗夾具的放置，并在兩孔中間位置切縫，通過預(yù)制裂縫，研究層間應(yīng)力消散性能。該試驗通過將加載模具放入鉆孔之中，分別對試件的左、右部分施加向左和向右的橫向力，測試試件層間抵抗變形的能力，試驗溫度為25 ℃，加載速率為0.017 mm/s，最終獲得試驗過程中的荷載及試件的變形量。應(yīng)力消散試驗典型試驗結(jié)果如圖3所示，試驗初期，隨著試件變形量的不斷增加，荷載逐漸增大，而當(dāng)荷載增大到某一極值后逐漸減小，峰值荷載的出現(xiàn)說明試件已經(jīng)發(fā)生了破壞，試件的應(yīng)力消散能指標(biāo)可以通過曲線的面積和試件截面面積計算，如式(2)所示。

圖2 應(yīng)力消散試驗試件制備

J=SAREA/(h·l)，

(2)

式中，J為應(yīng)力消散能；SAREA為應(yīng)力消散試驗中荷載變形曲線與坐標(biāo)軸的面積，如圖3所示；h，l為試件尺寸，如圖2所示。

圖3 應(yīng)力消散試驗荷載與變形曲線

2 層間黏結(jié)性能分析

2.1 層間處治方案的選取

按照前述試驗方法進行各層間處治方案25 ℃下的直剪試驗，試驗得到的最大荷載及計算得到的剪切強度值如圖4所示。從圖中可以看出，對于上面層與中面層層間，方案16與28的試件在直剪試驗過程中最大荷載顯著高于其他方案，而方案28的黏結(jié)強度值卻相對較低，這是由于鉆芯取樣過程中的誤差導(dǎo)致方案28試件的截面積大于其他方案試件，所以其直剪試驗的荷載較大而計算得到的黏結(jié)強度較低。方案16的最大荷載和黏結(jié)強度均顯著大于其他方案，該方案材料為橡膠瀝青、玻璃纖維以及9.5 mm 的碎石，通過預(yù)拌和材料，冷卻后常溫撒布在中面層上。

圖4 上面層與中面層層間剪切試驗結(jié)果

分析圖5可知，對于中面層與下面層層間，方案1的層間黏結(jié)性能顯著高于其他方案，該方案是直接鋪灑不黏輪乳化瀝青，說明了該瀝青對于層間強度具有顯著的提升效果。其余方案中，方案16和24具有較優(yōu)的層間黏結(jié)強度，材料均為橡膠瀝青加碎石，說明了除了不黏輪乳化瀝青外，橡膠瀝青與碎石的方案同樣可以使得路面層間具有較優(yōu)的黏結(jié)強度。

圖5 中面層與下面層層間剪切試驗結(jié)果

本研究得出了上面層與中面層、中面層與下面層不同的層間最優(yōu)方案，這是由于瀝青路面上、中、下面層層厚不同導(dǎo)致不同的層間受力狀態(tài)不同，中面層與下面層層間易受到下面層反射裂縫的影響，而上面層與中面層層間易受到上面層由于車輛荷載導(dǎo)致的車轍與剪切破壞影響；此外，因上、中、下面層由于混合料級配的不同導(dǎo)致層間材料與面層材料界面特性存在差異，進而產(chǎn)生不同的層間黏結(jié)性能[18]。

2.2 碎石粒徑及用量對層間黏結(jié)性能的影響

為了分析對比碎石粒徑對層間黏結(jié)性能的影響，選取方案16，19，20和21 進行分析，如圖6(a)所示，隨著碎石粒徑的增加，層間黏結(jié)強度呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)的粒徑為9.5 mm。造成該現(xiàn)象的原因可能是，當(dāng)碎石粒徑較小時，石料之間的嵌擠作用較弱，而當(dāng)碎石粒徑過大時，石料過于松散，難以形成強度。因此，在對層間進行碎石撒布處理時，應(yīng)選擇適中的碎石粒徑，過大或過小均不利于層間黏結(jié)強度的形成。

選取方案2，3，4和5的直剪試驗結(jié)果分析對比碎石用量對層間黏結(jié)強度的影響。如圖6(b)所示，在橡膠瀝青用量不變的情況下，隨著碎石用量的增加，直剪試驗最大荷載與層間黏結(jié)強度值均呈先增大后降低的趨勢，且30.4 kg與20.3 kg的碎石用量試驗結(jié)果差異較小。此分析結(jié)果同樣說明了碎石的用量應(yīng)在合理范圍之內(nèi)，不宜過大或過小，碎石含量過大會導(dǎo)致橡膠瀝青無法完全包裹所有石料，進而導(dǎo)致黏結(jié)性能較差，而碎石含量過小會導(dǎo)致橡膠瀝青的含量相對增加，碎石間瀝青膜厚度過大，強度較低。

圖6 不同碎石粒徑及用量的層間方案試驗結(jié)果

2.3 溫度對層間黏結(jié)性能的影響

瀝青材料是一種典型的黏彈性材料，溫度對瀝青材料的特性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)溫度較高時，瀝青趨于黏性；而當(dāng)溫度較低時，瀝青趨于彈性。本研究所選的層間黏結(jié)材料同樣是瀝青基材料，橡膠瀝青起主要是黏結(jié)作用，因此溫度會影響層間黏結(jié)性能。選取具有代表性的方案1，16，21，23，25和27的試件分別進行25，45 ℃和60 ℃的直剪試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。分析該圖可知，隨著溫度的升高，所有方案的上面層與中面層層間和中面層與下面層層間黏結(jié)強度均下降，說明了溫度的升高導(dǎo)致層間瀝青變軟，黏結(jié)性能變差，碎石易松散，抗剪性能不足。此外，對于上面層與中面層層間而言，3個溫度下方案16的黏結(jié)強度均高于其他方案，而對于中面層與下面層層間而言，3個溫度下方案1的層間黏結(jié)強度均高于其他方案。通常夏季氣溫普遍在30 ℃以上，而路面內(nèi)部溫度可能會達(dá)到60 ℃以上，此時路面層間黏結(jié)性能不足，易發(fā)生層間黏結(jié)失效，因此，夏季是層間黏結(jié)破壞的高發(fā)期。

圖7 不同溫度的直剪試驗結(jié)果

2.4 惡劣施工環(huán)境對層間黏結(jié)性能的影響

瀝青路面在施工過程中難免受到環(huán)境的影響，雨天或降雨后施工可能會導(dǎo)致層間存在水分的積聚，而水會導(dǎo)致瀝青與石料發(fā)生剝落，從而降低層間的黏結(jié)性能。此外，野外施工過程中，雨水往往會使得周圍環(huán)境中的泥土流入路面結(jié)構(gòu)中，從而損害路面結(jié)構(gòu)。黏層油的施工通常是灑布車在路面進行均勻鋪灑，而灑布車的車輪往往會帶有周圍環(huán)境的泥、砂，當(dāng)這些雜質(zhì)進入層間后，也會對層間性能造成影響。因此，本研究設(shè)計了含有水、泥、砂雜質(zhì)的層間處治方案，用于模擬惡劣的施工環(huán)境，研究雜質(zhì)對于層間黏結(jié)性能的影響，為提升施工環(huán)境、保障施工質(zhì)量提供理論依據(jù)。方案1為對照組，不摻加任何雜質(zhì)，方案5，6和7為試驗組，分別摻加砂、泥、水。圖8匯總了對照組和試驗組的直剪試驗結(jié)果，從圖中可以看出，摻入砂、泥、水的方案直剪試驗最大荷載和層間黏結(jié)強度均低于方案1，黏結(jié)強度相對于方案1分別下降了11%，14%和24%，說明了惡劣的施工環(huán)境會降低路面層間的黏結(jié)性能，因此在施工過程中因注意控制施工條件，盡量避免在特殊天氣下施工。進一步對比方案5，6和7可以發(fā)現(xiàn)，砂對于層間黏結(jié)性能的影響最小，而水的影響最大，說明了水是降低層間黏結(jié)性能的關(guān)鍵因素，因此在施工過程中要嚴(yán)格避免水分進入路面結(jié)構(gòu)，雨天后的施工要對路面進行干燥處理，降低水分殘留的影響。

圖8 模擬惡劣環(huán)境下層間直剪試驗結(jié)果

3 應(yīng)力消散試驗結(jié)果分析

選取方案1，7，16，17，23，24和25的路面芯樣試件進行切割制備上面層和中面層層間及中面層和下面層層間應(yīng)力消散試件，在試驗溫度為25 ℃下分別進行應(yīng)力消散試驗，試驗過程中變形荷載曲線如圖9所示，可以看出所有層間試件荷載均隨變形的增加呈先增加后降低的趨勢。通過式(2)計算得到各方案的應(yīng)力消散能指標(biāo)，結(jié)果如圖10所示。分析各方案應(yīng)力消散能計算結(jié)果可以看出，對于上面層與中面層層間，方案16具有最高的應(yīng)力消散能值，這與直剪試驗結(jié)果一致，說明了在實際路面結(jié)構(gòu)中，方案16的層間可以更好地抵抗路面下部產(chǎn)生的應(yīng)力，防止應(yīng)力傳導(dǎo)至上面層而產(chǎn)生裂縫。方案7和方案17分別是在方案1和方案16的基礎(chǔ)上添加了一定量水，模擬惡劣的施工條件，可以看出，水的加入使得層間的應(yīng)力消散性能大幅度降低，該結(jié)果同樣與直剪試驗結(jié)果一致。對于中面層和下面層層間，鋪灑不黏輪乳化瀝青的方案1具有最優(yōu)的應(yīng)力消散性能，方案24的層間應(yīng)力消散性能同樣也優(yōu)于剩余方案。通過對各方案應(yīng)力消散能指標(biāo)結(jié)果的分析可以看出，應(yīng)力消散試驗得出的結(jié)論與直剪試驗較為一致，因此，本研究進一步分析應(yīng)力消散能指標(biāo)和黏結(jié)強度指標(biāo)的相關(guān)性，如圖11所示。上面層和中面層層間及中面層和下面層層間應(yīng)力消散能指標(biāo)與黏結(jié)強度指標(biāo)均呈現(xiàn)了一定的相關(guān)性，相關(guān)性R2分別為0.7和0.9，說明了應(yīng)力消散試驗同樣可以反映層間的黏結(jié)性能，得到了與直剪試驗規(guī)律相同的結(jié)果。

圖9 應(yīng)力消散試驗變形荷載曲線

圖10 應(yīng)力消散試驗結(jié)果

圖11 應(yīng)力消散能與黏結(jié)強度的相關(guān)性

4 結(jié)論

結(jié)合實際工程中長壽命路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計，本研究考慮不同面層受力狀態(tài)和材料性能需求的差異，分別針對上面層與中面層及中面層與下面層層間設(shè)計了30種層間處治方案，通過鋪筑試驗路，鉆芯取樣獲得不同方案的層間試件?；诒狙芯块_發(fā)直剪試驗和應(yīng)力消散試驗方法及指標(biāo)對不同方案的層間黏結(jié)性能及應(yīng)力消散性能進行分析，研究了碎石粒徑、用量、溫度、施工環(huán)境對層間黏結(jié)性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1)對于上面層與中面層層間而言，使用橡膠瀝青、玻璃纖維和9.5 mm碎石的方案16具有最優(yōu)的層間黏結(jié)強度和應(yīng)力消散性能；對于中面層與下面層層間而言，使用不黏輪乳化瀝青的方案1具有最優(yōu)的層間黏結(jié)強度和應(yīng)力消散性能。

(2)碎石粒徑及用量對層間黏結(jié)性能產(chǎn)生影響，且存在最優(yōu)的粒徑及用量范圍，過大和過小均降低層間性能；溫度的升高顯著降低層間黏結(jié)性能，說明了夏季層間易發(fā)生黏結(jié)失效；惡劣的施工環(huán)境也會降低層間黏結(jié)性能，其中水的影響最大，因此應(yīng)盡量避免雨天施工或采取干燥措施。

(3)應(yīng)力消散試驗計算得到的應(yīng)力消散能指標(biāo)與直剪試驗的黏結(jié)強度指標(biāo)具有較高的相關(guān)性，說明了應(yīng)力消散試驗可以作為層間黏結(jié)性能測試的一種試驗方法。