路面結(jié)構(gòu)中的界面“強連接”與“弱連接”

史勇，舒相中，李關勇

（重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶 401122）

0 引言

路面是指用筑路材料鋪在路基頂面，供車輛直接在其表面行駛的一層或多層道路結(jié)構(gòu)層[1]，是用各種材料按不同配制方法和施工方法修筑而成，在力學性質(zhì)上也有差異。

從路面的力學性能出發(fā)，一般把路面分為柔性路面和剛性路面兩大類。而剛性路面通常指水泥混凝土路面，俗稱白色路面。包括素水泥混凝土和鋼筋混凝土路面等。它的強度高，剛性大，整體性能好，有較強的擴散應力的能力，路面結(jié)構(gòu)計算采用彈性地基板理論[2]；柔性路面主要指各類瀝青路面，俗稱黑色路面。它的剛度較小，在荷載作用下彎沉變形較大，土基和基層的強度對路面結(jié)構(gòu)整體強度有較大的影響。此類路面有彈性，柔性較好，路面無接縫，有較好的行車舒適性能，路面結(jié)構(gòu)計算采用彈性層狀體系理論[3]。

路面結(jié)構(gòu)設計中常根據(jù)設計要求和就地取材的原則，可用不同材料分層鋪筑。低、中級路面一般結(jié)構(gòu)層次較少，通常包括面層、基層、墊層等層次；高級路面結(jié)構(gòu)層次較多，一般包括面層、聯(lián)結(jié)層、基層、底基層、墊層等層次[4]。

不管何種類型的路面，均存在不同的結(jié)構(gòu)層次，路面的面層與其下結(jié)構(gòu)層之間也必然存在界面，然而界面之間存在什么樣的連接形式，各種界面連接形式又具有什么樣的力學特點，以及在路面結(jié)構(gòu)應用中意義何在，目前并未見系統(tǒng)研究。本文將路面結(jié)構(gòu)中的界面連接進行歸類，并對各種界面連接的力學性能、應用和意義進行分析。

1 路面結(jié)構(gòu)中的界面連接形式

經(jīng)過對多種類型路面的調(diào)查和分析，本文將路面結(jié)構(gòu)中的界面連接歸結(jié)為兩類：界面“強連接”和界面“弱連接”。

1.1 界面“強連接”與界面“弱連接”的定義

界面“強連接”是指路面在行車荷載和外界等因素作用下，界面兩側(cè)的路面結(jié)構(gòu)層仍作為一個完好整體共同受力。界面強連接需滿足兩個條件：一是界面保持完好，即界面粘結(jié)應滿足外來荷載和自然環(huán)境作用下的界面剪切應力、抗拉應力等外力作用；二是界面兩側(cè)的結(jié)構(gòu)層也保持完好，即界面兩側(cè)的結(jié)構(gòu)層材料的強度和變形等材料性能應能滿足外來荷載和自然環(huán)境作用帶來的受力要求。

界面“弱連接”是指路面在行車荷載和外界等因素作用下，界面兩側(cè)的結(jié)構(gòu)層在界面處或界面附近形成沿界面平行方向的分離，致使界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)層不能作為整體共同受力。界面弱連接又可以分為兩種情況：一是界面分離，界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)層仍保持完好，此時界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)層仍具有接觸作用，但與界面兩側(cè)材料性能相比，界面粘結(jié)作用相對較弱。二是界面仍保持粘結(jié)狀態(tài)，但界面附近的結(jié)構(gòu)層材料中的一種材料已經(jīng)破壞，導致結(jié)構(gòu)層材料也不能作為整體受力，此時界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)層具有接觸作用，但與界面兩側(cè)材料性能相比，界面粘結(jié)作用相對較強。

1.2 界面連接形式的判定

界面連接的分類與路面類型無關，不同的路面類型可以采用相同的界面連接形式，一種界面連接形式也可以存在于不同類型的路面中，但實際應用中，路面結(jié)構(gòu)層設計時應充分考慮路面材料和受力特性，從而確定界面連接的形式。

因路面結(jié)構(gòu)的界面位于結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，根據(jù)界面連接形式“強連接”和“弱連接”定義并不能直接判斷，但根據(jù)定義及現(xiàn)有檢測方法，可分為三種方法判斷，即鉆芯取樣、脫空檢測和計算分析，實際應用中，可以采取上述三種方法中的一種或多種綜合判斷。

鉆芯取樣方法可以直接通過觀察后分析判斷，鉆芯取樣具有直觀簡單的優(yōu)點，但由于特殊路段可能帶來特殊的個別界面異常情況，因此采用鉆芯取樣法來判斷必須以大量的取芯試驗工作為基礎，且需對路面造成一定的損傷。脫空檢測可以實現(xiàn)無損檢測來判斷界面的粘結(jié)情況，目前路面檢測常用落錘式彎沉儀（FWD）來檢測，但現(xiàn)有脫空檢測技術在脫空程度和脫空精確位置的判斷上并未成熟，在復雜狀況下不能準確判斷，界面連接形式的判斷準確性也就受到影響。鉆芯取樣和脫空檢測均需通過試驗方法來實現(xiàn)，在實際判斷中還可以通過計算分析的方法來判斷界面連接形式，具體方法為通過有限元或者理論解析解，計算出實際使用狀況中界面和界面附近材料受力情況，與界面粘結(jié)性能和附近材料參數(shù)進行比較，以此判斷界面或者界面附近材料是否破壞，從而判斷界面連接的形式，計算分析方法可以事先判斷，也可以對一大類路面類型進行整體判斷，但實際路面可能由于施工等各方面原因與試驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差，因此也不能完全保證判斷的準確性。

通過以上三種方法的解析，可以看出每種方法均有一定的局限性，因此實際判斷中，為保證客觀準確，可通過三種方法綜合來判斷，比如首先采用理論計算判斷出連接形式，然后借助鉆芯取樣和脫空檢測方法來進行驗證。

2 “強連接”界面形式及其在路面結(jié)構(gòu)中的應用

2.1 “強連接”路面結(jié)構(gòu)的力學性能

根據(jù)前面關于界面強連接的定義，界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)層完全粘結(jié)形成復合層，若界面層位于面層和基層之間，面層與基層組成的復合層在力學上可視為復合板，在行車荷載作用下，板體中性軸以上受彎壓，板體中性軸以下受彎拉。復合板的作用體現(xiàn)在兩個方面：一是使面層在荷載作用下，處于全部受壓或部分受壓的有利應力狀態(tài)，有效利用路面材料抗壓強度高的優(yōu)勢；二是通過面層與基層的復合作用，減小復合板底面的彎拉應力，改善基層的受力狀態(tài)。因此界面強連接完全改變了路面結(jié)構(gòu)層的受力狀況，尤其適用于面層單層厚度較薄或者面層作為磨耗功能層的路面結(jié)構(gòu)。

對于面層單層厚度較?。ㄒ话悴怀^10cm）或者面層作為磨耗功能層的路面結(jié)構(gòu)，即便一些情況下，面層材料具有優(yōu)良的強度和變形等力學性能，但如果將其均勻光滑地支撐在基層上，和其下部結(jié)構(gòu)層不粘結(jié)在一起，則薄層的路面面層在汽車荷載作用下，面層中會產(chǎn)生較大的彎拉應力，不利于面層受力并影響面層的耐久性；同時，如果面層不和下部結(jié)構(gòu)層粘結(jié)在一起，光滑支撐的面層結(jié)構(gòu)屬于薄板結(jié)構(gòu)，當溫度荷載升高時，薄板受壓（路面的連續(xù)性要求使得面層不可能有過多的自由膨脹），有可能產(chǎn)生屈曲穩(wěn)定問題。因此，將厚度較薄的面層和其下部基層粘結(jié)在一起以共同受力，是薄層路面結(jié)構(gòu)層組合設計的關鍵。

面層和基層粘結(jié)在一起后，其結(jié)構(gòu)特點對聚合物改性水泥混凝土面層受力有利，面層材料的強度和變形指標要求可以降低，便于面層材料的選擇和設計；同時面層與基層粘結(jié)一體后，也對基層的受力有利，基層的材料性能要求也可相應降低，有利于基層的材料選擇和設計。

2.2 界面“強連接”的實現(xiàn)

界面強連接的實現(xiàn)首先需實現(xiàn)界面的牢固粘結(jié)，面層與基層的粘結(jié)效果是保證路面面層與基層復合的關鍵，同時需考慮各層的厚度設計以及材料匹配，以達到變形協(xié)調(diào)，防止從界面附近的面層或者基層內(nèi)部發(fā)生分離破壞。

粘結(jié)層材料的設計必須滿足界面粘結(jié)強度的要求。

為保證粘結(jié)層的功能作用，必須對基層表面狀況和基層本身的材料性能提出要求，否則，可能發(fā)生粘結(jié)失效而達不到預期效果：

第一，合適的界面粘結(jié)劑可以提高面層與基層的粘結(jié)性能，提高的幅度隨著界面粘結(jié)劑的不同而不同，因此，應根據(jù)具體的應用情況對粘結(jié)層材料進行特別設計；

第二，對基層表面進行鑿毛或壓痕處理，以提高粘結(jié)界面的機械嵌鎖力和咬合力；

第三，保證基層材料本身足夠的強度，避免緊鄰粘結(jié)面下的基層材料破壞而引起粘結(jié)失效。

因此，界面強連接的路面結(jié)構(gòu)典型形式對基層有特殊要求，基層材料必須具有足夠強度和變形適應性：基層可以是新建的碾壓混凝土基層（能提供足夠強度）；也可以是（新、舊）混凝土面層（能提供足夠強度）。強度低的松散基層不宜作為強連接路面結(jié)構(gòu)的基層。

對于強連接路面結(jié)構(gòu)，面層與基層層間界面粘結(jié)失效時，盡管對于某些性能優(yōu)異的路面面層材料，計算表明面層仍能滿足使用要求，但是，當層間界面粘結(jié)失效后，面層因不受下層約束而自由變形，在較大的水平荷載反復作用下易引起相鄰面層的局部壓屈或鼓脹現(xiàn)象，另外，層間界面粘結(jié)失效也將降低路面的耐久性。因此，界面粘結(jié)對于強連接路面結(jié)構(gòu)性能和耐久性具有至關重要的作用。

2.3 界面強連接應用實例

界面強連接的典型應用以聚合物改性水泥混凝土路面為例進行介紹。

聚合物改性水泥混凝土路面[5]是由重慶交通大學首次提出并研究成功，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，新型路面兼具了剛性路面和柔性路面的優(yōu)點，可應用于新建路面、舊路加鋪以及橋面、隧道等不同類型的路面。路面采用薄層鋪裝，具有透水、降噪、調(diào)色等生態(tài)服務功能，路面層示意結(jié)構(gòu)為聚合物混凝土面層+界面粘結(jié)防水層+高強度上基層（以下結(jié)構(gòu)層略），如圖1 所示。

圖1 聚合物改性水泥混凝土路面典型結(jié)構(gòu)設計（橫斷面）

圖2 水泥混凝土界面“弱連接”取芯情況

其中界面粘結(jié)層厚度忽略不計，基層可采用碾壓混凝土、普通水泥混凝土或者混凝土橋面等型式。界面粘結(jié)防水層采用聚合物界面粘結(jié)劑，具有較好的粘結(jié)性能，基層具有較高的強度，聚合物改性水泥混凝土面層與基層之間的界面連接形式為典型的界面“強連接”形式。

聚合物改性混凝土面層的優(yōu)勢在于有足夠的抗壓強度，且其突出特點在于變形性能好，因此，面層與基層通過界面強連接組成復合板體現(xiàn)了“雙重保險”的面層設計思想：一方面，使面層混凝土整體長期處于抗壓的有利受力狀態(tài)，充分發(fā)揮路面材料抗壓承載性能高的優(yōu)勢；另一方面，給面層混凝土預留充分的變形儲備，使面層適應路面局部范圍非正常脫空、非正常彎沉可能引起的彎拉破壞，并避免路面面層材料性能衰減可能引起的路面病害。

3 “弱連接”界面形式及其在路面結(jié)構(gòu)中的應用

3.1 “弱連接”路面結(jié)構(gòu)的力學特點

根據(jù)界面弱連接的定義，根據(jù)界面分離情況，界面弱連接可以分為兩種情況：一是界面初始狀態(tài)為粘結(jié)，界面粘結(jié)性能強于界面附近的結(jié)構(gòu)層材料性能，界面分離破壞發(fā)生在界面附近的結(jié)構(gòu)層材料內(nèi)部；二是界面初始為粘結(jié)狀態(tài)，界面粘結(jié)性能弱于界面附近的結(jié)構(gòu)層材料性能，界面分離破壞發(fā)生在界面層本身。

由此可以看出，界面弱連接均屬于界面被動分離破壞。仍以面層與基層之間的界面為例，初始狀態(tài)下面層和基層緊密結(jié)合，形成了一個整體，但是，面層材料在收縮或周期性的溫度變化條件下，面層材料將產(chǎn)生收縮或膨脹變形，但由于基層的約束作用，這種變形將會被阻止，這就必然在界面中出現(xiàn)復雜的應力狀態(tài)（既有拉應力也有剪應力），面層與基層將由初始結(jié)合狀態(tài)逐漸發(fā)生分離破壞，此時被動分離的界面嚴重損傷，呈現(xiàn)凸凹不平的不均勻形狀，面層處于不均勻支撐狀態(tài)，面層底部處于復雜受拉狀態(tài)，使面層將處于極為不利的受力狀態(tài)。

界面粘結(jié)層被破壞后，面層和基層處于被動分離狀態(tài)，面層和基層形成的復合板體不復存在，面層底部由受壓狀態(tài)或受拉較小狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，且處于不均勻支撐條件，面層在車輛荷載和溫度應力作用下將出現(xiàn)較大范圍應力集中，面層底部也處于極為不利的受拉狀態(tài)。

因此，界面弱連接的存在，對于路面結(jié)構(gòu)的受力不利，尤其對于面層來說，面層材料直接承受車輛荷載作用，一旦界面粘結(jié)層被破壞，面層材料的破壞也就成為必然，因此實際路面結(jié)構(gòu)中應盡量避免界面弱連接的存在。

3.2 普通水泥混凝土路面界面弱連接形式及其發(fā)展演化

現(xiàn)行普通水泥混凝土路面的界面連接屬于典型的界面弱連接，下面對其進行詳細分析。

現(xiàn)行水泥混凝土路面施工過程一般包括以下工序：混凝土拌和、運輸、攤鋪、振搗、表面處理、鋸縫、養(yǎng)生。攤鋪前要求清掃基層，然后將塑態(tài)的混凝土直接澆注在基層的頂面上，待混凝土凝結(jié)并達到一定的強度后即可開放交通。

水泥混凝土路面面層與基層在路面面層澆注初期是粘結(jié)在一起的，在水泥混凝土的水化凝結(jié)過程中，面層材料的彈模、泊松比和強度均在不斷地變化，由于面層與基層材料的材料特性不匹配，同時由于面層混凝土凝結(jié)過程中的收縮，面層、基層被動分離破壞，使面層與基層之間難以保持理想的光滑接觸狀態(tài)，進而影響結(jié)構(gòu)耐久。

既然面層和基層存在初始粘接，路面?zhèn)鹘y(tǒng)模型為何還有面層與基層分離的假設呢？面層與基層的初始狀態(tài)并不是一成不變的，面層與基層的材料性質(zhì)差異較大，界面應力較大，層間粘結(jié)抗力較小，面層與基層將從初始的結(jié)合狀態(tài)逐漸發(fā)展演變，在這一過程中，路面結(jié)構(gòu)的層間狀況將發(fā)生根本改變，導致在使用狀態(tài)下，路面的實際層間狀況與路面的初始層間狀況顯著不同。

面層與基層從結(jié)合到分離，是一個典型的破壞過程，也是路面層間支承邊界條件發(fā)展演變的過程，層間分離的實質(zhì)就是層間破壞，層間分離破壞導致了水泥混凝土面板的不均勻支撐、基層的開裂破碎和基層整體性的喪失、面層與基層在分離界面損壞。

根據(jù)以上的關于面弱連接形式的定義、力學特點以及水泥混凝土路面的破壞過程分析可以得出以下結(jié)論：1）水泥混凝土路面的初始狀態(tài)難以長期保持，層間分離必然發(fā)生；2）被動分離（破壞）形成的路面的實際狀況遠遠不同于層間初始狀況；3）層間分離破壞后形成的路面實際狀況會導致層間間隙、不均勻支承、面層和基層頂面材料性質(zhì)劣化、基層整體性喪失，從而使路面實際狀況不符合路面力學建模的前提，從而背離了理論模型的假設，導致混凝土路面耐久性達不到設計要求。

因此，耐久性水泥路面結(jié)構(gòu)必定要對層間狀態(tài)進行相應的設計，避免層間粘接破壞導致的結(jié)構(gòu)耐久性喪失。研究表明，通過在基層與面層之間設置隔離層，即可使路面結(jié)構(gòu)回歸到理論模型，使路面實際層間狀態(tài)很好地滿足理論模型的“三大前提”[6-7]，從而使路面承載力和使用壽命達到設計預期，與遠未達到設計壽命預期的傳統(tǒng)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)相比，設置隔離層的水泥混凝土路面壽命大幅提高。

3.3 瀝青混凝土路面中的界面弱連接

對于現(xiàn)有常規(guī)瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，力學原理上認為各層是粘接在一起的，但是實際的路面結(jié)構(gòu)是分層施工的，分層的原因一方面是考慮使用壓實的需要，另一方面可以降低造價。分層施工，界面增多，界面粘接失效的風險高。調(diào)查表明：實際的層間接觸發(fā)生了非常嚴重的剝落，喪失粘接，結(jié)構(gòu)的整體性較低，瀝青面層的局部破壞（車轍等）明顯；當外界水浸入時，這些粘接失效的薄弱帶成為了最好的蓄水層，在各種因素的作用下，損害往往首先從這些位置擴展，最終導致結(jié)構(gòu)的耐久性失效。

由于實際路面結(jié)構(gòu)中施工方法、材料性質(zhì)等的不同，瀝青混凝土路面中的界面弱連接不同于普通水泥混凝土路面的面層與基層之間的界面弱連接。瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)面層之間以及面層和基層之間的界面均以瀝青透層油或瀝青封層隔離，界面破壞一般位于界面本身內(nèi)部，界面附近材料處于相對完好狀態(tài)；另一方面，瀝青混凝土由于材料柔性的性質(zhì)，面層材料尚可以適應一定程度的界面分離、脫空對路面材料的變形要求，因此瀝青混凝土路面并沒有由于界面弱連接的存在引起致命破壞[8-13]。

4 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有路面的界面連接進行分析，主要取得了如下成果和結(jié)論：

1）對路面結(jié)構(gòu)中的界面連接形式歸類為界面“強連接”和界面“弱連接”，并分別對其進行定義；

2）分析了界面“強連接”和界面“弱連接”的形成過程，并對力學特點進行了總結(jié)分析；

3）結(jié)合現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)，分析了聚合物改性水泥混凝土路面、水泥混凝土路面以及瀝青路面結(jié)構(gòu)的界面連接形式，并對其力學意義進行了分析。