路面層間粘結(jié)性能施工驗(yàn)收定量評價(jià)指標(biāo)分析

何苗苗,魏小皓,王冬梅,呂 蕾

(1.成都建工路橋建設(shè)有限公司 成都市 610031;2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都市 610041)

0 引言

為確保瀝青路面達(dá)到良好的受力狀態(tài),必須在不同路面結(jié)構(gòu)層之間噴灑粘結(jié)料,使各層相互粘結(jié)形成一個(gè)連續(xù)受力的整體。粘結(jié)性能主要由粘層油自身的品質(zhì)和施工工藝這兩方面決定。而粘層材料自身的性質(zhì)主要取決于材料廠商,施工過程中可以主觀操控的因素只有粘層油的施工工藝。盡管如此,粘結(jié)層施工完成后卻無驗(yàn)收評價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),這對粘結(jié)層的過程質(zhì)量控制極為不利?；诖?文章首先對增加路面層間粘結(jié)性能定量評價(jià)指標(biāo)的必要性進(jìn)行了分析,隨后探討了其評價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)方法,以及在制定驗(yàn)收評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮的因素。

1 增加路面層間粘結(jié)性能定量評價(jià)指標(biāo)的必要性分析

我國現(xiàn)行《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論,其層間假設(shè)為完全連續(xù)。由于在實(shí)際施工時(shí)路面是分層攤鋪的,而且基層與面層以及各面層之間使用的材料并不相同,其強(qiáng)度和模量必然存在差異,因此實(shí)際各路面結(jié)構(gòu)層之間并非完全連續(xù),進(jìn)而導(dǎo)致交通荷載作用時(shí)路面各結(jié)構(gòu)層之間的整體性與協(xié)調(diào)性均存在不足。如若層間粘結(jié)不良,層間結(jié)合面就成了路面結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),在受到諸如加速、剎車、掉頭等存在較大水平作用力的行為時(shí),層間易產(chǎn)生相對滑動(dòng),導(dǎo)致面層出現(xiàn)開裂、推移、擁包等各類病害,對于無中間帶的二、三、四級公路尤其明顯。以四川省涼山州普通國省干線公路為例,對典型病害位置進(jìn)行鉆芯取樣,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)33.3%的芯樣瀝青面層之間存在層間分離現(xiàn)象(如圖1、圖2所示),91.6%的芯樣瀝青面層與基層之間存在層間分離現(xiàn)象(如圖3所示),而且存在層間分離的路段其路面病害往往更加嚴(yán)重,對來往車輛的行駛舒適性與安全性都帶來不利影響。

圖1 芯樣孔

圖2 芯樣上下面層分離

圖3 芯樣面層和基層分離

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)層間分離的原因不外乎設(shè)計(jì)、施工、管理等各方面。就施工質(zhì)量管控而言,《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)僅對用于透層和粘層的材料指標(biāo)和施工條件提出要求,而在路面施工過程中的質(zhì)量控制標(biāo)淮中并未提出層間粘結(jié)的指標(biāo)要求。此外《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)也沒有層間粘結(jié)的檢查和評定項(xiàng)目,主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷,能夠完整取出“芯樣”且各層之間完好粘在一起即可確認(rèn)其符合要求,然而該方式不能定量反映路面層間粘結(jié)性能的強(qiáng)弱。

綜上所述,路面產(chǎn)生病害與路面內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層之間的層間粘結(jié)狀態(tài)有極大的關(guān)系,然而施工現(xiàn)場卻無明確的質(zhì)量檢驗(yàn)評定指標(biāo)。因此為加強(qiáng)施工過程質(zhì)量控制,延長路面使用壽命,有必要增加路面層間粘結(jié)定量評價(jià)指標(biāo)同時(shí)制定不同路面結(jié)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 定量評價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)方法探討

如前所述,目前路面施工質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)層間粘結(jié)性能并無統(tǒng)一的定量評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),然而國內(nèi)外卻有評價(jià)層間粘結(jié)的試驗(yàn)方法。中國交通運(yùn)輸部《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG 3450—2019)采用的是拉拔試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn),歐洲(prEN 12697—48)采用扭剪粘結(jié)試驗(yàn)(torque bond test)、剪切粘結(jié)試驗(yàn)(shear bond test)、拉拔試驗(yàn)(tensile adhesion test)、壓縮剪切粘結(jié)試驗(yàn)(compressed shear bond test)和重復(fù)壓縮剪切強(qiáng)度(cyclic compressed shear bond test),而美國公路及運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO T323)采用的是剪切粘結(jié)試驗(yàn)(bond shear strength)。盡管各個(gè)國家評價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)方法略有不同,但是表征層間粘結(jié)性能的技術(shù)指標(biāo)仍可總結(jié)為抗剪強(qiáng)度與拉拔強(qiáng)度兩類,這與國內(nèi)外各學(xué)者研究中采用的評價(jià)指標(biāo)是一致的。

拉拔強(qiáng)度是通過檢測兩個(gè)結(jié)構(gòu)層間的拉拔作用力(粘結(jié)力)來評價(jià)層間粘結(jié)性能。對于具體試驗(yàn)方法,拉拔強(qiáng)度測定較為統(tǒng)一,在試件一側(cè)施加拉拔力即可,試驗(yàn)原理如圖4所示。拉拔試驗(yàn)起初主要是用于測試橋面鋪裝與橋面之間的結(jié)合狀況,該試驗(yàn)方法可用于試驗(yàn)室測定和現(xiàn)場測定,能直觀的體現(xiàn)出層間結(jié)合狀況。但由于其測試的是垂直荷載,力學(xué)原理與路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)不相符,因此可作為一種間接評價(jià)的試驗(yàn)方法。

圖4 抗拔試驗(yàn)示意圖

抗剪強(qiáng)度就是反映層間粘結(jié)效果抗剪切變形的指標(biāo)。剪切試驗(yàn)方法較多,主要分為直剪、斜剪和扭剪試驗(yàn),直剪試驗(yàn)又分為水平力剪切試驗(yàn)和水平力、法向力共同剪切試驗(yàn)(原理如圖5所示)。對于抗剪強(qiáng)度測定試驗(yàn)來說,剪切力的施加方式仍然存在一定爭議。陳明星[1]認(rèn)為如果只考慮水平剪切力的作用,而不考慮豎向力的作用顯然跟路面實(shí)際受力狀態(tài)不相符,試驗(yàn)結(jié)果也只能用于定性分析,而無法用于定量分析。寧志峰等[2-3]認(rèn)為最常用且最接近于路面實(shí)際受力狀態(tài)的是有法向力的直剪試驗(yàn)。胡凱健等[4-5]均表示瀝青面層與水泥混凝土界面間的摩阻力是影響層間粘結(jié)性能的主要因素,因此對于剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)而言,斜剪試驗(yàn)更能有效地模擬真實(shí)的車輛荷載作用從而評價(jià)路面層間抗剪性能。李楊梅[6]認(rèn)為由于車輛在行駛過程中會(huì)同時(shí)對路面產(chǎn)生水平荷載和豎向荷載,故采用45°斜剪試驗(yàn)?zāi)M車輛行駛對粘結(jié)層的作用以評價(jià)層間抗剪強(qiáng)度。瑞典等許多歐盟國家多采用扭剪試驗(yàn)對現(xiàn)場層間粘結(jié)效果進(jìn)行評價(jià),但是薛成[7]認(rèn)為扭剪試驗(yàn)雖然能夠模擬層間多向受剪的狀態(tài),但是受力狀態(tài)與實(shí)際也并不相符。此外不同試驗(yàn)條件下得到的

圖5 剪切試驗(yàn)示意圖

抗剪強(qiáng)度差異很大,抗剪強(qiáng)度與法向力大小、剪切速率、試驗(yàn)溫度等因素密切相關(guān)。

目前研究對于層間粘結(jié)性能的定量評價(jià)指標(biāo)基本達(dá)成一致,包括抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度,但是抗剪強(qiáng)度的測定試驗(yàn)方法尚需進(jìn)一步統(tǒng)一,尤其是剪切力的施加方式。

3 粘結(jié)性能影響因素綜述

近年來,國內(nèi)外學(xué)者采用多種方法對路面層間粘結(jié)狀態(tài)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作。研究表明,抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度的影響因素主要有結(jié)構(gòu)層材料類型、粘結(jié)材料類型及灑布量、豎向荷載及外界環(huán)境(溫度、濕度等)。

對于結(jié)構(gòu)層材料類型方面,蘇新國等[8]通過剪切試驗(yàn)對面層6種級配混合料進(jìn)行研究,結(jié)果表明AC粘結(jié)效果優(yōu)于SMA和OGFC,并認(rèn)為產(chǎn)生該結(jié)果的原因在于AC混合料的接觸面積最大。與之不同的是,陳華鑫等[9]在類似的研究中發(fā)現(xiàn),在NovaChip、SMA、AC和OGFC這4種混合料路面結(jié)構(gòu)中,層間抗剪強(qiáng)度順序?yàn)镹ovaChip>SMA>AC>OGFC;而且試驗(yàn)條件和路面結(jié)構(gòu)類型對瀝青路面層間粘結(jié)效果影響顯著,層間抗剪強(qiáng)度隨界面的污染而快速下降。艾長發(fā)等[10]研究表明在只有有水平剪切力的時(shí)候,AC-20與AC-13復(fù)合試塊由于結(jié)構(gòu)最密實(shí)且表面粗糙,表現(xiàn)出最好的抗剪性能;而施加法向力后,AC-20與SMA-13復(fù)合試塊則表現(xiàn)出最大的抗剪強(qiáng)度。

對于層間粘結(jié)材料方面,黃余陽陽[11]研究發(fā)現(xiàn),在6類試驗(yàn)材料中SBS改性乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)最優(yōu),而且豎向荷載與粘結(jié)材料灑布量的增加均會(huì)改善層間粘結(jié)效果。彭國強(qiáng)等[12]以拉拔強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo),選取了4種材料進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)埃索70#的粘結(jié)強(qiáng)度最大,伊朗70#和鎮(zhèn)海70#次之,中海70#相對最小,研究還表明材料的浸潤作用對粘結(jié)強(qiáng)度的形成有較大影響。王文國等[13]試驗(yàn)分析了橡膠瀝青、SBS 改性瀝青和環(huán)氧改性瀝青的拉拔強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度在不同溫度下的表現(xiàn),結(jié)果表明橡膠瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度最大、環(huán)氧改性瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度最小,且拉拔強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度與溫度具有較好的指數(shù)關(guān)系。

對于試驗(yàn)條件方面,張軒銘[14]研究表明對于同一種粘層材料,抗剪性能隨著灑布溫度的降低其性能表現(xiàn)越好;豎向荷載對層間抗剪強(qiáng)度的影響最大,灑布量次之,溫度相對影響較小。薛成[7]在進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),升高溫度會(huì)顯著降低層間抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)系數(shù),40℃的抗剪強(qiáng)度只有0℃狀態(tài)下的35%;水分對層間粘結(jié)會(huì)造成破壞,浸水后材料的抗剪強(qiáng)度下降幅度約7.6%～32.6%。李俊等[15]在研究多孔瀝青路面的層間抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn),高溫和長期浸水條件對兩種性能均會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減效果,試件間設(shè)有粘層的衰減幅度小于不設(shè)粘層的試件。

綜上所述,不同試驗(yàn)條件、不同材料類型以及不同評價(jià)指標(biāo)得到的層間粘結(jié)性能結(jié)果千差萬別。若采用抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度作為路面層間粘結(jié)性能的評價(jià)指標(biāo),在制定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)層材料類型、粘結(jié)材料類型及灑布量、豎向荷載及外界環(huán)境(溫度、濕度等)等影響因素。

4 結(jié)論

文章通過對路面層間粘結(jié)性能的評價(jià)指標(biāo)、試驗(yàn)方法以及影響因素等進(jìn)行分析和探討,得出以下結(jié)論:

(1)為加強(qiáng)施工過程質(zhì)量控制以及延長路面使用壽命,路面施工質(zhì)量驗(yàn)收時(shí),有必要增加路面層間粘結(jié)性能的定量評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)層間粘結(jié)性能可以采用抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度兩個(gè)定量指標(biāo)直接或間接地進(jìn)行評價(jià),但是抗剪強(qiáng)度測定試驗(yàn)方法需進(jìn)一步統(tǒng)一,尤其是剪切力的施加方式。

(3)在制定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)層材料類型、粘結(jié)材料類型及灑布量、豎向荷載及外界環(huán)境(溫度、濕度等)等影響因素。