水泥路面與瀝青加鋪層界面粘結(jié)性能影響因素研究

王濤 黃富斌 陳東

作者簡(jiǎn)介：王?濤（1987—），高級(jí)工程師，主要從事道路工程設(shè)計(jì)工作。

文章選用了4種常用的界面粘結(jié)材料，在復(fù)合試件上同時(shí)施加法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，并分析法向應(yīng)力和溫度耦合作用對(duì)粘結(jié)效果的影響，以探究界面粘結(jié)效果的主要影響因素。結(jié)果表明：溫度對(duì)粘結(jié)層的附著力有顯著影響，并在失效模式中起主導(dǎo)作用；乳化瀝青由于施工方法簡(jiǎn)單且粘結(jié)效果好，被認(rèn)為是最佳的界面粘結(jié)材料；損壞的界面仍然可以提供相當(dāng)大的結(jié)合強(qiáng)度；交通荷載產(chǎn)生的法向應(yīng)力有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成，尤其是在較低溫度下。研究成果可為“白改黑”路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

水泥路面；瀝青加鋪層；白改黑；界面；粘結(jié)性能

U416.22A110395

0?引言

水泥路面是我國(guó)曾經(jīng)主要的路面結(jié)構(gòu)形式，目前仍存在較大體量，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了不可替代的作用。但隨著交通量不斷提高，路面所承受的交通荷載急劇增加，水泥路面逐漸出現(xiàn)裂縫、破碎板、錯(cuò)臺(tái)、脫空等病害，嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性和安全，所以水泥路面的養(yǎng)護(hù)維修是一項(xiàng)亟須進(jìn)行的工作。

眾所周知，瀝青路面具有表面平整無(wú)接縫、行車(chē)振動(dòng)小、開(kāi)放交通快、后期維修方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)水泥混凝土路面損傷為良及以上時(shí)，可經(jīng)簡(jiǎn)單局部處理后直接加鋪瀝青面層，充分利用舊水泥面板的殘余強(qiáng)度，提升舊水泥路面的使用性能［1］。然而這種在高模量水泥路面上直接加鋪低模量瀝青面層的方式會(huì)形成較大的模量差異，這就會(huì)造成加鋪后的復(fù)合路面出現(xiàn)車(chē)轍、推移、擁包、層間破壞等問(wèn)題［2］。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于直接加鋪瀝青層進(jìn)行“白改黑”的研究大多集中在防止反射裂縫和復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析方面，在界面粘結(jié)的影響因素和相關(guān)試驗(yàn)方法方面的研究很少［3］。2008年LENG等進(jìn)行了一系列正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比得出SS-1hP瀝青乳液的界面粘結(jié)效果優(yōu)于RC-70稀釋瀝青，較低的溫度有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成等［4］；2012年張?zhí)业龋?］研究顯示加鋪層厚度是影響界面間剪應(yīng)力的最大因素，增大加鋪層厚度可顯著提升抗剪強(qiáng)度，若出現(xiàn)嚴(yán)重超載現(xiàn)象，則剪應(yīng)力可達(dá)到加鋪層的極限抗剪強(qiáng)度，同時(shí)指出溶劑型防水涂料的界面粘結(jié)能力較強(qiáng)；2013年原寶盛等［6］采用Ansys軟件建立了復(fù)合路面的三維有限元模型，通過(guò)模型得出降低加鋪層底的最大主應(yīng)力σ1、最大剪應(yīng)力τmax、等效應(yīng)力σe等力學(xué)指標(biāo)可通過(guò)增加加鋪層厚度的方式進(jìn)行，對(duì)比選擇7 cm AM-20瀝青碎石+2.5 cm應(yīng)力吸收層為最佳的防反射裂縫措施；2015年呂松濤等［7］基于彈性層狀體系計(jì)算得到最大剪應(yīng)力位于瀝青加鋪層內(nèi)，進(jìn)一步基于摩爾-庫(kù)[HJ1.45mm]

倫定律發(fā)現(xiàn)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中最大剪應(yīng)力與加鋪層厚度和等效模量間呈線性相關(guān)，以等效結(jié)構(gòu)下的最大剪應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)是一種步驟簡(jiǎn)單且精度高的設(shè)計(jì)方法；2016年馬強(qiáng)［8］采用復(fù)合試件模擬測(cè)定實(shí)際“白改黑”復(fù)合路面的抗剪切性能，試驗(yàn)結(jié)果表明層間抗剪強(qiáng)度與水泥板表面粗糙程度相關(guān)，推薦毛面時(shí)粘層油的最佳灑布量為1.0 kg/m2，環(huán)氧改性陽(yáng)離子乳化瀝青的粘結(jié)對(duì)水穩(wěn)定性的改善效果最好；2017年楊芳［9］在水泥路面“白改黑”設(shè)計(jì)時(shí)提出了一層冷拌聯(lián)結(jié)層加瀝青面層的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，并在省道改造時(shí)以試驗(yàn)段的形式進(jìn)行性能驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和性能檢測(cè)證明該設(shè)計(jì)思路高效可行；2020年馬凌等［10］發(fā)明了基于拉剪復(fù)合作用的復(fù)合梁抗疲勞試驗(yàn)和復(fù)合板抗反射裂縫試驗(yàn)，并在反復(fù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)抗裂貼+橡膠瀝青碎石封層的界面組合材料在各性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。

本研究在復(fù)合試件上同時(shí)施加法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，分析法向應(yīng)力和溫度耦合作用對(duì)水泥路面直接加鋪瀝青面層界面粘結(jié)效果的影響，探究界面粘結(jié)效果的主要影響因素。

1?原材料及試件制備

1.1?原材料

本研究選用4種類型的界面粘結(jié)材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，各粘結(jié)材料或蒸發(fā)殘留物的常規(guī)性能和最佳灑布量見(jiàn)下頁(yè)表1。其中最佳灑布量根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)綜合確定。

1.2?試件制備

為模擬舊水泥路面直接加鋪瀝青面層的實(shí)際受力情況，本研究制備一種圓柱形復(fù)合試件用于室內(nèi)試驗(yàn)。在20 cm厚舊水泥路面上鉆取圓柱形芯樣，根據(jù)截面面積和最佳灑布量進(jìn)行界面粘結(jié)材料的灑布，然后在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀上將設(shè)計(jì)好的熱拌瀝青混合料壓實(shí)在圓柱形水泥芯樣上，瀝青層厚度為4 cm。

2?試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1?試驗(yàn)方法

考慮到法向應(yīng)力對(duì)界面粘結(jié)的影響，特選用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)MTS通過(guò)液壓制動(dòng)器在水平方向上施加法向應(yīng)力。試驗(yàn)時(shí)采用位移控制模式，以2.5 mm/min的恒定剪切速率在加載板上施加剪切力。環(huán)境箱能夠準(zhǔn)確提供試驗(yàn)所需溫度條件，試驗(yàn)溫度分別為0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃，法向應(yīng)力為0 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa，復(fù)合試件加載示意圖見(jiàn)圖1。

2.2?評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.1?抗剪強(qiáng)度

根據(jù)已有研究成果可知，直接剪切試驗(yàn)有兩條典型的剪切應(yīng)力-位移曲線，分別代表脆性破壞和塑性破壞，如圖2所示。對(duì)于脆性破壞，其剪切應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)剪切強(qiáng)度，而塑性破壞剪切應(yīng)力始終沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì)，未表現(xiàn)出明顯的峰值。進(jìn)一步分析后，使用剪切位移為5 mm時(shí)的剪切應(yīng)力作為塑性破壞的剪切強(qiáng)度，界面粘結(jié)材料的剪切強(qiáng)度見(jiàn)式（1）。

2.2.2?界面粘結(jié)系數(shù)

界面粘結(jié)系數(shù)K是表征界面粘結(jié)抗剪切能力的重要參數(shù)，可根據(jù)式（2）計(jì)算得到：K值越大則界面粘結(jié)越傾向于脆性破壞，K值越小表明界面粘結(jié)越容易發(fā)生塑性破壞。

2.2.3?殘余抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比

本研究定義殘余強(qiáng)度為剪切試驗(yàn)位移為10 mm時(shí)的剪切應(yīng)力，殘余強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的比值為殘余強(qiáng)度比R，如式（3）所示。在大多數(shù)情況下，脆性破壞的R均＜1，但塑性破壞的R也可以＞1。

3?試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1?確定最佳界面粘結(jié)材料

由圖3和圖4變化趨勢(shì)可知，界面粘結(jié)失效與試驗(yàn)溫度密切相關(guān)。低溫易導(dǎo)致脆性破壞和產(chǎn)生較高的剪切強(qiáng)度，而高溫時(shí)正好相反。對(duì)于煤油稀釋瀝青，無(wú)論是15 ℃還是45 ℃，界面粘結(jié)都表現(xiàn)出塑性破壞。這是因?yàn)槊河拖♂尀r青的附著力較弱，塑性變形較好，界面粘結(jié)很可能形成滾動(dòng)摩擦。另外，在15 ℃時(shí)粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度由高到低排序?yàn)殛庪x子乳化瀝青＞橡膠瀝青＞基質(zhì)瀝青＞煤油稀釋瀝青，煤油稀釋瀝青的抗剪強(qiáng)度明顯低于其他瀝青；在45 ℃時(shí)大小排序?yàn)榛|(zhì)瀝青＞煤油稀釋瀝青＞橡膠瀝青＞陰離子乳化瀝青，這與15 ℃時(shí)的結(jié)果明顯不一致。

圖5～8分別為抗剪強(qiáng)度τmax、界面粘結(jié)系數(shù)K、殘余抗剪強(qiáng)度τR、殘余強(qiáng)度比R的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖5可知，陰離子乳化瀝青在低溫（15 ℃）下表現(xiàn)出最高的抗剪強(qiáng)度，其次是橡膠瀝青，然后是基質(zhì)瀝青，最后是煤油稀釋瀝青。陰離子乳化瀝青和橡膠瀝青的抗剪強(qiáng)度在高溫（45 ℃）下變小，而基質(zhì)瀝青和煤油稀釋瀝青的抗剪性能更好。這表明溫度對(duì)粘結(jié)層的粘結(jié)性能起著重要作用，在低溫下抗剪性能較好的粘結(jié)材料在高溫下可能無(wú)法提供類似的粘結(jié)性能。陰離子乳化瀝青和橡膠瀝青的粘結(jié)性能對(duì)溫度變化更為敏感。

由圖6可知，低溫時(shí)陰離子乳化瀝青、橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青的K值較高，高溫時(shí)所有粘結(jié)材料K值會(huì)顯著降低，進(jìn)一步分析得出脆性破壞試樣的K值均高于塑性破壞試樣，塑性破壞K值可能小于某一閾值。

殘余抗剪強(qiáng)度τR和殘余強(qiáng)度比R用于表征粘結(jié)界面受損后是否仍能提供一定抗剪強(qiáng)度。由圖7可知，剪切強(qiáng)度較高的粘結(jié)材料可能具有較高的殘余強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的殘余強(qiáng)度比，圖8殘余強(qiáng)度比試驗(yàn)數(shù)據(jù)正好驗(yàn)證上述推斷。15 ℃和45 ℃的最小殘留強(qiáng)度比分別為52.6%和85%，瀝青層和舊水泥板界面粘結(jié)失效后（產(chǎn)生較大的相對(duì)位移）仍可提供良好的粘結(jié)能力。所以溫度是影響粘結(jié)材料界面粘結(jié)的重要因素之一，并且界面粘結(jié)失效后仍可提供相當(dāng)大的粘結(jié)強(qiáng)度，陰離子乳化瀝青、橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青是三種合適的界面粘結(jié)材料，進(jìn)一步考慮施工便捷性，推薦乳化瀝青為最佳的粘結(jié)材料。

3.2?法向應(yīng)力和溫度對(duì)界面粘結(jié)的耦合效應(yīng)

3.2.1?法向應(yīng)力的影響

表2為乳化瀝青不同法向應(yīng)力和溫度耦合下的剪切試驗(yàn)結(jié)果。由于0 ℃和1.5 MPa法向應(yīng)力耦合作用下剪切強(qiáng)度太高，超出試驗(yàn)設(shè)備量程，所以未列出相關(guān)結(jié)果。綜合數(shù)據(jù)可知，0 ℃時(shí)的剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增加而增加，這時(shí)界面粘結(jié)非常牢固，因此在大多數(shù)情況下都能滿足粘合要求。15 ℃時(shí)法向應(yīng)力對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響更為顯著，當(dāng)其從0.5 MPa升至1.0 MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度增加了49.3%，從1.0 MPa升至1.5 MPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度提高46.2%，然而法向應(yīng)力對(duì)界面粘結(jié)增強(qiáng)作用隨溫度的升高而減弱。當(dāng)法向應(yīng)力＜0.5 MPa時(shí)，其對(duì)剪切強(qiáng)度的影響非常有限。

圖9～11為其他參數(shù)隨法向應(yīng)力的變化趨勢(shì)。以30 ℃溫度為例，剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度均與法向應(yīng)力呈正比例關(guān)系。當(dāng)法向應(yīng)力從0 MPa增加到1.5 MPa時(shí)，剪切強(qiáng)度從0.26增加到1.17 MPa，殘余強(qiáng)度從0.13 MPa增加到1.03 MPa，而界面粘結(jié)系數(shù)K隨法向應(yīng)力先減小后增加再減小。殘余強(qiáng)度比同樣與法向應(yīng)力呈正相關(guān)，當(dāng)法向應(yīng)力從0 MPa增加到0.5 MPa時(shí)，殘余強(qiáng)度比從50%迅速增加到81.08%。

總之，法向應(yīng)力有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成，尤其在較低溫度下。較高法向應(yīng)力可以增加殘余強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比，但通常對(duì)界面粘結(jié)失效模式的影響較有限。

3.2.2?溫度的影響

根據(jù)不同試驗(yàn)條件下的剪切強(qiáng)度-位移曲線可知，隨著溫度升高，曲線的峰逐漸消失，這說(shuō)明溫度與界面粘結(jié)的破壞模式有關(guān)，低溫容易導(dǎo)致脆性破壞，高溫只會(huì)發(fā)生塑性破壞。此外，無(wú)論法向應(yīng)力如何變化，高溫都會(huì)顯著降低抗剪強(qiáng)度。

以1.0 MPa法向應(yīng)力為例，抗剪強(qiáng)度和界面粘結(jié)系數(shù)指標(biāo)均隨溫度的升高而降低，而殘余剪切強(qiáng)度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)基本無(wú)變化，這表明溫度可能不會(huì)影響殘余強(qiáng)度。殘余強(qiáng)度比隨溫度的升高而增大，這是因?yàn)樵诟邷叵赂菀装l(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致較高的殘余強(qiáng)度比。

總之，較高的溫度會(huì)降低剪切強(qiáng)度和界面粘結(jié)系數(shù)，其在界面粘結(jié)失效模式中起主導(dǎo)作用，高溫下更容易發(fā)生塑性破壞，但在低溫下更傾向于發(fā)生脆性破壞。

4?結(jié)語(yǔ)

（1）溫度對(duì)界面粘結(jié)材料的粘結(jié)能力有顯著影響。低溫下具有較高剪切強(qiáng)度的粘結(jié)層在高溫下可能不會(huì)提供接近的界面粘結(jié)強(qiáng)度，乳化瀝青由于其施工方便而被推薦為最佳的界面粘結(jié)材料。

（2）界面粘結(jié)在失效后仍能夠提供相當(dāng)大的結(jié)合強(qiáng)度，這表明受損的界面仍可發(fā)揮一定作用，界面粘結(jié)系數(shù)可作為區(qū)分界面粘結(jié)失效模式的指標(biāo)。

（3）在較低溫度下，法向應(yīng)力有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成。較高的法向應(yīng)力可以增加殘余剪切強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比，但對(duì)界面粘結(jié)破壞模式的影響非常有限。同樣，在一定法向應(yīng)力下，溫度對(duì)界面粘結(jié)有顯著影響，并在界面粘結(jié)失效模式中起主導(dǎo)作用。高溫下更易發(fā)生塑性破壞，而在低溫下更傾向于發(fā)生脆性破壞。

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