層間接觸狀態(tài)對剛?cè)峤M合路面結(jié)構(gòu)性能影響研究

林 群， 李婷玉， 陳宇亮

(1.中核華辰建筑工程有限公司， 福建 莆田 351100； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙，410015)

近年來，高速公路的早期病害所帶來的的路面耐久性問題日益突出，耐久性不夠是目前高速公路的主要問題之一[1]。超限超載車輛大幅增長是導(dǎo)致路面發(fā)生破壞的重要原因[2]。因此，提出適合重載交通的長壽命耐久性路面結(jié)構(gòu)就成為一個刻不容緩的關(guān)鍵技術(shù)問題。

剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強(qiáng)，避免了半剛性基層強(qiáng)度衰減快，疲勞壽命短等缺陷，并且服役后期維修簡單[3-4]。剛?cè)釓?fù)合式路面因其較強(qiáng)的承載能力和優(yōu)異的耐久性能[5]，已經(jīng)成為有較高承重要求的高速公路耐久性路面結(jié)構(gòu)發(fā)展方向之一。我國對這種剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，張艷紅[6]等的研究結(jié)果表明層間結(jié)合不連續(xù)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變驟增；長安大學(xué)的惠冰[7]等為提高層間黏結(jié)強(qiáng)度，對黏結(jié)界面進(jìn)行不同深度、不同寬度和不同間距的刻槽處理；陶可[8]通過研究得出最佳黏結(jié)材料以提高復(fù)合式路面性能。通過分析已有研究可知，剛性基層與瀝青面層層間結(jié)構(gòu)是薄弱環(huán)節(jié)，其結(jié)合技術(shù)是關(guān)鍵，AC層與CRC層的層間良好的抗剪性能和抗拉性能可有效防止結(jié)構(gòu)破壞。綜上，本文對剛性基層與瀝青面層的層間結(jié)合技術(shù)開展室內(nèi)強(qiáng)度及小型加速加載試驗研究，以提出最優(yōu)的層間結(jié)合技術(shù)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1.1.1基層材料

水泥采用湖南金磊南方水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料產(chǎn)自蓮花碎石場，細(xì)集料為天然河砂，混凝土拌和用水為飲用水。各材料性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

減水劑采用長沙利諾弗克建材有限責(zé)任公司的“LNK-G200”緩凝高效減水劑，摻量為水泥用量的1.2%，減水率為15%～20%。

1.1.2層間黏結(jié)材料

試驗選用2種不同瀝青作為黏結(jié)層材料，分別為重交70#瀝青和SBS改性瀝青，其各項力學(xué)指標(biāo)皆滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1.3面層材料

面層選用AC-20C型和SMA-13型瀝青混合料。瀝青為SBS改性瀝青；粗細(xì)集料均為輝綠巖，粗集料壓碎值為11.1%，細(xì)集料表觀相對密度2.717 g/cm3。礦粉選用石灰?guī)r礦粉，表觀密度2.710 g/cm3。各組成材料其他各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗方案

為探究不同界面處理方式、不同黏結(jié)材料及其用量、不同工作條件等對剛?cè)峤M合路面結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)性能的影響，本文分別對比分析裸化、拉槽和光面；SBS改性瀝青和重交70#瀝青；不同溫度以及不同加荷速率對復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗剪切性能和抗拉拔性能的影響。

經(jīng)試驗室試拌，確定基層材料試驗室基準(zhǔn)配合比為：水泥375 kg/m3,砂729.8 kg/m3,碎石1190.7 kg/m3,水150 kg/m3,減水劑4.5 kg/m3。

此配比下新拌混凝土坍落度為45mm，含氣量為4.0%；硬化后的7d和28d抗折強(qiáng)度分別為6.24和6.94MPa，7 d和28d抗壓強(qiáng)度分別為41.1和50.5MPa。

AC-20+SBS瀝青混合料的級配組成如表1所示，最佳油石比由馬歇爾試驗確定為4.5%。SMA-13+SBS瀝青混合料的級配組成如表2所示，最佳油石比由馬歇爾試驗確定為5.9%。

表1 AC-20礦料級配范圍及設(shè)計級配組成Table 1 Grading range and grading composite of AC-20孔徑/mm設(shè)計級配級配上限級配下限26.500100.010010019.00093.41009016.00082.7927813.20068.980629.50050.172504.75031.856262.36023.344161.18018.333120.60014.02480.30011.41750.1508.51340.0755.973

表2 SMA-13礦料級配范圍及設(shè)計級配組成Table 2 Grading range and grading composite of SMA-13孔徑/mm設(shè)計級配級配上限級配下限16.00010010010013.20095100909.5006375504.7502734202.3602026151.1801924140.6001620120.3001316100.150121590.07510128

1.3 試件制作方法

瀝青混合料層間剪切試件的制作包括3個步驟[9-10]：

a. 澆筑混凝土基層及表面處理。在直徑為100 mm的自制圓形試模中澆筑水泥混凝土試件。采用裸化或拉毛技術(shù)對混凝土板的表面進(jìn)行處理，使表面比較粗糙，如圖1所示。并且留出試件不做表面處理，用來對比裸化、拉槽和不做表面處理的效果。裸化深度控制在2～3 mm，以露出碎石為準(zhǔn)。而拉槽是在試件剛剛成型后馬上進(jìn)行。

圖1 拉槽的水泥塊試件Figure 1 Concretespecimen with grooves

b. 層間結(jié)構(gòu)。在連續(xù)配筋混凝土基層和瀝青面層之間鋪設(shè)1cm的應(yīng)力吸收層：采用改性瀝青同步碎石封層，4.75～9.5mm單粒徑碎石的用量為鋪滿面積的60%～70%。

c. 成型瀝青混凝土面層。面層為SBS改性瀝青混合料。在黏結(jié)層冷卻至室溫以后，將拌和好的瀝青混合料倒入試模中的黏層上，然后輾壓成型，輾壓成型后讓試模在室溫下冷卻，冷卻12h后進(jìn)行脫模，整個試件的高度為100mm，半徑為50.8mm。成型后的試件見圖2。

圖2 剛?cè)釓?fù)合試件Figure 2 Rigid and flexible composite specimen

2 試驗結(jié)果分析

2.1 層間結(jié)構(gòu)的確定及其影響因素分析

2.1.1表面處理方式、黏結(jié)材料及其用量對抗剪及抗拉強(qiáng)度影響

如前所述，采取裸化、拉槽和光面3種界面處理方式，對比研究層間黏結(jié)性能的影響。為比較3種不同表面處理方式的影響，先固定黏結(jié)層材料和改性瀝青用量，黏結(jié)層材料取為SBS改性瀝青，其用量選為1.6kg/m2。成型試件，在60℃條件下進(jìn)行剪切試驗，以模擬高溫條件的剪切破壞。在15℃條件下進(jìn)行拉拔試驗，以模擬常溫的受拉破壞。試驗結(jié)果見圖3。

圖3 界面處理方式對黏結(jié)強(qiáng)度的影響Figure 3 Influence of interface treatment on bond strength

由圖3可知，當(dāng)層間采用裸化處理時，其60℃抗剪強(qiáng)度和15℃抗拉強(qiáng)度分別為0.696和1.179MPa，均大于拉槽和光面處理。究其原因，界面層的抗剪強(qiáng)度主要取決于界面水泥層與碎石和面層瀝青混合料的摩擦力。裸化結(jié)構(gòu)的構(gòu)造深度最大，其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大。而光面結(jié)構(gòu)無論是在構(gòu)造深度還是摩擦力方面都較小，故其黏結(jié)性能最弱。拉槽處理介于裸化和光面之間。故采用裸化技術(shù)作為界面處理的優(yōu)選方案。

為了確定層間黏結(jié)材料的影響，混凝土表面采用裸化技術(shù)，固定瀝青用量為1.6kg/m2。對比重交70#瀝青與SBS改性瀝青對層間結(jié)合效果的影響。試驗結(jié)果見圖4。

圖4 瀝青類型對黏結(jié)強(qiáng)度的影響Figure 4 Influence of asphalt type on bond strength

從圖4可以看出，采用SBS改性瀝青作為黏結(jié)材料，復(fù)合試件的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為0.696和1.179MPa，相比于重交70#瀝青，其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高10%和18%。這是因為SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性能均好于70#瀝青。這也與瀝青原材料試驗中SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)大于70#瀝青相對應(yīng)。同時，對SBS改性瀝青補(bǔ)做了一組10℃的延度試驗，其延度也大于70#瀝青。由此可見，采用較好的層間黏結(jié)材料能提高復(fù)合試件的層間結(jié)合性能。

為了確定SBS改性瀝青的最佳用量，層間采用裸化處理，以1.2kg/m2為初始用量，每級以0.2kg/m2遞增，直至2.4kg/m2，每次試驗做3次平行試驗取其平均值，來確定最優(yōu)的瀝青用量，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 瀝青用量與界面強(qiáng)度的關(guān)系Figure 5 Relationship between asphalt content and interface strength

由圖5可知，瀝青用量對瀝青混合料層間抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度的影響較為顯著，抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度隨著瀝青用量的增大先增大后減小，在2.0kg/m2時最大。這是因為在水泥混凝土界面上涂抹黏結(jié)層瀝青分子會形成一層結(jié)構(gòu)瀝青。當(dāng)結(jié)構(gòu)瀝青過少時，水泥混凝土與瀝青面層難以形成有效黏結(jié)。在該階段，抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)瀝青用量的增大而增大，在瀝青用量最佳時抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度達(dá)到峰值。此后，進(jìn)一步增加瀝青用量，多余的自由瀝青會起到潤滑的作用，反而不利于界面強(qiáng)度的形成。因此，在施工時應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制瀝青用量，以保證結(jié)構(gòu)層有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度。

為了確定上面層級配的影響，混凝土表面采用裸化技術(shù)，固定采用SBS改性瀝青用量為2.0kg/m2，對比AC-20級配和SMA-13級配的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度，試驗結(jié)果見表3。

從試驗結(jié)果可知，相較于SMA-13級配SBS瀝青混合料，AC-20級配SBS瀝青混合料的層間抗剪性能和拉拔性能提高了約10%，這是因為AC-20級配更粗，容易形成嵌擠的緣故。所以，后續(xù)分析中重點(diǎn)對層間結(jié)合能力相對較弱的SMA-13級配SBS瀝青混合料展開。

表3 不同類型瀝青混合料60 ℃剪切和15 ℃拉拔試驗結(jié)果Table 3 60 ℃ shear strength and 15 ℃ drawing strength of Different types of asphalt mixtures級配類型剪切強(qiáng)度/MPa拉拔強(qiáng)度/MPa SMA-130.6961.179AC-200.7661.282

綜上所述，為了黏結(jié)層獲得最好的層間強(qiáng)度，其最終設(shè)計方案為：混凝土表面采用裸化處理后，采用改性瀝青同步碎石封層，SBS改性瀝青用量為2.0kg/m2，9.5～19mm單粒徑碎石的用量為滿鋪面積的60%～70%(約12～16kg/m2)。

2.1.2工作條件的影響

考慮到層間剪切破壞是CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的主要破壞形式，為了分析工作條件對層間抗剪強(qiáng)度的影響，在不同溫度及加載速度條件下對復(fù)合試件(上面層為SMA-13)進(jìn)行剪切試驗，不同溫度及不同加載速率下的層間剪切試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 試驗溫度與層間剪切強(qiáng)度的關(guān)系Figure 6 Relationship between test temperature and interlaminar shear strength

如圖6所示，復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度基本上是隨溫度的增加而線性減小，其關(guān)系為：

τ=0.95-0.027T，R2=0.98

(1)

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；T為試驗溫度，℃。

從圖7可知，在上述加載范圍內(nèi)，復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度基本上是隨加載速度的增加而線性減大，其關(guān)系為：

τ=0.65-0.05V，R2=0.95

(2)

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；V為加載速度，mm/min。

由圖6可知，復(fù)合試件層間抗剪強(qiáng)度隨溫度的

圖7 加載速度與層間剪切強(qiáng)度的關(guān)系Figure 7 Relationship between loading rate and interlaminar shear strength

增大而線性減小，這主要是因為，溫度升高時，其層間黏結(jié)作用的瀝青變軟，黏結(jié)力降低，抵抗外界剪切力的能力下降[11]。

圖7所示復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度隨加載速度的增大而線性增大。這主要是因為，當(dāng)外界荷載施加于受荷材料，受荷材料在承受荷載到破壞有一定的反應(yīng)時間，當(dāng)加載速度增加，試驗最終測出的剪切強(qiáng)度也隨之增加。綜上，在夏季高溫條件下，層間抗剪強(qiáng)度將會大幅降低，此時，應(yīng)盡量控制重載車輛的噸位，防止路面結(jié)構(gòu)發(fā)生層間破壞和剪切、推移病害。

3 結(jié)論

a. 構(gòu)造深度對層間性能影響較大，構(gòu)造深度越大，層間抗剪切能力越好。當(dāng)層間采用裸化處理時，其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大于拉槽和光面處理時對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

b. 相比于重交70#瀝青，SBS改性瀝青作為黏結(jié)材料的復(fù)合試件的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較高，且在用量為2.0 kg/m2時，層間抗剪切強(qiáng)度最大。

c.層間抗剪切強(qiáng)度與環(huán)境溫度呈線性負(fù)相關(guān)。因此，為使剛?cè)峤M合路面保持較好的路面結(jié)構(gòu)性能，在選擇有利的界面結(jié)構(gòu)的同時，考慮在夏季高溫時嚴(yán)格控制路面荷載。