基于層間剪切的瀝青路面粘層力學性能研究＊

朱 俊 雷茂錦 張 航 朱耀庭

（江西省交通科學研究院1） 南昌 330038） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

0 引 言

瀝青路面粘層與橋面防水材料粘層在作用原理及評價體系有相似之處，美國是最早開展橋面防水粘結層研究的國家之一，NCHRP在1976年發表的橋面防水報告中介紹了防水膜性能的室內評價方法［1］.在國外瀝青路面設計規范中，對路面材料裂縫破壞現象的研究主要集中在層底拉應力的疲勞問題上，引入層間粘結疲勞的概念，以道路曲線段出現的自上而下的縱向裂縫（top－down cracking）為出發點，用三維有限元分析計算了重復水平荷載作用下路面層間結合疲勞性能，通過自行設計開發出層間結合雙剪測試裝置，進行了不同溫度條件下的加速剪切加載試驗，建立了剪切疲勞方程，評價了傳統的層間結合類型的剪切疲勞特性，并進行路面分析和路面壽命評價［2－4］.

路面結構的層間狀態對其使用性能有顯著影響，層間狀態光滑條件下的基層結構抗折強度、抗壓強度、劈裂強度以及疲勞壽命都較層間連續狀態下的要小，就受層間狀態影響程度而言，早期抗壓強度較后期強度更明顯，而路面結構的抗折強度和疲勞壽命受路面層間狀態的影響更為顯著［5］.隨著交通量和重型車輛的增加，由于層間損壞而發生的路面早期病害不僅妨礙了正常交通，影響路面美觀，更易造成交通事故，也給維修、養護工作帶來了很大的困難.因此，有必要對路面粘層開展剪切試驗研究.

1 試驗原理

瀝青路面層間滑移、兩層皮、坑槽和波浪擁包等病害是層間剪切強度不足造成的破壞，即因路面層間的抗剪切強度不足以抵抗剪切面上的剪應力，因而導致剪切變形急劇發展和累積而造成的破壞.這種路面層間抗剪切應力破壞的能力，稱為路面層間抗剪強度.

在層間破壞的瞬間，層間接觸面的剪應力數值等于層間界面的抗剪強度［6］，即

式中：τ為層間接觸面的剪應力，MPa；τf為層間界面的抗剪強度，MPa；Pmax為最大水平剪切力，N；A為試樣截面積，m2.式（1）就是層間應力狀態達到極限應力狀態，并據此來判斷層間界面是否破壞.

已知一點的兩個正交平面上的大、小主應力分別為σ1，σ3，則該點任意平面上法向壓應力σ和剪應力τ可根據靜立平衡條件求得：

直接剪切試驗的原理是根據庫倫定律，抗剪強度τf是剪切平面上法向應力σ的函數.試件的內摩擦力與剪切面上的法向應力成正比，將同一組試件分別在不同的法向應力作用下沿固定的剪切面直接施加水平剪切力直至試件破壞，得到剪壞時最大剪應力，即為抗剪強度，然后根據庫倫定律確定試件層間材料參數c和φ值.工作原理見圖1.

圖1 剪切儀工作原理圖

土體力學學者研究認為莫爾－庫侖破壞理論解釋土的破壞最成功［7］.對瀝青路面各面層之間以及基層和面層間的剪切破壞，國內也有不少學者認為同樣可以用莫爾－庫侖破壞強度理論解釋［8－10］，其表達式為：

式中：σ為剪切面的法向應力，MPa；φ為材料的內摩擦角，（°）；c為材料的粘聚力，MPa.

2 室內試驗

2.1 試驗方案

分別采用普通乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青和摻加水泥的乳化瀝青作為粘結層材料，層間結合料用量分別為0，0.2，0.4，0.6kg／m2旨在分析材料種類及用量對層間抗剪強度的影響規律.結合江西省濕熱山區氣候條件，夏季高溫時，瀝青混凝土路面的表面溫度可以達到50℃，并且基本上可以保持2h以上，考慮高溫對路面層間抗剪強度影響的最不利情況，取50℃作為路面表面的極端氣溫，同時結合瑞尋高速公路氣候特點，本試驗的試驗溫度設定為30，40和50℃.參照瀝青混合料浸水馬歇爾試驗，將瀝青混合料層間結合試件，在規定溫度的恒溫水槽中保溫48h，然后測定其浸水剪切強度，以評定不同層間材料的水穩定性能.同時，為了模擬濕熱地區的氣候特性，將浸水溫度選定為40和50℃.

2.2 試件成型

1）利用馬歇爾擊實成型高度為（50±0.5）mm的下層試件.

2）試件冷卻后撒上規定用量的粘結層材料，讓其在自然環境條件下破乳固結.待完全固化后，用塑料薄膜封閉養護以待備用.

3）事先加工好與馬歇爾試筒相匹配的上層試筒，將拌和好的上層瀝青混合料倒入加工好的試筒內，放置馬歇爾擊實機上進行擊實成型面層，成型的上層試件高度仍為（50±0.5）mm.待上層瀝青混合料溫度降至室溫時脫模.脫模時應注意輕拿輕放，不要擾動層間粘結狀態.試件制作及成型見圖2.

圖2 試件成型

3 試驗數據與分析

3.1 不加豎向力的剪切試驗

采用自主開發的剪切儀對室內制作成型的試件進行了不加豎向力的水平剪切試驗，得到了各個試件在不同試驗溫度和浸水條件下的層間抗剪強度，其結果如表1所列.

由表1可以看出，以普通乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青作為粘層的抗剪強度大多隨層間結合料用量的增加先增加而后減小.相比而言，以SBS改性瀝青作為粘層時，其抗剪強度最大.瀝青受溫度影響很大，隨著試驗溫度的增加，粘層的抗剪強度大大降低.在高溫試驗條件下，相同撒布量的SBS改性乳化瀝青的性能好于普通瀝青.因此，從經濟性、高溫和常溫條件下相同撒布量的抗剪強度來看，SBS改性乳化瀝青性能優于普通乳化瀝青，且用量為0.4kg／m2時最佳.浸水抗剪強度有所降低，水份的介入弱化了層間抗剪能力，而加入水泥后的粘層材料浸水強度提高近20%，可見，水泥穩定后的瀝青路面層間粘結材料抗水穩定性有了較大提升.

表1 層間剪切試驗結果（不加豎向力）

3.2 加豎向力的剪切試驗

為了更好地闡述瀝青路面層間材料的性能，借鑒莫爾－庫倫破壞理論，對剪切破壞行為進行描述，對不同豎向壓力作用下的剪切強度擬合曲線如圖3和4所示，各條件下抗剪試驗結果見表2，強度參數見表3.

表2 層間剪切試驗結果（加豎向力）

表3 抗剪強度莫爾－庫倫理論參數結果

綜合分析加豎向力的試驗結果可以看出，相同材料用量條件下，SBS改性瀝青作為粘層時，其抗剪強度更大.普通乳化瀝青用量0.6kg／m2時抗剪強度最大，SBS改性乳化瀝青用量0.4kg／m2時抗剪強度最大.

圖3 50℃普通乳化瀝青抗剪強度莫爾－庫倫理論擬合圖

圖4 50℃SBS改性乳化瀝青抗剪強度莫爾－庫倫理論擬合圖

在50℃條件，不加豎向力的各種材料層間抗剪強度較小，它主要由材料的粘聚力決定；而施加豎向力之后的層間抗剪強度明顯增大，其層間抗剪強度主要由層間界面摩擦力大小、表面粗糙率以及材料的粘聚力大小等決定，且抗剪強度與豎向應力大小成正比例關系.

4 實體工程研究

4.1 試驗路概況

本項目為濟南至廣州高速公路在江西境內的最后一段，即瑞金至尋烏段（贛粵界），全長123.956km.路線地處贛南，為南嶺山脈、武夷山脈與羅霄山脈的交匯地帶，屬于亞熱帶南緣，呈典型亞熱帶的丘陵山區的濕潤季風氣候.四季分明，光熱充足，冷暖顯著，降水豐沛而分配不均，全年大風日較少，平均風速為1.8m／s.年平均的氣溫19.3℃，區域1月平均氣溫最低，為8.2℃，7月平均氣溫最高，達28.6℃，極端最高氣溫38℃以上，極端最低氣溫可達－5℃以下.年平均降水量1 647.3mm，12月降水最少為49.1mm，5月降水最多，為266.7mm，年平均降水日數161.7d，年平均大風日3.7d，年平均霜期78d.

路面采用瀝青混凝土路面，設計使用年限15a，設計標準軸載BZZ－100kN.綜合調查交通量和遠景預測交通量的同時考慮車輛超載的因素，設計年限內彎沉設計與瀝青層彎拉設計累計標準軸次為1 725.19萬次、半剛性基層彎拉設計累計標準軸次為3 186.16萬次.

結合室內試驗成果和項目實體工程需求，試驗路段層間粘層材料采用了SBS改性乳化瀝青和摻3%水泥的SBS改性乳化瀝青兩種方案，用量均為0.4kg／m2.以此對比分析兩種方案的粘結效果，并驗證室內試驗成果.

4.2 芯樣檢測及效果評價

對芯樣進行了切割加工和室內剪切試驗（試驗溫度為室溫27℃）.以此來驗證層間處治方法和材料的合理性，為瀝青路面層間粘結層的設計施工提供參考依據.芯樣的檢測結果見表4.

表4 芯樣室內剪切試驗結果

分析表4可以看出：2種粘層類型的芯樣剪切強度（除芯樣層間有裂縫外）均大于1.0MPa，同樣粘層材料用量0.4kg／m2條件下，加3%水泥SBS改性乳化瀝青芯樣的剪切強度較SBS改性乳化瀝青芯樣的剪切強度增大了34.3%.層間接觸狀態（裂縫）對層間抗剪切強度影響很大.正常芯樣的剪切破壞面呈現了一定程度的不規則，這說明增加粘層材料后，使的層間抗剪強度得到了加強，其抗剪強度大于瀝青混合料的抗剪強度.

此外，將芯樣剪切結果與室內制作試件的剪切結果對比，發現芯樣的剪切強度要大很多.這是因為室內制作試件是采用馬歇爾擊實成型的，而實際路面施工采用輪胎壓路機碾壓施工，兩者層間界面粗糙度、瀝青混合料的密實度和空隙率都有差異.

5 結 論

1）相對30℃條件下，50℃條件下的層間抗剪強度損失了70%.浸水導致層間剪切強度降低，通過在SBS改性乳化瀝青種摻水泥，使層間浸水抗剪強度提高近20%.

2）50℃條件下，對試件進行加豎向壓力的層間剪切試驗，得到了兩類粘結層材料的層間抗剪強度參數c，φ值，SBS改性乳化瀝青的抗剪強度比普通乳化瀝青的抗剪強度大.

3）對瀝青路面層間抗剪強度影響最敏感的因素首先是溫度，其次是粘層材料用量，再次是粘層材料類型和雨水的浸入.SBS改性乳化瀝青抗剪性能優于普通乳化瀝青，且最佳用量為0.4 kg／m2.

4）對試驗路現場取芯并進行室內剪切試驗，摻3%水泥SBS改性乳化瀝青的層間抗剪切強度為1.508 5MPa；SBS改性乳化瀝青的層間抗剪切強度為1.122 8MPa.

在濕熱環境，重載交通和高溫作用下，瀝青路面層間處治材料抗剪強度的不足，會導致路面結構處于不利的受力狀態甚至受到嚴重破壞.基于層間抗剪強度而言，SBS改性乳化瀝青優于普通乳化瀝青，濕熱地區公路瀝青路面應該優先選擇聚合物改性乳化瀝青作為粘層材料.在SBS改性乳化瀝青中摻入一定量的水泥，可以提高高溫濕熱環鏡下粘層的抗剪強度，摻量一般為3%～5%.瀝青路面設計和施工時應該合理選擇粘層材料類型及其用量，以滿足瀝青路面的層間抗剪強度要求，避免早期損壞，保證服役性能穩定，延長使用壽命.

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